船机零件的疲劳破坏.docx

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船机零件的疲劳破坏

第四章船机零件的疲劳破坏

船上常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。

船机零件，尤其是主柴油机和轴系零件的裂纹和断裂阻碍极大，不仅直接危及船舶平安航行，乃至会当即酿成严峻事故，造成生命、财产的重大损失。

船机零件的裂纹和断裂是由于零件长时刻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峻的失效形式，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，而且还应具有分析零件产生疲劳破坏的缘故和避免或减少此种破坏方法的知识。

第一节疲劳破坏

零件材料长时刻在交变载荷作用下产生裂纹和断裂的现象称为疲劳破坏。

大小和方向随时刻发生周期性转变的载荷称为交变载荷，所引发的应力称为交变应力。

零件长期在交变的机械应力或热应力下工作，即便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通过较长时刻的使用；

（2）断裂应力小干材料的抗拉强度σb，乃至小于屈服强度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阻碍零件的疲劳断裂。

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，一样超过106～107，为最多见的一种疲劳破坏，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104～105。

例如，压力容器、高压管道、飞机起落架、核反映堆外壳等的裂纹和断裂。

利用中应力很高，乃至超过材料的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形分类：

分为大气疲劳、侵蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和激冷疲劳等。

热疲劳由于零件受热温度转变引发烧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。

侵蚀疲劳零件在侵蚀性介质中受到侵蚀，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、轴向拉压疲劳和复合疲劳等。

二、疲劳破坏的机理

1．疲劳断裂的断口特点

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，直至断裂的全进程。

能够依照断口形貌特点来分析零件的断裂缘故。

别离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能够找到一个或多个疲劳裂纹的开始点，称为疲劳源。

疲劳源一样出此刻零件表面或近表面处。

（2）裂纹扩展区呈滑腻状或贝纹状，一样占有较大面积。

滑腻状是两个断裂表面长时刻相互研磨所致；贝纹是负荷转变时裂纹前沿线扩展遗留下的痕迹。

贝纹从疲劳源开始后向周围扩展并与裂纹扩展方向垂直。

（3）最后断裂区域或称脆断区，零件刹时突然断裂，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．疲劳断裂的进程

零件的疲劳断裂是在较长时刻内慢慢形成的破坏。

零件在交变载荷作用下第一在表面缺点处产生微裂纹，随后裂纹时而扩展，时而停滞，以致最终断裂。

这一断裂进程从疲劳断裂的断口特点的三个区域取得证明。

1）疲劳裂纹的形成

疲劳裂纹的裂纹源位于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，即材料内部有严峻的冶金缺点或组织缺点处。

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；零件近表面材料内部由于冶炼和冷、热加工的缺点、晶体滑移和晶界缺点等在交变应力作用下产生的微型纹。

2）疲劳裂纹的扩展

零件表面或近表面处一旦显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时期，如所示。

第一在已形成的微裂纹处，即疲劳源处裂纹沿最大切应力方向（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时期。

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，即裂纹扩展的第二时期。

现在正应力对裂纹的扩展有着重要作用，使裂纹向零件内部扩展的深度和速度远远超过第一时期。

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，以致在两个断面上形成“贝纹状”。

裂纹源周围裂纹扩展较慢，两个断裂面长时刻彼此摩擦与研磨，使断面滑腻并有稀疏的贝纹；较远处的裂纹扩展较快，两个断裂面彼此研磨时刻短，使断裂面粗糙，贝纹细密。

3）疲劳断裂

疲劳裂纹扩展到必然深度后，零件实际承载面积减小，当剩余面积经受不了载荷作历时发生突然断裂，断面上显现最后断裂区。

疲劳断口上的三个区域的状况与零件工作时的载荷、应力状态、零件材料性能及加工情形等有关。

图4-3为各类交变载荷作用下轴类零件疲劳断裂的断口形貌示用意。

依照断口形貌能够定性分析零件所受载荷、材料性能和寿命等，有助于分析零件疲劳断裂产生的缘故。

从图中可见：

（1）疲劳源大多散布于零件表面，一样有1～2个。

（2）疲劳裂纹扩展呈贝纹状时，贝纹细密、间距小，表示材料抗疲劳性能好，疲劳强度高。

贝纹稀疏、间距大，表示材料疲劳强度低。

（3）最后断裂区所占面积专门大，乃至超过断面的一半以上，说明零件严峻过载；假设所占面积较小或小于断面一半时，说明零件无过载或过载很小。

在相同条件下，高应力状态零件的最后断裂区的面积大于低应力状态零件的最后断裂区的面积；经受单向弯曲的零件仅有l个疲劳源，经受双向弯曲的零件有2个疲劳源；经受单向弯曲的零件与经受扭转弯曲的零件的最后断裂区的形状不同，后者的疲劳源与最后断裂区的相对位置发生偏转，并由于零件上缺口应力集中的阻碍较大，使最后断裂面积很小且与零件断面呈同心状。

3．阻碍零件疲劳强度的因素

零件材料在交变载荷作用下所能经受的最大交变应力与断裂前应力循环周数之间的关系如所示。

由бmax一lgN坐标中的疲劳曲线可知，材料经受的最大交变应力бmax，越大，循环周数N就越少，即寿命越短；反之，N越多，寿命越长。

当бmax低于某一值时，循环无穷次零件材料也可不能发生疲劳断裂。

因此，材料的疲劳强度或称疲劳极限是材料经受无穷次循环应力的作用而不破坏的最大应力，用符号бr表示。

注脚r为循环特点，对称循环的r=l，因此对称循环应力下的疲劳强度用б-1，表示。

零件材料的疲劳强度除与材料本身的成份、组织和表面应力状态等有关外，还与零件的形状、尺寸、表面粗糙度和利用条件等有关。

1）应力集中

由于零件表面上的台阶、键槽、油孔或螺纹等截面转变处及零件材料内部的缺点均会引发应力集中，当应力最大值超过材料的许用应力时就会形成疲劳源，致使疲劳破坏，因此，应力集中是引发疲劳破坏的首要因素。

实验说明，零件表面上缺口引发的应力集中使其疲劳强度降越低，缺口越尖锐，降低得越厉害。

2）表面状态和尺寸因素

表面状态是指零件加工表面的粗糙度、应力状态、成份和性能的转变等。

表面粗糙度越低、表面越粗糙，疲劳强度越低。

相同材料不同加工方式，零件的表面粗糙度不同，其疲劳强度也不一样。

例如，钢、铝合金粗车后的疲劳强度较抛光后的低l0%～20%。

零件表面层处于残余压应力状态可有效地提高疲劳强度。

采纳滚压、喷丸等表面变形强化工艺可提高零件的疲劳强度。

零件疲劳强度还会随尺寸增大而降低，因为尺寸增大，零件表面积增大，表面缺点增多，相应增加疲劳破坏的概率。

3）利用条件

机械运转中，载荷状况、工作温度和环境介质等均对零件的疲劳强度有专门大阻碍。

过载将造成过载损伤使材料的疲劳强度降低。

工作温度升高会使材料的疲劳强度降低，反之会增加。

零件在侵蚀性介质中工作时，零件表面被侵蚀形成缺口，产生应力集中而使材料的疲劳强度降低。

4．疲劳抗力指标

表征零件材料抗疲劳性能的力学参数，要紧有：

疲劳极限、超载抗力、疲劳缺口灵敏度等。

1） 疲劳极限

在交变载荷作用下材料经受的最大交变应力与断裂前周数之间的关系如图4-1所示。

由бmax—lgN坐标中的疲劳曲线可知，材料经受的最大交变应力бmax越大，循环的周数越少，既寿命越短；反之，N越多，寿命越长。

当应力低于某一值时，循环无穷次也可不能发生疲劳断裂，该应力称为材料的疲劳极限。

因此，材料的疲劳极限或称疲劳强度是材料经受无穷次应力循环的作用而不被破坏的最大应力，用符号бr表示。

注脚r为循环特点，对称循环的r=-1，故对称循环应力下的疲劳极限用б-1表示。

材料的疲劳极限是由实验测定。

例如，常温下的碳钢、合金结构和铸铁，在N达到107后曲线显现水平常期。

因此这种材料是以N=107时不断的最大应力作为疲劳极限。

2） 过载抗力

机械在运转进程中，常常会显现短时刻的过载，相应的零件处于短时刻高于其材料的疲劳极限的工作应力状态。

例如，柴油机紧急刹车、起动或超负荷运转等。

为了保证平安运转对偶然短时刻过载应考虑其对材料的疲劳抗力的阻碍。

图4-2材料的过载损害区和损害界

一样来讲，适当过载对材料的疲劳性能没有什么阻碍，因其未能引发材料内部微裂纹的显著扩展。

而不适当过载（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，致使零件的疲劳破坏。

这是由于过载引发了材料内部的微裂纹扩展达到了必然尺寸，在过载后的正常运转中不断扩展致使疲劳断裂。

采纳疲劳过载抗力来衡量过载对零件材料疲劳抗力的阻碍。

过载抗力一样是用通过实验成立的过载损害区和损害界来表示，如图4-2。

图中cde为过载损害区，cd为过载损害界。

当零件在过载负荷бi、循环周数Nb工作，即工作点B进入过载损害区时，过载就会发生过早的疲劳破坏，缩短零件的疲劳寿命。

 由图能够看出，材料的过载损害区越狭小，或过载持久线ed越陡直，那么过载抗力越高。

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。

由于零件短时刻过载不可幸免，因此零件选材时宜选用过载损害区狭小而又陡直的材料。

3）疲劳缺口灵敏度

零件上开有键槽、油孔、台阶、螺纹等各类几何形状的缺口时，在利用中就会在缺口的根部产生应力集中，使材料的疲劳强度降低。

采纳缺口灵敏度来表示疲劳强度降低的程度。

缺口灵敏度q表达式为：

式中：

Kt=静力理论应力集中系数，

；

Kf=疲劳应力集中系数，

。

Kt是试件缺口根部处的最大应力бmax与滑腻试件横截面上均匀应力б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是滑腻试件的疲劳极限б-1与缺口疲劳极限б-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，一样Kf≤Kt。

当Kf=Kt时，q=1，表示现在疲劳应力集中最严峻，缺口最灵敏；当Kf=1时，б-1=б-1H，那么q=0，表示零件虽有缺口但不阻碍材料的疲劳极限б-1，缺口最不灵敏。

材料的缺口灵敏度q在0和1之间。

q值越小，缺口越不灵敏。

铸铁对缺口极不灵敏，q<；一样结构钢对缺口较为灵敏，q=～。

三、高温疲劳和热疲劳

1．高温疲劳

高温疲劳是指零件在高于材料的（用绝对温度表示的熔点）或高于再结晶温度时受到交变应力的作用所引发的疲劳破坏。

生产中有许多机械零件是在高温和交变载荷作用下工作。

如汽轮机、燃气轮机的叶轮和叶片，柴油机的排气阀等，容易产生高温疲劳破坏。

高温疲劳具有以下特点：

（1）高温疲劳的疲劳曲线无水平部份，疲劳强度随循环周次N增加不断降低。

因此，高温下的材料疲劳强度用规定循环周次下的疲劳强度表示，一样取5×107或108次。

（2）高温疲劳总伴随蠕变发生，温度越高蠕变所占比例越大，疲劳和蠕变交互作用也越强烈。

不同材料显著发生蠕变的温度不同，一样当材料温度超过时蠕变显著发生，使材料的疲劳强度急剧降低。

例如，碳钢温度超过300～350℃，合金钢超过350～400℃的发生显著蠕变。

（3）材料的高温疲劳强度与高温强度（蠕变极限和持久极限）的关系如所示。

材料的蠕变极限随温度转变曲线l与疲劳极限随温度转变曲线2相交于一点，说明当材料温度低于此点对应温度时，材料以疲劳破坏为主；高于此点对应温度那么以蠕变破坏为主。

2.热疲劳

1）热应力

零件各部份受热不同，温度不同，产生的变形也不同。

同时，零件材料产生变形的金属与变形小的金属或未产生变形的金属彼此约束和牵制而产生由温差引发的应力，即热应力。

零件内外表面温差、同一截面上中心与边缘的温差均会产生热府力，高温面（或处）产生压应力，低温（或处）产生拉应力。

例如，柴油机气缸盖底面（触火面）温度高达400～500℃，而冷却面温度为60～80℃。

底面金属受热膨胀受冷却面未变形金属约束产生压应力，冷却面金属受高温底面变形金属的牵制产生拉应力。

底面中心和边缘也会由于温差在中心处产生压应力，在边缘处产生拉应力。

温差越大，热应力也越大。

依照热应力与时刻的关系分为定常热应力和不定常热应力。

定常热应力是指不随时刻转变的热应力，例如稳固运转的柴油机燃烧室零件的温度可视为不转变，所产生的热应力为定常热应力。

不定常热应力是指随时刻转变的热应力。

依照热应力转变的频率分为高频热应力和低频热应力。

柴油机运转时，周期转变的高温燃气作用引发燃烧室零件触火面高温也是周期转变的，频率高，故产生高频热应力。

柴油机起动、停车或变工况运转时，燃烧室零件产生不定常热应力，其转变周期与起动、停车或工况转变的周期相同，频率低，故为低频热应力。

2）热疲劳

热疲劳是零件在循环热应力反复作用下产生的疲劳破坏。

在热疲劳进程中由于高温引发材料内部组织结构转变，降低了材料的热疲劳抗力；高温促使表面和裂纹尖端氧化，乃至局部熔化，加速热疲劳破坏；零件截面上存在温度梯度，专门是厚壁零件温度梯度更大，在温度梯度最大处造成塑性应变集中，增进热疲劳破坏的发生。

热疲劳裂纹是在受热表面热应变最大区域形成，一样有几个疲劳裂纹源，裂纹沿表面垂直受热方向扩展，并向表面内纵深方向进展。

因此，零件热疲劳破坏是以受热表面上产生特有的龟裂裂纹为特点。

热疲劳裂纹与循环温差、零件表面缺口状态和材料有关。

循环温差越大、表面缺口越尖锐，就越容易发生热疲劳。

金属材料的热疲劳抗力不但与材料的导热性、比热等热力学性质有关，而且与弹性模量E、屈服极限σs等力学性能有关，因此导热性差的脆性材料，如灰口铸铁容易发生热疲劳破坏。

提高材料热疲劳抗力的途径要紧有：

（1）尽可能地减少乃至排除零件上的应力集中和应变集中；

（2）提高材料的高温强度；

（3）提高材料的塑性；

（4）降低材料的热膨胀系数。

第二节气缸盖和曲轴的疲劳破坏

一、气缸盖的疲劳破坏

1．气缸盖底面裂纹

柴油机运转进程中气缸盖底面在其工作条件下可能产生高温疲劳、蠕变和热疲劳破坏。

气缸盖底面即触火面经受着高温高压燃气的周期重复作用。

高温下高压燃气作用使底面发生弯曲变形产生机械压应力，并随柴油机工作循环周期重复转变。

一样情形下，气缸盖底面温度达400～500℃，有时可能超过（灰铸铁的熔点）。

当气缸盖冷却不良时就会超过，从而引发高温疲劳破坏。

当底面温度超过时，底面产生显著蠕变，从而使底面性应力大大降低。

气缸盖底面和冷却面的温差可达300～400℃，在底面和冷却面别离产生压、拉热应力，在柴油机停车或负荷突降时会使气缸盖底面压应力进一步降低、消失，乃至产生残余拉应力。

另外，柴油机运转进程中零件长期受到高温作用，使材料的疲劳极限下降，因此低频热应力过大时就会在气缸盖底面产生疲劳裂纹。

因此，当气缸盖底面产生裂纹时不能简单地视为热疲劳裂纹，因为底面裂纹可能是热疲劳裂纹，也可能是高温疲劳裂纹或蠕变裂纹，或是三者一起作用产生的裂纹。

可是当发觉龟裂裂纹时，那么可判定为热疲劳裂纹。

2．气缸盖冷却面裂纹

气缸盖冷却侧散布着环形或其他形状的冷却水通道，在通道筋的根部产生机械疲劳裂纹，并向触火面扩展。

裂纹是气缸内最大暴发压力引发的周期性脉动应力作用的结果。

气缸内最大暴发压力作用在缸盖底面上使其发生弯曲变形，在冷却面上产生最大拉应力。

当冷却水通道筋的根部过渡圆角过小或存在铸造缺点时，在这些应力集中的部位就会产生裂纹或使铸造缺点裂纹扩展，以致在周期脉动应力作用下裂纹自冷却面向触火面慢慢扩展，最终使缸盖裂穿。

零件在侵蚀介质和交变载荷一起作用下产生侵蚀疲劳破坏。

由于侵蚀与疲劳加速零件上的裂纹形成与扩展，因此是更严峻的破坏。

气缸盖冷却面在冷却水中不可幸免地产生微观电化学侵蚀；冷却面局部区域的冷却水还可能处于沸腾状态，使冷却水中可溶性盐类的酸根离子Cl-、SO42-等与冷却面金属发生电化学侵蚀；当冷却水中溶解必然量氧时，冷却面金属被氧化，水温越高，氧化侵蚀越严峻。

在以上侵蚀条件下零件材料的疲劳强度显著下降，在气缸中燃气的循环交变应力作用下产生侵蚀疲劳破坏。

综合以上分析，气缸中的燃气温度和压力关于气缸盖底面和冷却面上产生疲劳裂纹均有专门大阻碍。

气缸盖乃至燃烧室的其他组成零件可否产生疲劳裂纹均与轮机员的治理工作紧密相关。

为了幸免产生热疲劳裂纹就不能产生过大的热应力，也就要求气缸盖等零件不能热态时急冷和冷态下急剧加热或使其过热。

例如，柴油机起动前不暖机或暖机不充分，起动后又当即增速增负荷；停车时过早中断冷却水，使机件散热不良或局部过热；长期超负荷；气缸盖冷却水腔结垢严峻等。

二、曲轴的疲劳破坏

柴油机在运转中发生曲轴裂纹和断裂事故不为鲜见，尤其是发电柴油机曲轴疲劳破坏较多。

曲轴在回转中受到各缸交变的气体力、往复惯性力和离心力，和由其所引发的弯矩、扭矩的作用，这些力不仅随曲轴转角转变，也随负荷转变。

因此曲轴在这些力的作用下发生弯曲和扭转变形，产生复杂的交变应力和引发曲轴的弯曲振动、扭转振动，从而又产生专门大的附加应力。

曲轴的形状复杂，截面转变较多，刚性很差，存在严峻的应力集中，容易产生疲劳破坏。

曲轴裂纹和断裂是属于高周低应力疲劳破坏。

其断裂应力乃至仅为l/3屈服极限，循环周次高于l06～l07。

依曲轴产生裂纹的交变应力的性质不同，要紧有以下三种疲劳裂纹：

弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹和弯曲一扭转疲劳裂纹。

1．弯曲疲劳裂纹

曲轴的弯曲疲劳裂纹一样发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接的过渡圆角处，或慢慢扩展成横断曲柄臂的裂纹，或形成垂直轴线的裂纹，如所示。

弯曲疲劳实验说明，过渡圆角处的最大应力出此刻曲柄臂中心对称线下方。

应力沿曲轴长度方向的散布是在中间的和端部的曲柄有较大的弯曲应力峰值。

因此，曲轴弯曲疲劳裂纹常发生在曲轴的中间或两头的曲柄上。

曲轴弯曲疲劳破坏一般是在柴油机通过较长时刻运转以后发生。

因为长时刻运转后柴油机的各道主轴承磨损不均匀，使曲轴轴线弯曲变形，曲轴回转时产生过大的附加交变弯曲应力。

另外，曲轴的曲柄臂、曲柄箱或轴承支座（机座）等的刚性不足，柴油机短时刻运转后，也会使曲轴产生弯曲疲劳破坏。

典型的弯曲疲劳断口如图4-3所示。

2．扭转疲劳裂纹

曲轴在扭转力矩作用下产生交变的扭转应力，存在扭振时还会产生附加交变扭转应力，严峻时会引发曲轴的扭转疲劳破坏。

扭转疲劳裂纹一样发生在曲轴上应力集中严峻的油孔或过渡圆角处，并在轴颈上沿着与轴线成45°角的两个方向扩展。

这是因为轴颈的抗扭截面模数较曲柄臂的小，因此扭转疲劳裂纹多自过渡圆角向轴颈扩展，而很少向曲柄臂扩展。

但假设同时存在较强的弯曲应力，那么裂纹也可自圆角向曲柄臂扩展，造成曲柄臂弯曲断裂，如所示。

通常扭转疲劳裂纹发生在曲轴扭振节点周围的曲柄上。

发生扭转疲劳裂纹的时刻一样是在柴油机运转初期和曲轴的临界转速位于工作转速范围内时。

扭转疲劳断裂的断口如图4-3，断面与轴线相交成45°角，断面上的裂纹线近似螺旋线。

3．弯曲—扭转疲劳裂纹

曲轴的疲劳破坏还可能是由于弯曲与扭转一起作用造成。

常常由于主轴承不均匀磨损造成曲轴上产生弯曲疲劳裂纹，继而在弯曲与扭转的一起作用下使裂纹扩展、断裂，最后断裂面与轴线成45°角，断口形貌如所示，断面上自疲劳源起约2/3的面积为贝纹区，呈暗褐色；剩余l/3的面积为最后断裂区，断面凹凸不平，晶粒敞亮。

圆形波纹状纹理是弯曲疲劳造成的，放射状纹理是扭转疲劳造成的，两种纹理交织成蛛网状。

弯曲一扭转疲劳裂纹有时也呈以弯曲疲劳为主或以扭转疲劳为主的破坏形式。

因此，在具体情形下，应依照断面上的纹理、裂纹方向和最后断裂区进行分析判定。

生产中，曲轴的弯曲疲劳破坏远远多于扭转疲劳破坏。

其要紧缘故是由于曲轴弯曲应力集中系数大于扭转应力集中系数，曲轴的弯曲应力难于精准计算和操纵。

柴油机运转中，曲轴的各道主轴承磨损是很难把握和计算的，由它所引发的曲轴变形和附加弯曲应力也就难于计算和操纵了。

相反，曲轴的扭转应力能够通过计算准确把握，并可采取有效的减振方法予以平稳，只要幸免柴油机在临界转速运转和扭转应力过载，曲轴的扭转疲劳破坏就会得以操纵。

三、避免或减少疲劳破坏的方法

避免或减少船机零件的疲劳破坏，从全然上就要排除或降低零件上的应力集中和附加应力，即排除或减少疲劳裂纹源和降低交变应力。

具体方法要从零件的结构设计和制造方面着手，关于轮机员来讲那么要从轮机治理方面来减少船机零件的疲劳破坏。

1.结构设计方面

（l）设计合理  关于零件上截面转变处，如孔、键槽、过渡圆角、螺纹等处要注意截面转变不可突然，孔的边缘、过渡圆角处应圆滑，表面要光洁，例如曲柄过渡圆角半径不该小于曲柄销径直径的5%，不然就会产生严峻的弯曲应力集中。

（2）改良不合理的设计 设计不合理会引发附加应力致使零件的疲劳破坏。

例如62VT2BF型柴油机气缸套外表面上部凸缘根部产生裂纹，缘故是结构设计不合理。

改良后缸套再也不显现裂纹，如所示。

2．制造方面

（1）毛坯制造缺点（如铸、锻件和焊接件中的气孔、缩孔、夹渣和微裂纹等）引发的应力集中，尤其是截面转变处缺点更危险，容易形成裂纹源。

因此，制造中第一要提高零件毛坯质量。

（2）零件加工表面粗糙度品级低，太粗糙，应力集中严峻，容易致使裂纹，例如要求曲轴采纳渗碳、渗氮、碳氮共渗等表面化学热处置可有效地提高零件的表面疲劳强度。

球墨铸铁曲轴渗氮处置可使弯曲疲劳强度提高20%～29%。

采纳喷丸、滚压等表面强化工艺也可显著提高零件表面的疲劳强度。

喷丸、滚压等工艺使零件表面产生冷加工硬化，从而产生专门大的压应力。

例如，零件表面粗糙度为Ra～Raμm，经滚压后提高为Ra～Raμm，大大提高了疲劳强度。

曲轴过渡圆角滚压，可使钢曲轴疲劳强度提高20%～70%，球墨铸铁曲轴提高50%～90%。

滚压强化工艺普遍用于大型零件上。

3．轮机管理方面

增强对主、副柴油机的治理，尤其要增强曲轴的保护保养，对减少曲轴的疲劳破坏，延长曲轴的利用寿命和柴油机的正常运转十分重要。

（1）按期检测曲轴臂距差，监控曲轴轴线状态和监控主轴承下瓦的磨损情形，避免曲轴的弯曲疲劳破坏；

（2）增强主轴承润滑，按期检测主轴颈与主轴承的配合间隙，避免轴承下瓦过度磨损；

（3）柴油机运转时幸免在转速禁区持续运转；

（4）增强扭振减振器的保护治理，保证其在运转中处于良好的工作状态。

温习试探题

一、什么是疲劳破坏？

疲劳破坏可分哪几类？

二、断口形貌可分为哪三个区域？

有何特点？

3、试论述疲劳断裂的进程

4、阻碍零件疲劳强度的因素有哪些？

五、什么是高温疲劳？

高温疲劳有哪些特点？

六、提高材料热疲劳抗力的途径要紧有哪些？