Chapter4 船机机体零件的疲劳检测

1.2 热疲劳1）热应力★柴油机工作时，缸盖外表或冷面温度：60～80℃，而触火面的高温区的温度为400～480℃。

由触火面传来的热量被冷却水带走，冷却水温度为70℃左右。

触火面受热膨胀，但受外表面或冷面的制约，结果外表面或冷面受拉，而触火面受压。

由于缸盖的材料铸铁在高于350℃时，抗蠕变能力下降，导致压缩蠕变，使压应力下降，应力得到松弛。

★停车后，触火面温度降低，在温度尚未达到环境温度时，材料所受的压缩应力就已经消失完毕。

当温度继续降低时，触火面产生了拉应力。

缸盖在“加热—冷却”的多次循环后，交变的热应力就会导致疲劳裂纹的产生。

因此，缸盖疲劳裂纹产生的主要原因是热负荷过高。

根据热应力与时间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间变化的热应力。

柴油机处于稳定运转时，燃烧室组成零件上的温度可视为不变，处于热稳定状态。

柴油机由冷态变为热稳定状态后在燃烧室零件上产生的热应力为定常热应力、不定常热应力是指随时间变化的热应力。

根据热应力变化的频率分为高频热应力与低频热应力。

柴油机运转时，燃烧室组成零件的触火壁面温度实际上是周期变化的，变化周期与柴油机工作循环的变化周期相同，频率高且壁面受热深度浅。

所以，在壁面受热不深的情况下，周期变化的燃气高温作用引起的热应力是高频热应力。

零件触火壁面的高频热应力最大，随着深度而减小。

柴油机在起动、停车或变工况运行时，燃烧室组成零件的温度也随时间发生动态变化产生不定常热应力。

此种不定常热应力变化周期与柴油机运转中起动、停车或工况变化的周期相同，频率较低，属于低频热应力。

低频热应力的大小与负荷变化的速度有关。

负荷突变将会引起过大的低频热应力，导致零件热疲劳破坏。

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。

循环热应力是零件受到循环变化的温度作用引起的。

因此，产生热疲劳必满足两个条件：★温度循环变化；★零件热变形受到约束。

热疲劳是由于热循环温差△T引起。

零件材料膨胀变形α·△T（α为材料的线膨胀系数），如果该变形完全被约束就会引起热应力△σ＝-E·α·△T。

当热应力超过材料高温下的屈服极限时产生局部塑性变形，经过一定循环次数或当△T较大时经过较少的循环次数就会产生疲劳裂纹。

所以，热疲劳破坏实际上是由塑性应变引起的，并且是塑性应变损伤累积的结果，是一种高温高应变疲劳。

在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化，降低了材料的热疲劳抗力；高温促使表面和裂纹尖端氧化，甚至局部熔化，加速热疲劳破坏；零件截面上存在温度梯度，特别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，促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，一般有几个疲劳裂纹源，裂纹沿垂直受热表面方向扩展，并向表面内纵深方向发展。

所以，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征。

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。

金属材料对热疲劳的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、屈服极限等力学性能有关。

所以导热性差的脆性材料，如灰口铸铁容易发生热疲劳破坏，提高材料热疲劳的途径主要有：1）尽可能地减少甚至消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。

2 气缸盖的疲劳破坏2.1 底面（触火面）裂纹：主要是热负荷过高引起，安装（紧固过度、用力不均等）或使用（冷却水中断、暖机不够、水温过低）不正确。

气缸盖底面即触火面承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变化。

一般情况下，气缸盖底面温度达400℃～500℃，有时可能超过0.5T m（灰铸铁的熔点）。

当气缸盖冷却不良时就会超过0.5T m，从而引起高温疲劳破坏。

当底面温度超过0.3T m时，底面产生显著蠕变，从而使底面压应力大大降低。

气缸盖底面和冷却面的温差可达300℃～400℃，在底面和冷却面分别产生压、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，甚至产生残余拉应力。

另外，柴油机运转过程中零件长期受到高温作用，使材料的疲劳极限下降，所以低频热应力超过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，或者是三者共同作用产生的裂纹。

但是当发现龟裂裂纹时，则可断定为热疲劳裂纹。

2.2 冷面（冷却水侧）裂纹气缸盖冷却侧分布着环形或其它形状的冷却水通道，在通道筋的根部产生机械疲劳裂纹，并向触火面扩展。

裂纹是气缸内最大爆发压力引起的周期性脉动应力作用的结果。

气缸内最大爆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者存在铸造缺陷时，在这些应力集中的部位就会产生裂纹或使铸造缺陷裂纹扩展，以致在周期脉动应力作用下裂纹自冷却面向触火面逐渐扩展。

最终使缸盖裂穿。

运行时，底面受压，而冷面受拉，缸盖底面薄，在爆压的周期性脉动作用下，冷面疲劳。

冷却水道的环形筋根部产生机械疲劳裂纹，并向触火面扩展。

零件在腐蚀介质和交变载荷共同作用下产生腐蚀疲劳破坏。

由于腐蚀与疲劳加速零件上的裂纹形成与扩展，所以是更严重的破坏。

气缸盖冷却面在冷却水中不可避免地产生微观电化学腐蚀；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－、SO4――等与冷却面金属发生电化学腐蚀；当冷却水中溶解一定量氧时，冷却面金属被氧化，水温越高氧化腐蚀越严重。

在以上腐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腐蚀疲劳破坏。

2.3 外表面裂纹在四冲程柴油机中常见。

气缸盖乃至燃烧室其它组成零件能否产生疲劳裂纹均与轮机员的管理工作密切相关。

为了避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，起动后又立即增速增负荷；停车时过早中断冷却水循环，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重等。

§4-3 曲轴（Crankshaft）的疲劳破坏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以及由其所引起的弯矩、扭矩的作用。

这些力不仅随曲柄转角变化，也随负荷变化。

曲轴的形状复杂，截面变化多，刚度不足，受力复杂。

属于高周低应力疲劳破坏。

1 曲轴疲劳裂纹的种类1.1 弯曲疲劳裂纹（Bending Fatigue Crack）一般发生在曲轴长期运转后，由于主轴承（main bearings）的不均匀磨损，造成曲轴轴线不正。

使附加弯曲应力加大。

断裂部位一般为：曲柄销（Crankpin）或主轴颈（Crankshaft journal）与曲柄臂连接的过渡圆角处，沿曲柄臂断裂。

结论：必须控制主轴承的不均匀磨损，确保轴线的平直。

1.2 扭转疲劳裂纹（Torsion Fatigue Crack）扭矩产生的应力加上扭转振动产生的附加扭转应力。

一般发生在油孔处，并在轴颈上沿与轴线成45o角的两个方向扩展，且在运行初期发生，扭转振动节点附近的曲柄。

1.3 弯曲—扭转疲劳裂纹（Compound Fatigue Crack）（FIG.4-9）生产实践表明：曲轴的弯曲疲劳多于扭转疲劳。

因为弯曲应力的应力集中系数比扭转应力集中系数大，且弯曲应力难以精确计算（导致应力的因素：各主轴承的磨损难以掌握和控制，因此造成的附加弯曲应力难计算）。

2 防止或减少疲劳裂纹的主要方法防止或减少船机零件的疲劳破坏，从根本上就要消除或降低零件上的应力集中和附加应力，即消除或减少疲劳裂纹源和降低交变应力。

具体措施要从零件的结构设计和制造方面着手，对于轮机员来说则要从轮机管理方面来减少船机零件的疲劳破坏。

2.1结构设计方面1）改进不合理的设计；2）断面突变处的圆角过渡，降低应力集中。

曲轴的过渡圆角半径不小于曲柄销径的5％。

2.2 制造方面1）消除加工制造过程中的各种应力。

除应力退火。

2）改善表面质量和性能。

表面是裂纹的策源地。

主要方法是：★降低粗糙度，对表面进行强化处理（渗C、N等）。

★对曲轴的过渡圆角进行滚压可使疲劳强度提高20～70％，球铁曲轴可提高50～90％。

2.3 使用管理方面加强对主、副柴油机的管理，尤其加强曲轴的维护保养，对减少曲轴的疲劳破坏，延长曲轴的使用寿命和柴油机的正常运转十分重要。

1）定期检测曲轴臂距差，监控曲轴轴线状态和监控主轴承下瓦的磨损情况，防止曲轴的弯曲疲劳破坏；及时了解曲轴轴线状态并及时调整。

减少附加弯曲应力。

2）加强主轴承润滑，定期检测主轴颈与主轴承的配合间隙，防止轴承下瓦过度磨损，减少冲击。

3）柴油机运转时避免在转速禁区持续运转。

4）加强扭振减振器的维护管理，保证其在运转中处于良好的工作状态。