第三章第四章 船机零件的腐蚀 船机零件的疲劳破坏.docx

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第三章第四章船机零件的腐蚀船机零件的疲劳破坏

第三章船机零件的腐蚀

腐蚀是故障模式的一种：

指金属同周围介质发生化学或电化学或物理溶解而产生变质和破坏的现象。

每年有相当总产量10%的钢铁被腐蚀

一．金属被腐蚀放出能量并形成稳定的化合物；此过程是自发过程，是冶金的逆过程，新放出的能量是腐蚀的动力。

二．分类

1.依过程分：

化学腐蚀、电化学腐蚀

2.依表面特征分：

1）全面腐蚀—发生在整个表面的不均匀腐蚀

2）局部腐蚀——表面局部才发生腐蚀，多，且危害大，易发生破坏

第一节化学腐蚀

一．化学腐蚀

1.定义：

金属与周围介质（非电解质）直接发生化学作用引起的破坏

2.特点：

腐蚀过程不产生电流。

3.分类：

1）气体腐蚀：

金属在干燥气体或高温气体中的腐蚀。

例——铁：

①在560℃以下腐蚀生成三氧化二铁或四氧化三铁结构致密，不易在被腐蚀。

②在560℃以上腐蚀生成氧化铁。

结构稀疏易脱落，继续被腐蚀。

③实际上铁的高温氧化不是单纯的化学腐蚀。

2）有机介质腐蚀：

有机介质——不导电的介质，实质上有机介质均含有水份等杂质，使有机介质腐蚀中包含有电化学腐蚀。

二．柴油机零件的化学腐蚀

燃烧室零件高温腐蚀（钒、钠腐蚀）

1）机理：

重油含有钒、钠物质——燃烧生成钒、钠化合物——五氧化二钒（V2O5）、氧化钠（Na2O）一定的比例下熔点低，高温融化后呈液态附予零件表面腐蚀零件，脱落后零件表面形成麻点或凹坑。

五氧化二钒和氧化钠的比例达到3：

1时熔点最低600-400℃

五氧化二钒和氧化钠的比例达到1：

1时熔点最高

2）发生条件

①使用重油

②零件高温550℃以上

③一定的灰分，即燃烧后的成分（五氧化二钒和氧化钠的比值）

三．防止化学腐蚀的措施

1.零件表面覆盖保护膜

2.避免高温

3.选用耐腐蚀材料制造零件

第二节电化学腐蚀

一．电化学腐蚀

1.定义：

金属与电解质（能导电的物质）发生电化学作用。

2.特点：

腐蚀过程产生电流；是最普通的、常见的腐蚀。

3.原理：

电池作用原理

（负极）阳极发生氧化反应，金属失去电子被腐蚀溶解。

（正极）阴极发生还原反应，得到电子，放出氧气

4.分类：

依电极的大小分

1）宏观腐蚀电池：

电极肉眼可见

1异金属接触电池：

电位不同的两种金属或合金（可导电）互相接触或用导线接触，并处于同——电解质中，电位低（活泼）的金属被腐蚀。

如铁、铜电池，铁被腐蚀

2浓差电池

同一金属处于不同浓度的介质中，浓度低的一侧电位极腐蚀较重

如：

铁棒埋入土中，深埋（浓度低）一端腐蚀严重，

3温差电池腐蚀：

处于电解质的同一金属，温度高的一端腐蚀严重

2）微观电池：

处于电解质的金属，由于表面微观的电化学不均匀性，各部位电位高低不同而构成无数的微小电池，从而被腐蚀。

①化学成分不均：

金属内部含有杂质。

②金属组织不均：

不同的金相组织和晶体缺陷具有不同的电极电位。

③物理性质或状态的不均匀性：

材料各部位受力和变形引起。

④金属表面膜不完整：

破裂或有孔的部位电极电位低。

二.船上常见的电化学腐蚀

名称

机理

发生部位

电偶腐蚀

不同金属互相接触

螺旋桨与轴、泵的叶轮与轴

氧浓差腐蚀

金属置于含氧浓度不同的介质中氧浓度低部位腐蚀快。

零件连接面、缸套与缸体下部密封隙缝处

选择性腐蚀

由微观电池引起

黄铜的脱锌、铸铁钢套外圆表面在冷却水中被腐蚀

应力腐蚀

加工引起微观电化学腐蚀

黄铜的季裂

海水腐蚀

有宏观电池又有微观电池

与海水接触的零件船体钢板，舵、桨、甲板机械、各种海水冷却器等。

三.防止电化学腐蚀的措施

1.基本原则：

破坏产生电化腐蚀的条件之一。

2.方法：

1）合理选材：

选用耐腐蚀或电位相近的材料。

2）阴极保护：

使零件变为阴极

①与直流电源负极连接

②牺牲阳极法：

与电位更低的金属连接，如加锌块

3）阳极保护：

与直流电流正极连接，使零件电位向正极变化，产生阳极钝化，降低腐蚀（适用于小零件或局部的保护）

4）介质处理：

除去介质中促进腐蚀的成分，如：

锅炉给水除氧，冷却水加入铬酸盐，亚硝酸盐，形成钝化膜；冷却水加乳化防锈油等方法。

5）覆盖保护膜：

表面盖一层金属或非金属保护膜

如：

电镀、电刷镀、喷涂、磷化等

6）加强维护管理

①冷却水处理

②选用低硫燃油和匹配的汽缸油

③加强润滑（使用中）的定期检验

④机件碱洗后，用清水冲洗并涂油保护。

第二节穴蚀

定义：

水动力机械或机件与液体相对高速运动时在机件表面发生的一种破坏

特征：

表面集聚小孔群，呈峰窝状或分散状的孔穴

一．缸套的穴蚀

1.部位：

缸套外圆表面，左右方向

2.机理：

1）一般穴蚀机理：

形成气泡，破裂后冲击表面

2）缸套穴蚀机理：

侧推力使缸套产生高频振动，造成水与表面接触处压力时高时低，而导致穴蚀

3.影响缸套穴蚀的因素

1）振动：

是产生穴蚀的根本原因

（1）活塞与缸套间隙越大，振动越强

（2）缸套的刚度大，变形小，穴蚀弱

（3）水腔窄，流速大，穴蚀强

2）水温与水压：

50—60度时穴蚀强；水压大时可抑制穴蚀

4.防止缸套穴蚀的措施

1）缸套外圆表面覆盖保护或强化层

2）冷却水腔加锌块：

电化学腐蚀会使表面结合力下降，从而加快穴蚀的速度

3）加入缓蚀剂

二.燃油系统的穴蚀

1.波动穴蚀：

因油压变化引起，发生在高压油管上

2.流动穴蚀：

因节流引起，发生在高压油泵柱塞螺旋槽和喷油器针阀截面变化处

三.轴瓦和螺旋桨的穴蚀

1.轴瓦：

发生在铜铅合金薄壁瓦的油槽和油孔周围

防止措施：

瓦的选材；油槽、孔的位置；保证滑油的品质

2.螺旋桨：

发生在桨叶叶背边缘处

防护措施：

桨叶涂环氧树脂；改进桨叶形状；降低转速等

第四章船机零件的疲劳破坏

一.定义:

零件长时间在交变载荷作用下产生的破坏称为疲劳破坏，是故障模式的一种

交变载荷：

大小和方向不断的变化的载荷

交变应力：

交变载荷作用下产生的应力称为交变应力。

应变：

因应力作用下材料性质结构发生的改变

二.疲劳断裂的特征:

1.零件在交变载荷常时间作用下

2.工作应力小于材料的强度极限，甚至小于屈服强度；

3.零件的几何形状、尺寸、表面质量和表面受力状态直接影响零件的疲劳断裂；

4.断口形貌特殊：

分三个区（每个区对应一个过程）

5.断裂是突然的,无任何先兆

第一节疲劳破坏

一.疲劳破坏的种类

分类方法

种类

特征

事例

按零件承受压力大小和循环周数分

高周疲劳

应力低、高寿高、周数高106-107

曲轴、弹簧、等的断裂，

低周疲劳

应力高寿命低周数低104-105

高压容器、高压管路等

按工作环境和接触情况分

热疲劳

零件受热，由热应力造成的破坏，

燃烧器零件的破坏

腐蚀疲劳

在腐蚀介质中，由交变载荷造成的疲劳

缸盖冷却面裂纹

按应力状态分

弯曲疲劳

扭转疲劳

二.疲劳破坏的机理

1.疲劳断裂的断口特征:

分为三个区域

1）.疲劳源：

疲劳裂纹的开始点，位于零件表面，一般有1-2个

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

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。

脆性材料呈结晶状；塑性材料呈纤维状。

2.疲劳断裂的过程

1）.疲劳裂纹的形成

形成部位：

应力最大、薄弱环节。

在截面突变、有切槽的地方、加工缺陷处等有较大应力集中。

2）.疲劳裂纹的扩展：

σ

σ

第一阶段：

切向扩展阶段。

沿最大切应力（与正应力成45o角）的方向金属内部扩展，深度较浅，扩展速度很小。

第二阶段：

裂纹改变方向，沿与正应力垂直方向扩展，正应力对裂纹的扩展起重要作用。

3）.疲劳断裂

最后断裂区的面积与所受载荷有关。

面积大，说明过载越重,当其面积小于断口面积的一半时，说明零件无过载或过载很小。

3.影响疲劳强度的因素

1）.应力集中：

由于零件表面截面变化或存在缺陷而引起应力集中；是导致零件疲劳的首要因素。

2）.表面状态和尺寸因素

（1）表面粗糙度越低，表面越粗糙，疲劳极限越低

（2）.材料的疲劳极限随试样尺寸增大而降低，材料强度越高疲劳极限下降越快。

这种现象称为疲劳强度的尺寸效应。

（3）.使用条件：

过载情况（过载将造成过载损伤，降低材料的疲劳极限。

）、使用温度（使用温度升高，材料的疲劳极限降低）、环境介质等（零件在腐蚀介质中工作时的零件表面被腐蚀形成缺口，产生应力集中而使零件材料的疲劳极限下降。

）。

三.高温疲劳和热疲劳

1.高温疲劳：

零件在高于0.5Tm（熔点）或再结晶温度下受到交变应力的作用下引起的疲劳破坏。

如：

该轮机叶片，排气阀等。

蠕变：

高温下零件晶体结构重组，一般情况下，温度大于0.3Tm时，蠕变显著发生。

2.热疲劳

1）热应力：

由温差引起的应力，温差大热应力大，同一零件不同部位承受不同温度，引起变形不同，从而产生应力。

定常热应力：

不随时间变化的热应力。

如：

柴油稳定运转时，零件受到的热应力视为定常。

不定常应力：

随时间改变的热应力。

高频热应力：

频率高，柴油机运转时零件受到的热力可视为高频应力。

低频热应力：

频率低，启动、停车或变工况时受到的应力视为低频应力。

2）.热疲劳：

（同机械疲劳区分开）

①在循环热应力作用下产生的疲劳破坏。

②特点：

表面上有龟裂裂纹。

③温度越大或表面缺口越尖锐，疲劳越易发生，导热性差的材料易发生疲劳破坏，如灰口铸铁。

3）.提高材料热疲劳抗力的途径

①减少应力集中。

②提高材料的高温强度。

③提高材料的塑性。

④降低热膨胀系数。

第二节汽缸盖和曲轴的疲劳破坏

一.汽缸盖的疲劳破坏

1.底面裂纹

①高温裂纹：

接触高温引起高温疲劳。

②蠕变裂纹：

接触温度大于0.3Tm发生显著蠕变。

③热疲劳：

温差使触火面受压应力，冷却而受拉应力，停车或减负荷后，应力降低或消失，形成交变应力，从而导致热疲劳破坏。

2.冷却面裂纹

①原因：

由腐蚀介质和最高爆压产生的交变机械载荷共同作用下的疲劳破坏。

②发生部位：

冷却面通道筋的根部，并向触火面发展。

3.减少疲劳破坏的措施

①充分暖缸，减少起动后突加油门，以防零件过热。

②加强冷却水管理，减少水腔结垢。

二.曲轴的疲劳破坏

曲轴形状复杂、受力复杂、应力集中，容易产生疲劳破坏；曲轴的裂纹、断裂是高周低应力疲劳破坏，主要有三种形式；

分类

原因

断口形状部位

弯曲疲劳裂纹

长时间运转后各主轴承磨损不均，使曲轴产生变形。

由交变应力引起。

主轴颈或柄臂横断裂纹，与轴线呈90度夹角，发生再在曲轴的中部或两端。

扭转批疲劳裂纹

运转初期，在临界转速内工作，交变扭转应力引起。

应力集中的油孔或过液圆处曲轴扭震点附近，断面与轴线呈45度夹角。

弯曲—扭转疲劳裂纹

弯曲应力与扭转应力共同作用下。

断面与轴线呈45度夹角。

总结：

弯曲疲劳因应力集中、系数大且应力难于计算，其疲劳破坏远大于疲劳破坏。

三.防止和减少疲劳破坏的措施。

1.原则：

减少零件的应力集中和附加应力。

2.方法：

1）.设计方面：

合理设计———截面不可突然变化，表面光洁，过度圆角半径不可太小。

2）.制造方面：

提高毛坯质量，加工时表面光滑以防应力集中，使表面在常温下具有残余压应力，采用渗碳氧，喷丸，滚压来强化表面强度。

3）.管理方面：

（1）.定期检查臂距差，主轴承的磨损量

（2）.加强滑油的管理

（3）.避免在临界转速下长时间转行，保证减振器正常工作。

（4）.加强减振器的管理,确保其正常工作