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Chapter2 船机零件的磨损§2-1 摩擦（Friction）摩擦磨损是船机零件的故障模式之一，是影响船舶机器正常运转和船舶安全航行的主要因素。
据资料介绍：世界能源的1／3～1／2是以不同形式消耗在克服机械零件对偶表面相互作用的摩擦上。
对于船用柴油机来说，目前无论是二冲程的低速机还是四冲程的中速机，燃油消耗率已降至163 g/(kW·h)左右，热效率达到50 %以上，但能量消耗在运动副的摩擦上约占10 %左右。
摩擦磨损→故障→能源浪费→必须重视1 摩擦表面的性质1.1摩擦表面的形貌（Surface Layer morphology）和表示方法外圆表面粗车会使表面产生100μm～25μm的粗糙度，抛光或超精研磨加工产生0.1μm～0.012μm的粗糙度。
零件表面的几何形态称为表面形貌。
零件表面形貌分为宏观几何形状、表面波度和粗糙度（微观几何形状）三部分。
宏观几何形状——宏观所见表面的轮廓线产生偏离名义几何形状的粗大偏差；表面波度——形成周期性的波状表面峰和谷，是由于机床加工系统振动的结果，为介于形状误差与粗糙度之间的误差；粗糙度——表面轮廓微观几何形状误差。
实际表面与理想表面存在一定的几何形状误差，表现在两个方面：（1）几何形状误差（宏观上）：用圆度、圆柱度、平面度表示。
（2）表面微观几何形状误差：粗糙度。
Ra评定表面粗糙度的方法很多，常用的一种方法是轮廓算术平均偏差Ra，表面粗糙度分为14级。
1.2表面层的结构（Surface Layer Composition）金属表面一出现，就会与空气中的各种其它起作用而形成各种膜，这些膜的结构性质对摩擦性能的影响很大。
一般讲，这些膜是有益的，有利于减少摩擦磨损。
这些表面层为：污染层→气体吸附层→氧化层→加工硬化层→基体（外表层）（内表层）结论：（1）实际表面是凹凸不平的；（2）接触表面并非真正的全部接触：实际接触面积 名义接触面积；（3）即使在接触点上，也可能有表面膜把金属隔开。
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、财产的重大损失。
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，而且还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断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应力或热应力下工作，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106～107，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104～105。
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、微动磨损疲劳和激冷疲劳等。
第4章：船机零件的疲劳破坏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。
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。
根据热应力变化第4章：船机零件的疲劳破坏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。
第九章增压器和船舶轴系的检修§9-1 废气涡轮增压器主要件的检修组成：废气涡轮机和离心式压气机，两者装在同一根轴上构成一个整体，利用柴油机的废气推动涡轮，带动同轴的压气机旋转，为柴油机提供高压空气，从而提高柴油机的功率。
废气涡轮增压器是在高转速、高的废气温度、空气和废气的流量和流速大的情况下工作。
一般废气的压力为0.25～0.45MPa，废气温度为500～600℃；转速随增压器尺寸不同，一般大尺寸增压器最高转速达10000r／min，小尺寸增压器最高转速可达40000～50000r／min，所以，废气涡轮增压器属于精密机械。
柴油机——废气涡轮增压器联合装置运转时，废气涡轮增压器容易产生涡轮壳体腐蚀、轴承损坏、叶片损伤、振动等故障。
轮机员日常维护管理工作良好、可减少这些故障的发生。
1 涡轮壳体的腐蚀与修理废气涡轮增压器涡轮壳体是由废气进气壳与排气壳（即废气经过涡轮叶片后排出的部分）组成。
进气壳与排气壳通常采用合金铸铁制成，分为冷却式和非冷却式。
冷却式壳体为双层，形成水夹层。
进气壳与排气壳内表面经常与具有腐蚀性的高温废气和水接触。
壳体内部水夹层——冷却水腔的冷却水自底部引入，经上部排出。
为了防止电化学腐蚀，除用淡水冷却外，还在淡水中加防锈剂和在壳体上安装防腐锌块等。
1.1 涡轮壳体腐蚀部位涡轮壳体内表面与废气接触发生腐蚀，特别是在排气壳的底部A处常发生腐蚀烂穿，如图9-7所示。
通常由于对涡轮壳体腐蚀缺乏认识和应有的重视，不能及时发现腐蚀，以致故障突然发生，造成增压器不能继续运转，需停航修理。
因此突然故障需临时紧急订购备件，造成很大的经济损失。
1.2 原因分析壳体一般分为三部分：废气进气壳和排气壳：一般为铸铁材料，采用冷却水腔冷却。
压气机壳，一般为铝壳，无冷却水腔。
受腐蚀的主要是废气进气壳和排气壳。
低温酸腐蚀是主要原因。
1.3 壳体腐蚀的防止与修理方法1）防止腐蚀的方法提高冷却水进口温度防止硫酸腐蚀；彻底清除涡轮端喷水清洗后的残水；选用非冷却式增压器等。
轮机材料疲劳性能与寿命分析在现代船舶和各类轮机设备的运行中，轮机材料的疲劳性能和寿命是至关重要的因素。
轮机作为复杂的机械系统，其零部件在长期的运行过程中承受着各种交变载荷的作用，材料的疲劳问题直接关系到轮机的可靠性、安全性以及使用寿命。
首先，让我们来了解一下什么是材料的疲劳性能。
简单来说，材料的疲劳性能是指材料在循环载荷作用下抵抗疲劳破坏的能力。
与静态载荷下的性能不同，疲劳破坏往往发生在应力水平远低于材料的屈服强度时。
这是因为在循环载荷的反复作用下，材料内部会逐渐产生微小的裂纹，这些裂纹会随着循环次数的增加而不断扩展，最终导致材料的断裂。
轮机中的许多关键部件，如曲轴、连杆、齿轮等，都处于不断的运动和受力变化之中。
例如，曲轴在发动机的运转过程中，承受着周期性的弯曲和扭转应力；连杆则在往复运动中承受拉伸和压缩应力的交替作用。
这些部件所使用的材料，如果疲劳性能不佳，就很容易在运行一段时间后出现疲劳裂纹，从而影响轮机的正常工作。
影响轮机材料疲劳性能的因素众多。
材料的化学成分和微观组织是其中的关键因素之一。
不同的合金元素和热处理工艺会导致材料微观组织的差异，进而影响其疲劳性能。
一般来说，细小均匀的晶粒组织有利于提高材料的疲劳强度，因为晶界可以阻碍裂纹的扩展。
此外，表面质量对轮机材料的疲劳性能也有着显著的影响。
零件表面的粗糙度、残余应力等都会改变材料在循环载荷下的应力分布。
粗糙的表面容易形成应力集中点，从而加速疲劳裂纹的萌生；而通过表面处理工艺，如喷丸、滚压等，可以在零件表面引入有益的残余压应力，提高材料的疲劳寿命。
载荷特性也是不可忽视的因素。
载荷的大小、频率、波形以及加载方式等都会影响轮机材料的疲劳性能。
高频加载会使材料更快地积累损伤，而复杂的加载波形可能导致应力集中更加严重。
在对轮机材料的疲劳寿命进行分析时，通常采用实验和理论计算相结合的方法。
疲劳实验是获取材料疲劳性能数据的重要手段，通过对标准试样进行不同应力水平下的疲劳试验，可以得到材料的 SN 曲线（应力寿命曲线）。
第四章船机零件的疲劳破坏（Fatigue Fracture ）很多柴油机零件（如曲轴、活塞、缸盖、齿轮、连杆螺栓等）承受交变载荷的作用，经过长时间运行后会发生断裂，在这些断裂中，疲劳断裂占80～90％。
§4-1 金属疲劳的概念1 疲劳断裂的概述1.1 定义零件或材料在交变载荷的长时间作用下，会在应力小于σb （甚至小于σs ）的情况下产生裂纹或突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。
说明：（1）应力：机械应力和热应力（交变）。
交变应力：平均应力：()min max 2/1σσσ+=m应力幅值：()min max 2/1σσσ-=a 应力循环特征：m axm in σσγ=；当1-=γ时，为对称循环。
（2）破坏：裂纹和断裂。
（3）特征：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）断裂应力小于材料的抗拉强度σb ，甚至小于屈服强度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影响零件的疲劳断裂。
1.2 种类1）根据应力大小和循环次数分：★高周疲劳破坏特点：σ小，应力循环次数大（>105）,最常见（曲轴、弹簧等的断裂）。
★低周疲劳破坏特点：应力大（>σs ）,低频加载，应力循环次数104～1052）根据工作环境等分类：★热疲劳：由于零件受温度的变化引起热应力的反复作用造成的疲劳破坏。
如缸盖疲劳裂纹。
★ 腐蚀疲劳：由于交变应力与腐蚀介质的共同作用而导致的疲劳破坏。
★ 接触疲劳破坏： 由于接触应力的反复作用，导致形成金属剥落，形成麻点。
如滚动轴承、齿轮等的破坏。
★ 其它疲劳形式：如接触疲劳、微动磨损疲劳和激冷疲劳等。
3）按应力种类分：弯曲疲劳、扭转疲劳、复合疲劳等。
1.3 疲劳抗力指标表征零件材料抗疲劳性能的力学参数，主要有：疲劳极限、超载抗力、疲劳缺口敏感度等。
1）疲劳极限（MPa ）：当应力低于某一数值时，循环无限次，材料也不会发生疲劳断裂，该应力称为材料的疲劳极限。
材料的疲劳极限是由试验测定。
例如，常温下的碳钢、合金结构钢和铸铁，在N 达107后曲线出现水平阶段。
所以这类材料是以N ＝107时不断的最大应力作为疲劳极限。
2）过载抗力：是衡量过载对材料疲劳抗力的影响指标。
例如，柴油机紧急刹车、起动或超负荷运转等。
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，导致零件的疲劳破坏。
这是由于过载引发了材料内部的微裂纹扩展达到了一定尺寸，在过载后的正常运转中不断扩展导致疲劳断裂。
由图可以看出，材料的过载损害区越狭窄，或过载持久线ed 越陡直，则过载抗力越高。
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。
由于零件短时间过载不可避免，所以零件选材时宜选用过载损害区狭窄而又较陡直的材料。
3）疲劳缺口敏感度：零件表面开有键槽、油孔、螺纹等各种缺口时，就会在缺口的根部产生应力集中，使材料的疲劳强度降低。
q ＝（K f －1）／（K t －1）式中：K t ——静力理论应力集中系数，K t ＝σmax ／σ；K f ——疲劳应力集中系数，K f ＝σ－1／σ－1HK t 是试件缺口根部处的最大应力σmax 与光滑试件横截面上均匀应力σ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。
K t 值可从机械工程手册中查得。
K f 是光滑试件的疲劳极限σ－1与缺口疲劳极限σ－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，K f 值越大。
一般K f ≤K t 。
当K f ＝K t 时，q ＝1，表示此时疲劳应力集中最严重，缺口最敏感；当K f ＝1时，σ－1＝σ－1H ，则q=0，表明零件虽有缺口但不影响材料的疲劳极限σ-1，缺口最不敏感。
材料的缺口敏感度q 在0～1之间。
q 值越小，缺口越不敏感。
铸铁对缺口极不敏感，q ＜0.1；一般结构钢对缺口较为敏感，q ＝0.55～0.80。
2 疲劳断裂的机理2.1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4－3a ）、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 用肉眼或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。
贝纹从疲劳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。
交变应力的反复作用→产生微观疲劳裂纹→裂纹扩展（时而扩展，时而停止）→承载面积减少→最后断裂。
因此，疲劳断裂的过程包含三个过程：疲劳裂纹的形成、裂纹的扩展和断裂。
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：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（0.1mm），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 疲劳断裂的特点1) 突发性：断裂前无明显的塑变；2) 疲劳断裂前零件一般经较长时间的使用；3) 工作应力小于材料的强度极限，甚至小于屈服强度；4) 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；5) 断口形貌特殊：分三个区（每个区对应一个过程）。
（1）疲劳源。
一般出现在零件的表面。
一般有1～2个。
（2）裂纹扩展区：呈贝纹状，是裂纹扩展留下的痕迹。
以上两部分由于受长时间的研磨，呈磨光状态。
若疲劳源区与裂纹扩展区断面粗糙、疲劳源数较多和贝纹线间距较大时，可能是应力集中较严重和有较大的过载作用。
（3）最后断裂区：晶粒粗大。
甚至超过断口面积一半以上，其寿命也越短。
若所占面积较小，小于断口面积之半时，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面积大于低应力状态零件；疲劳源数目不同，单相弯曲仅有1个，而双向弯曲有2个；最后断裂区形状不同，单相弯曲与扭转弯曲相比，后者的疲劳源与最后断裂区相对位置发生偏转，同时由于零件上缺口应力集中的影响较大，最后断裂区很小且与零件断面呈同心状。
4 影响疲劳强度的因素零件材料疲劳强度的大小受诸多因素的影响，外部因素主要是零件的形状、尺寸、表面粗糙度和使用条件等；内部因素主要是材料的成分、组织、夹杂物和表面应力状态等。
而疲劳强度是零件设计、选材和制订加工工艺时的重要参数，直接关系到零件的使用寿命。
4.1 应力集中应力集中引起的疲劳破坏居所有导致疲劳失效因素中的首位。
试验表明，零件上缺口引起应力集中使疲劳极限降低，缺口越尖锐，降低越厉害。
4.2 表面状态和尺寸因素零件加工表面状态主要是指表面粗糙度、表面成分和性能的变化、表面残余应力等。
表面粗糙度越低，表面越粗糙，疲劳极限越低。
例如，钢、铝合金粗车后的疲劳极限比抛光低10％～20％。
表面强化处理使零件表面化学成分和组织发生变化，从而使表面的机械性能变化。
例如，经渗碳或氮化处理的光滑钢试样的弯曲、扭转疲劳极限提高15％～100％；缺口试样经渗碳或氮化处理后疲劳极限提高更大，甚至达230％～300％，柴油机曲轴常采用此种强化工艺。
表面变形强化处理使表面塑性变形抗力增加，在表面层内形成残余压应力，有效地提高疲劳极限。
滚压、喷丸等工艺广泛用来提高零件的疲劳极限。
试验表明，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。
尺寸效应是由于：疲劳破坏源于零件表面，零件尺寸增加，表面积增加，相应增大表面疲劳破坏的概率；试验时，在试样表面拉应力相等情况下，尺寸大的试样，自表层至中心的应力梯度小，处于高应力区的表层体积大及相应的内部缺陷多，也增加了疲劳破坏的概率。
4.3 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，温度降低则使疲劳极限增加。
）、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。
）。
4.4 材料的成分、组织和夹杂物一定条件下凡使材料的强度提高的因素，一般来说也可使其疲劳强度提高。
热处理对材料疲劳强度的影响较材料成分对疲劳强度的影响大得多。
钢中的非金属夹杂物是产生疲劳裂纹的发源地，钢中的夹杂物越少其疲劳强度越高。
§4-2 柴油机气缸盖的疲劳破坏1 高温疲劳和热疲劳1.1 高温疲劳零件在高于材料的0.5T m （T m 用绝对温度表示的熔点）或高于其再结晶温度时，受到循环交变应力作用所引起的疲劳破坏。
汽轮机和燃气轮机的叶轮和叶片、柴油机的排气阀等处于这种工作状态。
在高温下，材料的持久强度、蠕变极限、疲劳极限均下降。
高于常温，低于0.5 T m 的疲劳称为中温疲劳，高温疲劳具有以下特点：1）高温疲劳的疲劳曲线中不出现水平部分，疲劳极限随着交变应力作用的循环周次增加不断降低。
因此，高温下材料的疲劳极限用规定循环周次下的疲劳极限表示，一般取5×107或108次。
2）高温疲劳总伴随发生蠕变，并且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，一般当材料温度高于0.3 T m （用绝对温度表示的熔点）时蠕变显著发生。
例如碳钢温度超过300℃～350℃，合金钢温度超过350℃～400℃时发生蠕变，引起材料的疲劳极限急剧降低。
3）高温下疲劳极限与蠕变极限、持久极限的关系对高温工作的零件具有重要的意义。
实验表明，在较低温度时材料的蠕变极限、持久强度比疲劳极限高。
而在高温时材料的蠕变极限、持久强度和疲劳极限均下降。
但前两者的下降速度远高于后者，如图4－7所示。
材料的蠕变极限随温度变化曲线1与疲劳极限随温度变化曲线2相交于一点。
当温度低于此点对应温度时，材料以疲劳破坏为主，高于此温度时以蠕变破坏为主。
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。
