第4章-船机零件的疲劳破坏.ppt

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1、第四章船机零件的疲劳破坏第四章船机零件的疲劳破坏零件或材料在交变载荷的长时间作用下产生裂纹和断裂的现象称为疲劳破坏。据统计，疲劳断裂的零件约占断裂零件总数的80～90％。§4-1疲劳破坏一、疲劳破坏的基本知识1、交变应力交变应力——大小和方向随时间作周期性变化的应力平均应力：应力幅值：应力循环特征：当时，为对称循环应力。当时，为对称循环应力§4-1疲劳破坏疲劳断裂的定义零件或材料在交变的机械应力或热应力的长时间作用下，即使在最大工作应力小于b（甚至小于s）的情况下产生裂纹或突然断裂的现象现象称为疲劳断裂。2、疲劳断裂和特征疲劳断裂的特征（1）零件在交变载荷作用下经

2、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，即具有突发性；（4）断口上有明显分区；（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。1）根据应力大小和循环周数分★高周疲劳破坏——低应力、高寿命疲劳断裂；特点：最大工作应力应力＜s，应力循环次数较高，一般超过106~107例子：如曲轴、弹簧等的断裂。★低周疲劳破坏——高应力、低寿命疲劳断裂特点：最大工作应力≥s，应力循环次数＜104~105例子：如压力容器、高压管道等的疲劳断裂。§4-1疲劳破坏3、疲劳断裂的种类2）根据工作

3、环境等分类热疲劳——因温度变化引起热应力的反复作用造成的疲劳破坏。如气缸盖疲劳裂纹。高温下零件长时间承受应力σ＞σTt（高温疲劳极限）时将产生断裂。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，导致金属剥落，形成麻点引起的疲劳。如滚动轴承、齿轮等的破坏。其它疲劳形式：如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。§4-1疲劳破坏3、疲劳断裂的种类疲劳抗力指标——表征零件材料抗疲劳性能的力学参数。主要有疲劳极限、过载抗力、缺口敏感度等。1）疲劳极限——材料经无限多次应力循环的作用而不

4、破坏的最大应力。又称疲劳强度，用符号σr表示（分为σ-1和σ0）材料的疲劳极限是由试验测定。通常碳钢是以N＝107时不断的最大应力作为疲劳极限。有色金属N＝106。§4-1疲劳破坏4、疲劳抗力指标§4-1疲劳破坏2）过载抗力——衡量过载对材料疲劳抗力的影响指标。机器运转时，常常会出现短时间的过载（工作应力短时间高于材料疲劳极限），如柴油机紧急刹车、起动或超负荷运转等，为保证安全运转，对偶然短时间的过载应考虑其对材料疲劳抗力的影响。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

5、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。4、疲劳抗力指标由图可以看出，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。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。§4-1疲劳破坏2）过载抗力过载抗力一般可用通过试验建立的过载损害区和损害界来表示。cde——过载损害区cd——过载损害界ed——过载持久线，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3）缺口敏感度——表示零件表面缺口使材料疲劳强度降低的程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

6、的疲劳强度降低。采用缺口敏感度q来表示疲劳强度降低的程度。Kt为最大应力集中系数，反映应力集中的程度Kf为疲劳应力集中系数缺口敏感度q值在0~1，q＝0时缺口最不敏感；q＝1时缺口最敏感。材料的缺口敏感度越大，疲劳强度越低。灰铸铁q＜0.1，对缺口极不敏感；一般的结构钢对缺口较敏感，q＝0.55~0.80§4-1疲劳破坏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。疲劳断口通常分为三个区域：疲劳源、裂纹扩展区和最后断裂区§4-1疲劳破坏二、疲劳破坏的机理1、疲劳断裂的断口特征疲劳源（疲劳核心）用

7、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。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。最后断裂区或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。脆性材料呈结晶状；塑性材料呈纤维状。交变应力的反复作用产生微观疲劳裂纹裂纹扩展（时而扩展，时而停止）承载面积减少最后断裂。§4-1疲劳破坏疲劳断裂的过程包含三个过程：疲劳裂纹的形