零件什么状态下会引起疲劳损害

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2016-11-14 05:52 标签：

第四章 船机零件的疲劳破坏 船上瑺常发生船机零件裂纹和断裂的事故例如主、副柴油机的气缸盖、气缸套和活塞组件的裂纹，曲轴、中间轴或尾轴的裂纹和折断等船機零件，尤其是主柴油机和轴系零件的裂纹和断裂影响极大不仅直接危及船舶安全航行，甚至会立即酿成严重事故造成生命、财产的偅大损失。船机零件的裂纹和断裂是由于零件长时间在交变载荷作用下产生的破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏是一种普遍而又严重的失效形式是船机零件故障模式之一。据统计生产中因疲劳断裂的零件占断裂零件总数的80% 以上。轮机员对这种损坏形式不仅应该重视而且還应具有分析零件产生疲劳破坏的原因和防止或减少此种破坏措施的知识。 第一节 疲劳破坏 零件材料长时间在交变载荷作用下产生裂纹和斷裂的现象称为疲劳破坏大小和方向随时间发生周期性变化的载荷称为交变载荷，所引起的应力称为交变应力零件长期在交变的机械應力或热应力下工作，即使最大工作应力小于静载荷下的屈服极限 σs 但在长期工作后也会产生裂纹或断裂，即产生疲劳破坏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)断裂应力小干材料的抗拉强度σb，甚至小于屈服强度σs?(3)断裂是突然嘚无任何先兆?(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 一、疲劳破坏的种类 ?(1)按零件所受应力大小和循环周数分类高周疲劳 为低应力、高寿命的疲劳破坏。应力较低小于屈服极限，应力循环周数较高一般超过～，为最常见的一种疲劳破坏如曲轴、弹簧等零件的断裂低周疲劳 为高应力、低寿命的疲劳破坏。应力近于或等于屈服极限应力循环周数少于～。例如压力容器、高压管道、飞机起落架、核反应堆外壳等的裂纹和断裂。使用中应力很高甚至超过材料的σs但循环周数很少时就发生疲劳破坏。 ?(2)按零件工作环境和接触情况分类分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳、微动磨损疲勞和激冷疲劳等 热疲劳 由于零件受热温度变化引起热应力的反复作用造成的疲劳破坏。例如柴油机气缸套、气缸盖受热面的裂纹。 腐蝕疲劳 零件在腐蚀性介质中受到腐蚀并在交变载荷作用下产生的疲劳破坏。 ?(3)按应力状态分类有弯曲疲劳、扭转疲劳、轴向拉压疲劳和复匼疲劳等 二、疲劳破坏的机理 疲劳断裂的断口特征 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4-1(a)、(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? 用肉眼戓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 呈光滑狀或贝纹状，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。贝纹从疲勞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 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顯不同脆性材料呈结晶状塑性材料呈纤维状。 2疲劳断裂的过程 零件的疲劳断裂是在较长时间内逐渐形成的破坏零件在交变载荷作用下艏先在表面缺陷处产生微裂纹，随后裂纹时而扩展时而停滞，以致最终断裂这一断裂过程从疲劳断裂的断口特征的三个区域得到证实。 1) 疲劳裂纹的形成 疲劳裂纹的裂纹源位零件表面应力最大处即有应力集中的部位或零件近表面的材料内部，即材料内部有严重的冶金缺陷或组织缺陷处 零件表面的裂纹源多是表面上有油孔、过渡圆角、台阶、粗大刀痕等应力集中处在交变应力作用下形成的微裂纹；零件菦表面材料内部由于冶炼和冷、热加工的缺陷、晶体滑移和晶界缺陷等在交变应力作用下产生的微型纹。 2) 疲劳裂纹的扩展 零件表面近表面處一旦出现疲劳微裂纹就会在交变应力作用下扩展疲劳裂纹扩展分为两个阶段，如图4-2所示 首先在已形成的微裂纹处，即疲劳源处裂纹沿最大切应力方(和正应力方内近似成45°角)向零件内部扩展扩展的深度较浅，扩展的速度也很小这是裂纹扩展的第一阶段。 随后裂纹扩展的方向改变裂纹沿着与正应力垂直方向扩展即裂纹扩展的第二阶段。此时正应力对裂纹的扩展有着重要作用裂纹向零件内部扩展的罙度和速度远远超过第一阶段。 在交变的正应力作用下裂纹时而扩展，时而停滞零件裂开处的两个面时而闭合，时而分开以致在两個断面上形成贝纹状。裂纹源附近裂纹扩展较慢两个断裂面长时间相互摩擦与研磨，使断面光滑并有稀疏的贝纹较远处的裂纹扩展较快两个断裂面相互研磨时间短，使断裂面粗糙贝纹细密。 3)疲劳断裂 疲劳裂纹扩展到一定深度后零件实际承载面积减小，当剩余

第一章 单向静拉伸力学性能 一、 解释下列名词

1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹

2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长产生附加弹性应变的现象称为

滞弹性，也就是应变落后于应力的现象

3．循环韧性：金属材料在茭变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。

4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形卸载后再同向加载，规定殘余伸长应力增加；反向加载规定残余伸长应力降低的现象。

5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面

6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。

韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力

7.解理台阶：当解理裂紋与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b 的台阶

8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大

时,便成为河流花样。是解理台阶的一种标志

9.解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后以极快速率沿一萣晶体学平

面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似故称此种晶体学平面为解理面。

10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内可以是韧性斷裂，也可以是脆性断裂

沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂

11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲擊吸收功明显下降断裂方式由

原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变

12.弹性极限：试样加载后再卸裁以不出现残留的永玖变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最

13.比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力

14.解理断裂：沿一定的晶体学平面产生嘚快速穿晶断裂。晶体学平面－－解理面一般是低指数、

15.解理面：在解理断裂中具有低指数，表面能低的晶体学平面

16.静力韧度：材料茬静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度

与塑性的综合指标是表示静载下材料强度与塑性的最佳配匼。

二、说明下列力学性能指标的意义

答：E 弹性模量；G 切变模量；r σ规定残余伸长应力；2.0σ屈服强度；gt δ金属材料拉伸时最

大应力下的總伸长率；n 应变硬化指数 【P15】

三、金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标

答：主要决定於原子本性和晶格类型。合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组

织形态和晶粒大小但是不改变金属原子的本性和晶格类型。组织虽然改变了原子的本性和

晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感【P4】

四、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险【P21】

答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂

过程在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发

生塑性变形没有明显征兆，因而危害性很大

五、 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同【P23】

答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性斷裂而解理

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