文档介绍：Chapter4 船机零件的疲劳破坏
(Fatigue Fracture)
很多柴油机零件(如曲轴、活塞、缸盖、齿轮、连杆螺栓等)承受交变载荷的作用,经过长时间运行后会发生断裂,在这些断裂中,疲劳断裂占80~90%。
§4-1 金属疲劳的概念
1 疲劳断裂的概述
定义
零件或材料在交变载荷的长时间作用下,会在应力小于sb(甚至小于ss)的情况下产生裂纹或突然断裂,这种现象称为疲劳断裂。
说明:(1)应力:机械应力和热应力(交变)。
交变应力:
平均应力:
应力幅值:
应力循环特征:;当时,为对称循环。
(2)破坏:裂纹和断裂。
(3)特征:
零件发生疲劳断裂时具有以下特征:
(1)零件是在交变载荷作用下经过较长时间的使用;
(2)断裂应力小于材料的抗拉强度σb,甚至小于屈服强度σs;
(3)断裂是突然的、无任何先兆;
(4)断口形貌特殊,断口上有明显不同的区域;
(5)零件的几何形状、尺寸、表面质量和表面受力状态等均直接影响零件的疲劳断裂。
种类
1)根据应力大小和循环次数分:
★高周疲劳破坏
特点:s小,应力循环次数大(>105),最常见(曲轴、弹簧等的断裂)。
★低周疲劳破坏
特点:应力大(>ss),低频加载,应力循环次数104~105
2)根据工作环境等分类:
★热疲劳:由于零件受温度的变化引起热应力的反复作用造成的疲劳破坏。如缸盖疲劳裂纹。
腐蚀疲劳:由于交变应力与腐蚀介质的共同作用而导致的疲劳破坏。
接触疲劳破坏: 由于接触应力的反复作用,导致形成金属剥落,形成麻点。如滚动轴承、齿轮等的破坏。
其它疲劳形式:如接触疲劳、微动磨损疲劳和激冷疲劳等。
3)按应力种类分:弯曲疲劳、扭转疲劳、复合疲劳等。
疲劳抗力指标
表征零件材料抗疲劳性能的力学参数,主要有:疲劳极限、超载抗力、疲劳缺口敏感度等。
1)疲劳极限(MPa):当应力低于某一数值时,循环无限次,材料也不会发生疲劳断裂,该应力称为材料的疲劳极限。材料的疲劳极限是由试验测定。例如,常温下的碳钢、合金结构钢和铸铁,在N达107后曲线出现水平阶段。所以这类材料是以N=107时不断的最大应力作为疲劳极限。
2)过载抗力:是衡量过载对材料疲劳抗力的影响指标。例如,柴油机紧急刹车、起动或超负荷运转等。不适当过载(包括过载的大小和过载循环次数的多少)将会造成过载损伤,降低材料的疲劳极限,导致零件的疲劳破坏。这是由于过载引发了材料内部的微裂纹扩展达到了一定尺寸,在过载后的正常运转中不断扩展导致疲劳断裂。由图可以看出,材料的过载损害区越狭窄,或过载持久线ed越陡直,则过载抗力越高。过载持久值ed表示在超过疲劳极限的应力下直到断裂所能经受的最大应力循环周数。由于零件短时间过载不可避免,所以零件选材时宜选用过载损害区狭窄而又较陡直的材料。
3)疲劳缺口敏感度:零件表面开有键槽、油孔、螺纹等各种缺口时,就会在缺口的根部产生应力集中,使材料的疲劳强度降低。
q=(Kf-1)/(Kt-1)
式中:Kt——静力理论应力集中系数,Kt=σmax/σ;
Kf——疲劳应力集中系数,Kf=σ-1/σ-1H
Kt 是试件缺口根部处的最大应力σmax与光滑试件横截面上均匀应力σ之比,与缺口的几何形状、尺寸及缺口曲率半径有关,与材料性能无关。Kt值可从机械工程手册中查得。
Kf是光滑试件的疲劳极限σ-1与缺口疲劳极限σ-1H之比,其与缺口的形状、尺寸和材料性能有关。在中等强度范围内,材料强度越高,Kf值越大。一般Kf≤Kt。当Kf=Kt
时,q=1,表示此时疲劳应力集中最严重,缺口最敏感;当Kf=1时,σ-1=σ-1H,则q=0,表明零件虽有缺口但不影响材料的疲劳极限σ-1,缺口最不敏感。
材料的缺口敏感度q在0~1之间。q值越小,缺口越不敏感。铸铁对缺口极不敏感,q<;一般结构钢对缺口较为敏感,q=~。
2 疲劳断裂的机理

零件或构件疲劳断裂后,其断口形貌呈现了从裂纹产生到裂纹扩展,直至断裂的全过程。可以根据断口形貌特征来分析零件的断裂原因。
图4-3a)、b)分别示出弯曲疲劳断裂和扭转疲劳断裂的宏观形貌,分为三个区域:
(1)疲劳源用肉眼或低倍放大镜在断口上可以找到一个或多个疲劳裂纹的开始点,称为疲劳源。疲劳源一般出现在零件表面或近表面处。
(2)裂纹扩展区呈光滑状或贝纹状,一般占有较大面积。光滑状是两个断裂表面长时间互相研磨所致;贝纹是负荷变化时裂纹前沿线扩展遗留下的痕迹。贝纹从疲劳源开始后向四周扩展并与裂纹扩展方向垂直。
(3)最后断裂区域称脆断区零件瞬间突然断裂,断口晶粒较粗大,与发暗的裂纹扩展区明显不同。