輪機(jī)維護(hù)與修理 第四章(培訓(xùn)教材)

Chapter4船機(jī)零件的疲勞破壞

（FatigueFracture）柴油機(jī)許多零件（如曲軸、活塞、缸蓋、齒輪、連桿螺栓等）承受著交變載荷的作用，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后會(huì)發(fā)生斷裂，而在這些斷裂中，疲勞斷裂占到了80～90％。交變應(yīng)力→疲勞破壞16:31Chapter4船機(jī)零件的疲勞破壞

（FatigueFracture）重點(diǎn)：疲勞破壞的機(jī)理難點(diǎn)：氣缸蓋和曲軸的疲勞破壞要求掌握的知識(shí)點(diǎn)：疲勞破壞的定義疲勞斷裂的過程零件材料的疲勞強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)？高溫疲勞和熱疲勞16:31

§4-1金屬疲勞破壞

§4-2柴油機(jī)氣缸蓋（Cylinderhead）的疲勞破壞

§4-3曲軸（Crankshaft）的疲勞破壞☆練習(xí)題本章主要內(nèi)容16:31§4-1金屬疲勞破壞3疲勞斷裂的特點(diǎn)4影響疲勞強(qiáng)度的因素1.1定義1.2疲勞斷裂的種類1.3疲勞抗力指標(biāo)1疲勞斷裂的概述2.1疲勞斷裂的斷口特征2.2疲勞斷裂的過程2疲勞斷裂的機(jī)理16:311.1疲勞斷裂定義疲勞斷裂：零件或材料在交變載荷長時(shí)間作用下，在應(yīng)力<b(甚至<s)情況下，產(chǎn)生裂紋或突然斷裂這種現(xiàn)象，稱為～。說明：（1）應(yīng)力：機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力（交變）。交變應(yīng)力：大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的應(yīng)力，由交變載荷引起。平均應(yīng)力：σm=(σmax+σmin)/2應(yīng)力幅值：σa=(σmax-σmin)/2應(yīng)力循環(huán)特征：ｒ=σmin/

σmax；當(dāng)ｒ=-1時(shí)，為對(duì)稱循環(huán)。（2）破壞：裂紋和斷裂。16:311.1疲勞斷裂定義（3）疲勞斷裂特征：（零件發(fā)生疲勞斷裂時(shí)具有以下特征）①零件是在交變載荷作用下經(jīng)過較長時(shí)間的使用；②斷裂應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度σb，甚至小于屈服強(qiáng)度σs；③斷裂是突然的、無任何先兆；④斷口形貌特殊，斷口上有明顯不同的區(qū)域；⑤零件的幾何形狀、尺寸、表面質(zhì)量和表面受力狀態(tài)等均直接影響零件的疲勞斷裂。16:311.2疲勞斷裂的種類1）根據(jù)應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)分：★高周疲勞破壞特點(diǎn)：小，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大（>105）,最常見（曲軸、彈簧等斷裂）?！锏椭芷谄茐奶攸c(diǎn)：應(yīng)力大（>s）,低頻加載，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)104～105（如壓力容器、高壓管道等的斷裂破壞）2）根據(jù)工作環(huán)境等分類：★熱疲勞：因零件受溫度變化引起熱應(yīng)力反復(fù)作用造成的疲勞破壞。如缸蓋疲勞裂紋?！锔g疲勞：由于交變應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的共同作用而導(dǎo)致的疲勞破壞。★接觸疲勞破壞：由于接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，導(dǎo)致形成金屬剝落，形成麻點(diǎn)。如滾動(dòng)軸承、齒輪等的破壞。★其它疲勞形式：如接觸疲勞、微動(dòng)磨損疲勞和激冷疲勞等。3）按應(yīng)力種類分：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、復(fù)合疲勞等。16:311.3疲勞抗力指標(biāo)表征零件材料抗疲勞性能的力學(xué)參數(shù)，主要有：1）疲勞極限2）過載抗力3）疲勞缺口敏感度16:311）疲勞極限疲勞極限（MPa）：當(dāng)應(yīng)力低于某一數(shù)值時(shí)，循環(huán)無限次，材料也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，該應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。材料的疲勞極限由試驗(yàn)測(cè)定：例如，常溫下的碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵，在n達(dá)107后曲線出現(xiàn)水平階段。所以這類材料是以N＝107時(shí)不斷的最大應(yīng)力作為疲勞極限。16:312）過載抗力過載抗力：衡量過載對(duì)材料疲勞抗力的影響指標(biāo)。例如，柴油機(jī)緊急剎車、起動(dòng)或超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等。過載危害：不適當(dāng)過載（包括過載的大小和過載循環(huán)次數(shù)的多少）將會(huì)造成過載損傷，降低材料疲勞極限，導(dǎo)致零件疲勞破壞。原因：過載引發(fā)材料內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展達(dá)到了一定尺寸，在過載后的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中不斷擴(kuò)展導(dǎo)致疲勞斷裂。因零件短時(shí)間過載不可避免，故零件選材時(shí)宜選用過載抗力較高材料。16:313）疲勞缺口敏感度零件表面開鍵槽、油孔、螺紋等各種缺口時(shí)，會(huì)在缺口根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，使材料疲勞強(qiáng)度降低。疲勞缺口敏感度：g＝（Kf－1）/（Kt－1）式中：Kt——靜力理論應(yīng)力集中系數(shù)，Kt＝σmax

/σ；

Kf——疲勞應(yīng)力集中系數(shù)，Kf＝σ－1／σ－1n

。Kt：與缺口的幾何形狀、尺寸及缺口曲率半徑有關(guān)，與材料性能無關(guān)。Kt值可從機(jī)械工程手冊(cè)中查得。Kf：與缺口的形狀、尺寸和材料性能有關(guān)。Kf值由材料試驗(yàn)所得。在中等強(qiáng)度范圍內(nèi)，材料強(qiáng)度越高，Kf值越大，一般Kf≤Kt。當(dāng)Kf＝Kt時(shí)，g＝1，表示此時(shí)疲勞應(yīng)力集中最嚴(yán)重，缺口最敏感；當(dāng)Kf＝1時(shí)，σ－1＝σ－1n，則g=0，表示零件雖有缺口但不影響材料σ－1，缺口最不敏感。材料的缺口敏感度g

在0～1之間。g值越小，缺口越不敏感。鑄鐵對(duì)缺口極不敏感，g＜0.1；一般結(jié)構(gòu)鋼對(duì)缺口較為敏感，g＝0.55～0.80。16:312疲勞斷裂的機(jī)理2.1疲勞斷裂的斷口特征2.2疲勞斷裂的過程16:31

2.1疲勞斷裂的斷口特征零件或構(gòu)件疲勞斷裂后，斷口形貌呈現(xiàn)從裂紋產(chǎn)生到裂紋擴(kuò)展，直至斷裂的全過程。可根據(jù)斷口形貌特征來分析零件的斷裂原因。彎曲疲勞斷裂和扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂宏觀形貌，分為三個(gè)區(qū)域：（1）疲勞源用肉眼或低倍放大鏡在斷口上可找到一個(gè)或多個(gè)疲勞裂紋的開始點(diǎn)，稱為疲勞源。疲勞源一般出現(xiàn)在零件表面或近表面處。（2）裂紋擴(kuò)展區(qū)呈光滑狀或貝紋狀，一般占較大面積。光滑狀是兩斷裂表面長時(shí)間互相研磨所致；貝紋是負(fù)荷變化時(shí)裂紋前沿線擴(kuò)展遺留下的痕跡。貝紋從疲勞源開始后向四周擴(kuò)展并與裂紋擴(kuò)展方向垂直。（3）最后斷裂區(qū)域稱脆斷區(qū)零件瞬間突然斷裂，斷口晶粒較粗大，與發(fā)暗的裂紋擴(kuò)展區(qū)明顯不同。脆性材料呈結(jié)晶狀；塑性材料呈纖維狀。交變應(yīng)力反復(fù)作用微觀疲勞裂紋裂紋擴(kuò)展（時(shí)而擴(kuò)展，時(shí)而停止）承載面積減少最后斷裂。⊕16:31彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的宏觀形貌16:312.2疲勞斷裂的過程疲勞斷裂過程三個(gè)過程：1)疲勞裂紋的形成：形成部位：應(yīng)力最大、薄弱環(huán)節(jié)。在截面突變、有切槽的地方、加工缺陷處等有較大應(yīng)力集中。2)疲勞裂紋的擴(kuò)展：第一階段：切向擴(kuò)展階段。沿最大切應(yīng)力（與正應(yīng)力成45°角）的方向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，深度較淺(0.1mm)，擴(kuò)展速度很小。第二階段：裂紋改變方向，沿與正應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展，正應(yīng)力對(duì)裂紋的擴(kuò)展起重要作用。3)疲勞斷裂最后斷裂區(qū)的面積與所受載荷有關(guān)，面積大，說明過載越重。當(dāng)其面積小于斷口面積的一半時(shí)，說明零件無過載或過載很小。⊕

16:313疲勞斷裂的特點(diǎn)1)突發(fā)性：斷裂前無明顯的塑變；2)疲勞斷裂前零件一般經(jīng)較長時(shí)間的使用；3)工作應(yīng)力小于材料的強(qiáng)度極限，甚至小于屈服強(qiáng)度；4)零件的幾何形狀、尺寸、表面質(zhì)量和表面受力狀態(tài)直接影響零件的疲勞斷裂；5)斷口形貌特殊：分三個(gè)區(qū)（每個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)過程）。①疲勞源：一般出現(xiàn)在零件的表面。一般有1～2個(gè)。②裂紋擴(kuò)展區(qū)：呈貝紋狀，是裂紋擴(kuò)展留下的痕跡。③最后斷裂區(qū)：晶粒粗大。所占面積越大，超過斷口面積一半以上，說明零件承受嚴(yán)重的過負(fù)荷，其壽命也越短。若所占面積較小，小于斷口面積之半時(shí)，說明零件無過載或過載很小。在相同條件下，高應(yīng)力狀態(tài)零件最后斷裂區(qū)面積大于低應(yīng)力狀態(tài)零件；疲勞源數(shù)目不同，單相彎曲僅有1個(gè)，雙向彎曲有2個(gè)；最后斷裂區(qū)形狀不同，單相彎曲與扭轉(zhuǎn)彎曲相比，后者的疲勞源與最后斷裂區(qū)相對(duì)位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)由于零件上缺口應(yīng)力集中的影響較大，最后斷裂區(qū)很小且與零件斷面呈同心狀。16:3116:3116:3116:314影響疲勞強(qiáng)度的因素外部因素：零件的形狀、尺寸、表面粗糙度和使用條件等；內(nèi)部因素：材料的成分、組織、夾雜物和表面應(yīng)力狀態(tài)等。疲勞強(qiáng)度是零件設(shè)計(jì)、選材和制訂加工工藝時(shí)的重要參數(shù)，直接關(guān)系到零件使用壽命。主要包括：4.1應(yīng)力集中4.2表面狀態(tài)和尺寸因素4.3使用條件4.4材料的成分、組織和夾雜物16:314.1應(yīng)力集中應(yīng)力集中引起的疲勞破壞居所有導(dǎo)致疲勞失效因素中的首位。試驗(yàn)表明，零件上缺口引起應(yīng)力集中使疲勞極限降低，缺口越尖銳，降低越嚴(yán)重。16:314.2零件加工的表面狀態(tài)和尺寸因素1）表面狀態(tài)：指表面粗糙度、表面成分和性能的變化、表面殘余應(yīng)力等。粗糙度：表面粗糙→σ-1↓。如鋼、鋁合金粗車σ-1比拋光低10～20％。表面強(qiáng)化處理：表面強(qiáng)化零件表面化學(xué)成分和組織變化→表面機(jī)械性能變化。如經(jīng)滲碳或氮化處理光滑鋼試樣彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞極限↑15％～100％；缺口試樣經(jīng)滲碳或氮化處理疲勞極限↑達(dá)230％～300％。柴油機(jī)曲軸采用此種強(qiáng)化工藝。表面變形強(qiáng)化：處理使表面塑性變形抗力增加，在表面層內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力，提高疲勞極限。滾壓、噴丸等工藝用來提高零件的疲勞極限。2）疲勞強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)：材料尺寸↑→σ-1↓，強(qiáng)度越高疲勞極限下降越快。該現(xiàn)象稱為～。原因是：疲勞源于表面，尺寸↑→表面積↑→表面疲勞破壞概率↑。（加工尺寸大1倍的曲軸，價(jià)格增加決不止1倍。）16:314.3使用條件1）過載：過載將造成過載損傷，材料的疲勞極限↓。2）使用溫度：溫度↑→材料疲勞極限↓，溫度↓→疲勞極限↑。但溫度過低材料變脆→材料疲勞極限↓。3）環(huán)境介質(zhì)：零件在腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)的零件表面被腐蝕形成缺口，產(chǎn)生應(yīng)力集中而使零件材料的疲勞極限下降。16:314.4材料的成分、組織和夾雜物一定條件下凡使材料的強(qiáng)度提高的因素，一般來說也可使其疲勞強(qiáng)度提高。1）熱處理：熱處理對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響>>材料成分對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。2）除雜鋼中的非金屬夾雜物是產(chǎn)生疲勞裂紋的發(fā)源地，鋼中的夾雜物越少其疲勞強(qiáng)度越高?！?6:31§4-2柴油機(jī)氣缸蓋（Cylinderhead）的疲勞破壞1.1高溫疲勞1.2熱疲勞1.3提高抗熱疲勞的途徑1高溫疲勞和熱疲勞2.1底面（觸火面）裂紋2.2冷面（觸水面）裂紋2.3外表面裂紋2氣缸蓋的疲勞破壞16:311.1高溫疲勞定義：零件在高于材料的0.5Tm（Tm用絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn)）或高于其再結(jié)晶溫度時(shí)，受到循環(huán)交變應(yīng)力作用所引起的疲勞破壞。汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉輪和葉片、柴油機(jī)排氣閥等處于該工作狀態(tài)。原因：在高溫下，材料持久強(qiáng)度、蠕變極限、疲勞極限均下降。中溫疲勞：高于常溫，低于0.5Tm的疲勞稱為中溫疲勞?！?6:31高溫疲勞的特點(diǎn)1）高溫疲勞曲線中不出現(xiàn)（圖4－4）水平部分交變應(yīng)力循環(huán)周次↑→疲勞極限↓。故高溫下材料疲勞極限用規(guī)定循環(huán)周次下的疲勞極限表示，一般取5×107或108次。2）高溫疲勞總伴隨蠕變發(fā)生溫度↑→蠕變↑→疲勞和蠕變交互作用↑。不同材料發(fā)生蠕變溫度不同，當(dāng)材料溫度高于0.3Tm時(shí)蠕變顯著發(fā)生。例如碳鋼溫度超過300～350℃，合金鋼溫度超過350℃～400℃時(shí)發(fā)生蠕變，引起材料疲勞極限急劇降低。實(shí)驗(yàn)表明：溫度↓→材料蠕變極限、持久強(qiáng)度>疲勞極限。溫度↑→材料蠕變極限、持久強(qiáng)度和疲勞極限↓。但蠕變極限、持久強(qiáng)度↓速度>>疲勞極限。當(dāng)溫度較低時(shí)，材料以疲勞破壞為主；溫度較高時(shí)，以蠕變破壞為主。

16:311.2熱疲勞1）熱應(yīng)力2）熱疲勞16:311）熱應(yīng)力柴油機(jī)工作時(shí)：缸蓋外表或冷面溫度：60～80℃，而觸火面的高溫區(qū)的溫度為400～480℃。由觸火面?zhèn)鱽淼臒崃勘焕鋮s水帶走，冷卻水溫度為70℃左右。觸火面受熱膨脹，但受外表面或冷面的制約，結(jié)果外表面或冷面受拉，而觸火面受壓。由于缸蓋的材料鑄鐵在高于350℃時(shí)，抗蠕變能力下降，導(dǎo)致壓縮蠕變，使壓應(yīng)力下降，應(yīng)力得到松弛。停車后：觸火面溫度降低，在溫度尚未達(dá)到環(huán)境溫度時(shí)，材料所受的壓縮應(yīng)力就已經(jīng)消失完畢。當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)，產(chǎn)生了拉應(yīng)力。低頻熱應(yīng)力→裂紋產(chǎn)生部位：缸蓋在“加熱—冷卻”的多次循環(huán)后，交變的熱應(yīng)力就會(huì)導(dǎo)致觸火面疲勞裂紋產(chǎn)生。（低頻熱應(yīng)力）因此，缸蓋疲勞裂紋產(chǎn)生的主要原因是熱負(fù)荷過高。

16:311）熱應(yīng)力的幾個(gè)概念根據(jù)熱應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系分定常熱應(yīng)力和不定常熱應(yīng)力。定常熱應(yīng)力：指不隨時(shí)間變化的熱應(yīng)力。柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，零件溫度處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。由冷態(tài)→熱穩(wěn)定狀態(tài)，燃燒室零件上的熱應(yīng)力為～。不定常熱應(yīng)力：指隨時(shí)間變化的熱應(yīng)力。根據(jù)熱應(yīng)力變化頻率分為：高頻熱應(yīng)力與低頻熱應(yīng)力。高頻熱應(yīng)力：柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室零件觸火面溫度隨著工作循環(huán)變化而變化，熱應(yīng)力頻率高但受熱深度淺。高頻變化的燃?xì)飧邷匾鸬臒釕?yīng)力為～。零件觸火面高頻熱應(yīng)力最大，隨深度減小。低頻熱應(yīng)力：柴油機(jī)起動(dòng)、停車或變工況運(yùn)行時(shí)，燃燒室零件溫度隨時(shí)間發(fā)生動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生不定常熱應(yīng)力。該熱應(yīng)力變化頻率與運(yùn)轉(zhuǎn)中起動(dòng)、停車或工況變化的頻率相同，頻率較低，屬于～。熱應(yīng)力大小與負(fù)荷變化速度有關(guān)。負(fù)荷突變會(huì)引起過大低頻熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件熱疲勞破壞。16:312）熱疲勞熱疲勞是零件在循環(huán)熱應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。產(chǎn)生熱疲勞須滿足的兩個(gè)條件：★溫度循環(huán)變化：溫差△T循環(huán)變化→熱應(yīng)力循環(huán)變化→熱疲勞?！锪慵嶙冃问艿郊s束零件材料受熱膨脹變形：α·△T（α為材料的線膨脹系數(shù)），如果該變形完全被約束就會(huì)引起熱應(yīng)力△σ＝-E·α·△T。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料高溫下的屈服極限時(shí)產(chǎn)生局部塑性變形，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)或當(dāng)△T較大時(shí)經(jīng)過較少的循環(huán)次數(shù)就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。結(jié)論：熱疲勞破壞實(shí)際上是由塑性應(yīng)變引起的，并且是塑性應(yīng)變損傷累積的結(jié)果，是一種高溫高應(yīng)變疲勞。16:31熱疲勞抗力的影響因素及提高措施1）影響因素：導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱性↓→溫差△T↑→熱應(yīng)力↑；比熱：比熱↑→溫度↑→熱應(yīng)力↑；溫度↑→疲勞極限↓；彈性模量E：E↑→膨脹約束時(shí)應(yīng)力↑；膨脹系數(shù)α：α↑→膨脹↑，受約束時(shí)應(yīng)力↑。導(dǎo)熱性差的脆性材料，如灰口鑄鐵容易發(fā)生熱疲勞破壞。2）提高材料熱疲勞抗力的途徑：1）減少甚至消除零件上的應(yīng)力集中和應(yīng)變集中；2）提高材料的高溫強(qiáng)度；3）提高材料的塑性；4）降低材料的熱膨脹系數(shù)。16:312.1缸蓋底面（觸火面）裂紋原因：熱負(fù)荷↑↑；安裝、使用不正確引起（如緊固過度、用力不均等；冷卻水中斷、暖機(jī)不夠、水溫過低）。受力分析：1）工作時(shí)，Pz→底面上拱彎曲→壓應(yīng)力（隨工作循環(huán)交變）。2）底面高溫達(dá)400℃～500℃，若冷卻不良，t>0.5Tm(灰鑄鐵熔點(diǎn))→高溫疲勞破壞。3）底面溫度t＞0.3Tm時(shí)，底面→蠕變↑，底面壓應(yīng)力↓↓。4）觸火面與冷卻面溫差達(dá)300～400℃，底面和冷卻面→壓、拉熱應(yīng)力，停車或負(fù)荷突降→底面壓應(yīng)力↓→消失，甚至產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，高溫→材料σ－1↓，低頻熱應(yīng)力＞σ－1時(shí)→底面疲勞裂紋產(chǎn)生。結(jié)論：缸蓋底面裂紋，可能是熱疲勞裂紋、也可能是高溫疲勞裂紋或蠕變裂紋，或者是三者共同作用產(chǎn)生的裂紋。若裂紋呈龜裂狀，則可斷定為熱疲勞裂紋。16:312.2冷面（冷卻水側(cè)）裂紋原因：由周期性脈動(dòng)pz引起應(yīng)力作用造成。分析：1）Pz→缸蓋底面上拱變形，水冷面→拉應(yīng)力。2）若冷卻水通道筋根部過渡圓角過小或者存在鑄造缺陷時(shí)，應(yīng)力集中→裂紋；在周期性（高頻）脈動(dòng)pz作用下，水冷面疲勞。水道環(huán)形筋根部→機(jī)械疲勞裂紋，向觸火面擴(kuò)展。3）水冷面在水中→微觀電化學(xué)腐蝕；局部區(qū)域可能沸騰，水中可溶性鹽類的酸根離子Cl－、SO4――等與金屬→電化學(xué)腐蝕；水中溶解有氧，金屬氧化。水溫↑→腐蝕↑。以上腐蝕條件下，材料疲勞強(qiáng)度下降，在氣缸中燃?xì)庋h(huán)交變Pz作用下產(chǎn)生腐蝕疲勞破壞。16:312.3缸蓋外表面裂紋四沖程機(jī)中常見，主要是安裝用力不均或緊固過度引起。小結(jié)：1）缸蓋及燃燒室其它組件的疲勞裂紋，與輪機(jī)員管理工作密切相關(guān)。2）避免產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力就能避免產(chǎn)生熱疲勞裂紋。要求：缸蓋等零件不能熱態(tài)時(shí)急冷和冷態(tài)下急熱或工作時(shí)過熱。如柴油機(jī)起動(dòng)前應(yīng)充分暖機(jī)，起動(dòng)后緩慢增速增負(fù)荷；停車時(shí)應(yīng)讓冷卻水繼續(xù)循環(huán)，不使機(jī)件散熱不良或局部過熱；避免長期超負(fù)荷；防止氣缸蓋冷卻水腔結(jié)垢嚴(yán)重等。16:31§4-3曲軸(Crankshaft)的疲勞破壞曲軸在回轉(zhuǎn)中受各缸交變氣體力、往復(fù)慣性力和離心力及由其所引起的彎矩、扭矩的作用。這些力不僅隨曲柄轉(zhuǎn)角變化，也隨負(fù)荷變化。曲軸的形狀復(fù)雜，截面變化多，剛度不足，受力復(fù)雜。曲軸的疲勞屬于高周低應(yīng)力疲勞破壞。1.1彎曲疲勞裂紋（BendingFatigueCrack）1.2扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋（TorsionFatigueCrack）1.3彎曲—扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋（CompoundFatigueCrack）2防止或減少疲勞裂紋的主要方法1曲軸疲勞裂紋的種類16:311.1彎曲疲勞裂紋（BendingFatigueCrack）1）發(fā)生時(shí)期及原因：一般發(fā)生在曲軸長期運(yùn)轉(zhuǎn)后，由于主軸承（mainbearings）不均勻磨損→曲軸軸線不正→附加彎曲應(yīng)力加大。2）斷裂部位：一般在曲柄銷（Crankpin）或主軸頸（Crankshaftjournal）與曲柄臂連接的過渡圓角處，沿曲柄臂斷裂。結(jié)論：須控制主軸承不均勻磨損，確保軸線平直。16:311.2扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋（TorsionFatigueCrack）1）原因及發(fā)生時(shí)期：扭矩產(chǎn)生應(yīng)力+扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的附加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。一般發(fā)生在曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)初期或曲軸位于臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。2）斷裂部位：一般發(fā)生在油孔或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)附近的曲柄處，并在軸頸上沿與軸線成45°角的兩個(gè)方向擴(kuò)展，斷口與軸線相交45°，斷面裂紋線近似螺旋線。⊕16:311.3彎曲—扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋（CompoundFatigueCrack）生產(chǎn)實(shí)踐表明：曲軸的彎曲疲勞多于扭轉(zhuǎn)疲勞。原因：彎曲應(yīng)力的應(yīng)力集中系數(shù)比扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù)大，且彎曲應(yīng)力難以精確計(jì)算（導(dǎo)致應(yīng)力的因素：各主軸承的磨損難以掌握和控制，因此造成的附加彎曲應(yīng)力難計(jì)算）。16:312防止或減少曲軸疲勞裂紋的主要方法總體上說：消除或降低零件上的應(yīng)力集中和附加應(yīng)力，即消除或減少疲勞裂紋源和降低交變應(yīng)力。具體措施：1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2）制造方面3）輪機(jī)管理方面16:31結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面減少曲軸疲勞裂紋措施（1）改進(jìn)不合理的設(shè)計(jì)；（2）斷面突變處的圓角過渡，降低應(yīng)力集中。曲軸的過渡圓角半徑不小于曲柄銷徑的5％。16:31制造方面減少曲軸疲勞裂紋措施1）消除加工制造過程中的各種應(yīng)力。消除應(yīng)力主要采用退火工藝。2）改善表面質(zhì)量和性能。表面是裂紋策源地，主要方法是：降低粗糙度，對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化處理（滲C、N等）。對(duì)曲軸的過渡圓角進(jìn)行滾壓可使疲勞強(qiáng)度提高20～70％，球墨鑄鐵曲軸可提高50～90％。16:31輪機(jī)管理方面減少曲軸疲勞裂紋措施加強(qiáng)主、副柴油機(jī)管理，尤其加強(qiáng)曲軸維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)減少曲軸疲勞破壞，延長使用壽命和柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)很重要。1）定期檢測(cè)曲軸臂距差監(jiān)控曲軸軸線狀態(tài)和主軸承下瓦的磨損情況，防止曲軸彎曲疲勞破壞；及時(shí)了解曲軸軸線狀態(tài)并及時(shí)調(diào)整。減少附加彎曲應(yīng)力。2）加強(qiáng)主軸承潤滑定期檢測(cè)主軸頸與主軸承配合間隙，防止軸承下瓦過度磨損，減少?zèng)_擊。3）柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，避免在轉(zhuǎn)速禁區(qū)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。4）加強(qiáng)扭振減振器的維護(hù)管理，保證其處于良好的工作狀態(tài)。16:31參考習(xí)題1.零件的疲勞破壞包括：Ⅰ疲勞裂紋；Ⅱ疲勞斷裂；Ⅲ變形；Ⅳ韌性斷裂；Ⅴ脆性斷裂

A.Ⅰ+ⅡB.Ⅰ＋Ⅱ＋ⅢC.Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ＋ⅣD.Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ＋Ⅳ＋Ⅴ2.低應(yīng)力高壽命疲勞稱為：

A.低周疲勞B.高周疲勞C.機(jī)械疲勞D.熱疲勞3.柴油機(jī)燃燒時(shí)的爆發(fā)壓力屬于：

A.機(jī)械負(fù)荷B.熱負(fù)荷C.機(jī)械應(yīng)力D.熱應(yīng)力4.曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋多自過渡圓角向軸頸擴(kuò)展，而很少向曲柄臂擴(kuò)展，是因?yàn)椋篈.軸頸的應(yīng)力集中大于曲柄臂B.軸頸的抗扭轉(zhuǎn)截面模數(shù)較曲柄臂的小C.軸頸的剛度比曲柄臂大D.軸頸上有油孔5.零件表面的裂紋源多是______的缺口、如油孔、過渡圓角、臺(tái)階、粗大刀痕等或材料的組織缺陷。

A.變形B.敏感C.應(yīng)力D.應(yīng)力集中√√√√√16:316.疲勞斷裂的最后斷裂區(qū)呈：

A.粗晶狀B.細(xì)晶狀C.貝紋狀D.杯錐狀7.零件斷裂后，其斷口上的裂紋擴(kuò)展區(qū)的貝紋線間距小，即貝紋細(xì)密，表明零件材料的______高。

A.疲勞強(qiáng)度B.抗拉強(qiáng)度C.持久強(qiáng)度D.抗彎強(qiáng)度8.一般船機(jī)零件斷裂是屬于：

A.韌性斷裂B.脆性斷裂C.疲勞斷裂D.變形斷裂9.由于設(shè)計(jì)不合理或安裝不當(dāng)使零件受到附加應(yīng)力的作用，容易使零件產(chǎn)生：

A.變形