船機(jī)零件的疲勞破壞剖析

1、第四章船機(jī)零件的疲勞破壞(FatigueFracture)很多柴油機(jī)零件（如曲軸、活塞、缸蓋、齒輪、連桿螺栓等）承受交變載荷的作用，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)發(fā)生斷裂，在這些斷裂中，疲勞斷裂占8090%。§4-1金屬疲勞的概念1疲勞斷裂的概述1.1定義零件或材料在交變載荷的長(zhǎng)時(shí)間作用下，會(huì)在應(yīng)力小于仃？（甚至小于可）的情況下產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。說明：（1）應(yīng)力：機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力（交變）。交變應(yīng)力：平均應(yīng)力：=1/2二max二min應(yīng)力幅值：=1/2二maxmin應(yīng)力循環(huán)特征：也；當(dāng)¥=1時(shí)，為對(duì)稱循環(huán)。二max（2）破壞：裂紋和斷裂。（3）特征：零件發(fā)生疲勞斷

2、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(zhǎng)時(shí)間的使用；（2）斷裂應(yīng)力小于材料的抗拉強(qiáng)度（7b,甚至小于屈服強(qiáng)度口;（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。1.2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)：仃小，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大（1C5）,最常見（曲軸、彈簧等的斷裂）。低周疲勞破壞特點(diǎn)：應(yīng)力大（H）,低頻加載，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)1041052）根據(jù)工作環(huán)境等分類：熱疲勞：由于零件受溫度的變化引起熱應(yīng)力的反復(fù)作用造成的疲勞破壞。如缸蓋疲勞裂紋腐蝕疲勞：由于交變應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)

3、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。1.3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：疲勞極限、超載抗力、疲勞缺口敏感度等。1）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。材料的疲勞極限是由試驗(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"107時(shí)不斷的最大應(yīng)力作為疲勞極限。2）過載抗力

4、：是衡量過載對(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。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，降低材料的疲勞極限，導(dǎo)致零件的疲勞破壞。這是由于過載引發(fā)了材料內(nèi)部的微裂紋擴(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。由圖可以看出，材料的過載損害區(qū)越狹窄，或過載持久線ed越陡直，則過載抗力越高。過載持久值ed表示在超過疲勞極限的應(yīng)力下直到斷裂所能經(jīng)受的最大應(yīng)力循環(huán)周數(shù)。由于零件短時(shí)間過載不可避免，所以零件選材時(shí)直選用過載損害區(qū)狹窄而又較陡直的材料。3）疲勞缺口敏感度：零件表面開有鍵槽、油孔、螺紋等各種缺口時(shí)，就會(huì)在缺口的根部產(chǎn)生應(yīng)

5、力集中，使材料的疲勞強(qiáng)度降低。q=（Kf-1）/（Kt-1）式中：K靜力理論應(yīng)力集中系數(shù)，KMbma/b；Kf疲勞應(yīng)力集中系數(shù)，Kf=（T1/（T1HKt是試件缺口根部處的最大應(yīng)力ma與光滑試件橫截面上均勻應(yīng)力6之比，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)。K值可從機(jī)械工程手冊(cè)中查得。Kf是光滑試件的疲勞極限61與缺口疲勞極限（71H之比，其與缺口的形狀、尺寸和材料性能有關(guān)。在中等強(qiáng)度范圍內(nèi)，材料強(qiáng)度越高，K值越大。一般K&K。當(dāng)K=K時(shí)，q=1,表示此時(shí)疲勞應(yīng)力集中最嚴(yán)重，缺口最敏感；當(dāng)K=1時(shí)，（71=b犯則q=0,表明零件雖有缺口但不影響材料的疲勞極限-1,缺口

6、最不敏感。材料的缺口敏感度q在。1之間。q值越小，缺口越不敏感。鑄鐵對(duì)缺口極不敏感，q<0.1;一般結(jié)構(gòu)鋼對(duì)缺口較為敏感，q=0.550.80。2疲勞斷裂的機(jī)理2.1疲勞斷裂的斷口特征零件或構(gòu)件疲勞斷裂后，其斷口形貌呈現(xiàn)了從裂紋產(chǎn)生到裂紋擴(kuò)展，直至斷裂的全過程?？梢愿鶕?jù)斷口形貌特征來分析零件的斷裂原因。圖a）、b）分別示出彎曲疲勞斷裂和扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的宏觀形貌，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以找到一個(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，一般占有較大面積。光滑狀是兩個(gè)斷裂表面長(zhǎng)時(shí)間互相研磨所致；貝紋

7、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)力的反復(fù)作用T產(chǎn)生微觀疲勞裂紋T裂紋擴(kuò)展（時(shí)而擴(kuò)展，時(shí)而停止）T承載面積減少T最后斷裂。因此，疲勞斷裂的過程包含三個(gè)過程：疲勞裂紋的形成、裂紋的擴(kuò)展和斷裂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45o角）的方向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，深度較淺（0.1mm,擴(kuò)展

8、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。3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(zhǎng)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12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。以上兩部分由于受長(zhǎng)時(shí)間的研磨，

9、呈磨光狀態(tài)。若疲勞源區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面粗糙、疲勞源數(shù)較多和貝紋線問距較大時(shí)，可能是應(yīng)力集中較嚴(yán)重和有較大的過載作用。（3）最后斷裂區(qū)：晶粒粗大。最后斷裂區(qū)所占面積越大，甚至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，小于斷口面積之平時(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)零件的最后斷裂區(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)，而雙向彎曲有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。4影響疲勞強(qiáng)度的因素零件材料

10、疲勞強(qiáng)度的大小受諸多因素的影響，外部因素主要是零件的形狀、尺寸、表面粗糙度和使用條件等；內(nèi)部因素主要是材料的成分、組織、夾雜物和表面應(yīng)力狀態(tài)等。而疲勞強(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)系到零件的使用壽命。4.1 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，降低越厲害。4.2 表面狀態(tài)和尺寸因素零件加工表面狀態(tài)主要是指表面粗糙度、表面成分和性能的變化、表面殘余應(yīng)力等。表面粗糙度越低，表面越粗糙，疲勞極限越低。例如，鋼、鋁合金粗車后的疲勞極限比拋光低10%20%。表面強(qiáng)化處理使零件表面化學(xué)成分和組織發(fā)

11、生變化，從而使表面的機(jī)械性能變化。例如，經(jīng)滲碳或氮化處理的光滑鋼試樣的彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞極限提高15%100%;缺口試樣經(jīng)滲碳或氮化處理后疲勞極限提高更大，甚至達(dá)230%300%,柴油機(jī)曲軸常采用此種強(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，有效地提高疲勞極限。滾壓、噴丸等工藝廣泛用來提高零件的疲勞極限。試驗(yàn)表明，材料的疲勞極限隨試樣尺寸增大而降低，材料強(qiáng)度越高疲勞極限下降越快。這種現(xiàn)象稱為疲勞強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。尺寸效應(yīng)是由于：疲勞破壞源于零件表面，零件尺寸增加，表面積增加，相應(yīng)增大表面疲勞破壞的概率；試驗(yàn)時(shí)，在試樣表面拉應(yīng)力相等情況下，尺寸大的試樣，自表層至中心的

12、應(yīng)力梯度小，處于高應(yīng)力區(qū)的表層體積大及相應(yīng)的內(nèi)部缺陷多，也增加了疲勞破壞的概率。4.3 使用條件：過載情況（過載將造成過載損傷，降低材料的疲勞極限。）、使用溫度（使用溫度升高，材料的疲勞極限降低，溫度降低則使疲勞極限增加。）、環(huán)境介質(zhì)等（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。）。4.4 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。熱處理對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響較材料成分對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大得多。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。540049375.doc§

13、4-2柴油機(jī)氣缸蓋的疲勞破壞1局溫疲勞和熱疲勞1.1 高溫疲勞零件在高于材料的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)的葉輪和葉片、柴油機(jī)的排氣閥等處于這種工作狀態(tài)。在高溫下，材料的持久強(qiáng)度、蠕變極限、疲勞極限均下降。高于常溫，低于0.5Tm的疲勞稱為中溫疲勞，高溫疲勞具有以下特點(diǎn)：1）高溫疲勞的疲勞曲線中不出現(xiàn)水平部分，疲勞極限隨著交變應(yīng)力作用的循環(huán)周次增加不斷降低。因此，高溫下材料的疲勞極限用規(guī)定循環(huán)周次下的疲勞極限表示，一般取5X107或108次。2）高溫疲勞總伴隨發(fā)生蠕變，并且溫度越高蠕變所占比例越大，疲勞和蠕變

14、交互作用也越強(qiáng)烈。不同材料顯著發(fā)生蠕變的溫度不同，一般當(dāng)材料溫度高于0.3Tm（用絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn)）時(shí)蠕變顯著發(fā)生。例如碳鋼溫度超過300c350C,合金鋼溫度超過350c400c時(shí)發(fā)生蠕變，引起材料的疲勞極限急劇降低。3）高溫下疲勞極限與蠕變極限、持久極限的關(guān)系對(duì)高溫工作的零件具有重要的意義。實(shí)驗(yàn)表明，在較低溫度時(shí)材料的蠕變極限、持久強(qiáng)度比疲勞極限高。而在高溫時(shí)材料的蠕變極限、持久強(qiáng)度和疲勞極限均下降。但前兩者的下降速度遠(yuǎn)高于后者，如圖4-7所示。材料的蠕變極限隨溫度變化曲線1與疲勞極限隨溫度變化曲線2相交于一點(diǎn)。當(dāng)溫度低于此點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度時(shí)，材料以疲勞破壞為主，高于此溫度時(shí)以蠕變破壞為主。1

15、.2 熱疲勞1）熱應(yīng)力柴油機(jī)工作時(shí)，缸蓋外表或冷面溫度：6080C,而觸火面的高溫區(qū)的溫度為400480C0由觸火面?zhèn)鱽淼臒崃勘焕鋮s水帶走，冷卻水溫度為70c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350c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)，觸火面產(chǎn)生了拉應(yīng)力。缸蓋在“加熱一冷卻”的多次循環(huán)后，交變的熱應(yīng)力就會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。因此，缸蓋疲勞裂紋產(chǎn)生的主要原因是熱負(fù)荷過高。根據(jù)熱應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系分為定

16、常熱應(yīng)力和不定常熱應(yīng)力。定常熱應(yīng)力是指不隨時(shí)間變化的熱應(yīng)力。柴油機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室組成零件上的溫度可視為不變，處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。柴油機(jī)由冷態(tài)變?yōu)闊岱€(wěn)定狀態(tài)后在燃燒室零件上產(chǎn)生的熱應(yīng)力為定常熱應(yīng)力、不定常熱應(yīng)力是指隨時(shí)間變化的熱應(yīng)力。根據(jù)熱應(yīng)力變化的頻率分為高頻熱應(yīng)力與低頻熱應(yīng)力。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室組成零件的觸火壁面溫度實(shí)際上是周期變化的，變化周期與柴油機(jī)工作循環(huán)的變化周期相同，頻率高且壁面受熱深度淺。所以，在壁面受熱不深的情況下，周期變化的燃?xì)飧邷刈饔靡鸬臒釕?yīng)力是高頻熱應(yīng)力。零件觸火壁面的高頻熱應(yīng)力最大，隨著深度而減小。柴油機(jī)在起動(dòng)、停車或變工況運(yùn)行時(shí)，燃燒室組成零件的溫度也隨時(shí)間發(fā)生

17、動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生不定常熱應(yīng)力。此種不定常熱應(yīng)力變化周期與柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中起動(dòng)、停車或工況變化的周期相同，頻率較低，屬于低頻熱應(yīng)力。低頻熱應(yīng)力的大小與負(fù)荷變化的速度有關(guān)。負(fù)荷突變將會(huì)引起過大的低頻熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件熱疲勞破壞。2）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。循環(huán)熱應(yīng)力是零件受到循環(huán)變化的溫度作用引起的。因此，產(chǎn)生熱疲勞必滿足兩個(gè)條件：溫度循環(huán)變化；零件熱變形受到約束。熱疲勞是由于熱循環(huán)溫差A(yù)T引起。零件材料膨脹變形a-AT（a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b=-E-a廠當(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

18、較少的循環(huán)次數(shù)就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。所以，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。在熱疲勞過程中由于高溫引起材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化，降低了材料的熱疲勞抗力；高溫促使表面和裂紋尖端氧化，甚至局部熔化，加速熱疲勞破壞；零件截面上存在溫度梯度，特別是厚壁零件溫度梯度更大，在溫度梯度最大處造成塑性應(yīng)變集中，促進(jìn)熱疲勞破壞的發(fā)生。熱疲勞裂紋是在受熱表面熱應(yīng)變最大區(qū)域形成，一般有幾個(gè)疲勞裂紋源，裂紋沿垂直受熱表面方向擴(kuò)展，并向表面內(nèi)縱深方向發(fā)展。所以，零件熱疲勞破壞是以受熱表面上產(chǎn)生特有的龜裂裂紋為特征。熱疲勞裂紋與循環(huán)溫差、零件表面缺口狀態(tài)和材料有關(guān)。循環(huán)溫差越

19、大、表面缺口越尖銳，就越容易發(fā)生熱疲勞。金屬材料對(duì)熱疲勞的抗力不但與材料的導(dǎo)熱性、比熱等熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且與彈性模量E、屈服極限等力學(xué)性能有關(guān)。所以導(dǎo)熱性差的脆性材料，如灰口鑄鐵容易發(fā)生熱疲勞破壞，提高材料熱疲勞的途徑主要有：1）盡可能地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)。2氣缸蓋的疲勞破壞2.1 底面（觸火面）裂紋：主要是熱負(fù)荷過高引起,安裝（緊固過度、用力不均等）或使用（冷卻水中斷、暖機(jī)不夠、水溫過低）不正確。氣缸蓋底面即觸火面承受著高溫高壓燃?xì)獾闹芷谥貜?fù)作用。高溫下高壓燃?xì)庾饔檬沟酌姘l(fā)生彎曲變形產(chǎn)生機(jī)械壓應(yīng)力，并

20、隨柴油機(jī)工作循環(huán)周期重復(fù)變化。一般情況下，氣缸蓋底面溫度達(dá)400C500C,有時(shí)可能超過0.5Tm（灰鑄鐵的熔點(diǎn)）。當(dāng)氣缶!蓋冷卻不良時(shí)就會(huì)超過0.5Tm,從而引起高溫疲勞破壞。當(dāng)?shù)酌鏈囟瘸^0.3Tm時(shí)，底面產(chǎn)生顯著蠕變，從而使底面壓應(yīng)力大大降低。氣缸蓋底面和冷卻面的溫差可達(dá)300c400C,在底面和冷卻面分別產(chǎn)生壓、拉熱應(yīng)力，在柴油機(jī)停車或負(fù)荷突降時(shí)會(huì)使氣缸蓋底面壓應(yīng)力進(jìn)一步降低、消失，甚至產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。另外，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中零件長(zhǎng)期受到高溫作用，使材料的疲勞極限下降，所以低頻熱應(yīng)力超過時(shí)就會(huì)在氣缸蓋底面產(chǎn)生疲勞裂紋。因此，當(dāng)氣缸蓋底面產(chǎn)生裂紋時(shí)不能簡(jiǎn)單地視為熱疲勞裂紋，因?yàn)榈酌媪鸭y可能

21、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。但是當(dāng)發(fā)現(xiàn)龜裂裂紋時(shí)，則可斷定為熱疲勞裂紋。2.2 冷面（冷卻水側(cè)）裂紋氣缸蓋冷卻側(cè)分布著環(huán)形或其它形狀的冷卻水通道，在通道筋的根部產(chǎn)生機(jī)械疲勞裂紋，并向觸火面擴(kuò)展。裂紋是氣缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力引起的周期性脈動(dòng)應(yīng)力作用的結(jié)果。氣缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力作用在缸蓋底面上使其發(fā)生彎曲變形，在冷卻面上產(chǎn)生最大拉應(yīng)力。當(dāng)冷卻水通道筋的根部過渡圓角過小或者存在鑄造缺陷時(shí)，在這些應(yīng)力集中的部位就會(huì)產(chǎn)生裂紋或使鑄造缺陷裂紋擴(kuò)展，以致在周期脈動(dòng)應(yīng)力作用下裂紋自冷卻面向觸火面逐漸擴(kuò)展。最終使缸蓋裂穿。運(yùn)行時(shí)，底面受壓，而冷面受拉，缸蓋底面薄，在爆壓

22、的周期性脈動(dòng)作用下,冷面疲勞。冷卻水道的環(huán)形筋根部產(chǎn)生機(jī)械疲勞裂紋，并向觸火面擴(kuò)展。零件在腐蝕介質(zhì)和交變載荷共同作用下產(chǎn)生腐蝕疲勞破壞。由于腐蝕與疲勞加速零件上的裂紋形成與擴(kuò)展，所以是更嚴(yán)重的破壞。氣缸蓋冷卻面在冷卻水中不可避免地產(chǎn)生微觀電化學(xué)腐蝕；冷卻面局部區(qū)域的冷卻水還可能處于沸騰狀態(tài)，使冷卻水中可溶性鹽類的酸根離子C、SGf一等與冷卻面金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕；當(dāng)冷卻水中溶解一定量氧時(shí)，冷卻面金屬被氧化，水溫越高氧化腐蝕越嚴(yán)重。在以上腐蝕條件下零件材料的疲勞強(qiáng)度顯著下降，在氣缸中燃?xì)獾难h(huán)交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生腐蝕疲勞破壞。2.3 外表面裂紋在四沖程柴油機(jī)中常見。氣缸蓋乃至燃燒室其它組成零件能否產(chǎn)

23、生疲勞裂紋均與輪機(jī)員的管理工作密切相關(guān)。為了避免產(chǎn)生熱疲勞裂紋就不能產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，也就要求氣缸蓋等零件不能熱態(tài)時(shí)急冷和冷態(tài)下急劇加熱或使其過熱。例如，柴油機(jī)起動(dòng)前不暖機(jī)或暖機(jī)不充分，起動(dòng)后又立即增速增負(fù)荷；停車時(shí)過早中斷冷卻水循環(huán)，使機(jī)件散熱不良或局部過熱；長(zhǎng)期超負(fù)荷；氣缸蓋冷卻水腔結(jié)垢嚴(yán)重等。§4-3曲軸(Crankshaft)的疲勞破壞曲軸在回轉(zhuǎn)中受到各缸交變的氣體力、往復(fù)慣性力和離心力以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。屬于高周低應(yīng)力疲勞破壞。i曲軸疲勞裂紋的種類1.1 彎曲疲勞裂紋(BendingFatigueCrack)一般發(fā)生在曲軸長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后，由于主軸承(mainbearings)的不均勻磨損，造成曲軸軸線不正。使附加彎曲應(yīng)力加大。斷裂部位一般為：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：必須控制主軸承的不均勻磨損，確保軸線的平直。1.2 扭轉(zhuǎn)