​U型（xíng）螺栓斷裂失效機理分析與（yǔ）研究...

1 試驗材料與方法

1.1試驗材料

    本文（wén）研究的失效螺栓的材料為40Cr，運行時間（jiān）約為5.1萬（wàn）小時，其化學成（chéng）分（fèn）見表1-1。拉伸試驗為φ5mm的棒狀拉伸試樣，衝擊試驗的試樣規格為55×10×10mm、U型（xíng）缺口深度為（wéi）的2mm。

1.2 試樣製（zhì）備

    用線切割機將斷口切割（gē）下來，用超聲波清洗10min，再用酒精棉球擦拭幹淨，製（zhì）備掃（sǎo）描電鏡試樣（yàng）；在（zài）螺杆部位分別取（qǔ）樣製作衝擊及（jí）拉伸試樣，試樣（yàng）不應該有尖銳毛刺等缺陷存在；使用砂輪機將斷麵打平，並且用不同粗細的砂紙進行研磨，最後（hòu）使用機械拋光並用4%硝酸酒精腐蝕，製備金相試樣。

1.3 分（fèn）析測試方法

    利用 Zeiss Supra40 型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌; 用 MH-3 型顯微硬度計測試斷口（kǒu）附近（jìn）硬度，測試硬度梯度（dù）時選（xuǎn）用（yòng）的檢測加載力為 200 g，加載時間為 5 s，利用台式顯（xiǎn）微鏡進行金相組織觀察，使用萬能拉伸試（shì）驗機進行室溫拉伸試驗，衝擊試驗在擺錘式衝擊試驗機上進行。

2試驗結果與分析

化學成分分析

    在螺栓斷口附近取樣進行化學（xué）成分分析（xī），結果見表2-1，結（jié）果符合（hé）GB/T 3077-1999[[2]]中規定的40Cr的化學成分要求。

螺栓應力計算

     U型螺栓在複雜工況下受力，主要受到葉片自身重力、離心力等作用，最主（zhǔ）要的是在運行過程中（zhōng）的離心力的剪切（qiē）應力。離心力和向心（xīn）力大小相等方向相（xiàng）反。    由於風扇葉片並不是（shì）均質體，為方便計算，假設其重心在葉片的3/4處，葉片的半徑為4.7m，重量（liàng）為163kg，轉速為（wéi）98.8r/min。將以上數據帶（dài）入到公式中算得向心力為6.1×104N，U型螺栓受（shòu）到的切應力約（yuē）為86.96MPa，略低於螺栓的屈服強（qiáng）度。

    U型螺栓在（zài）複雜工況下受力，螺紋根部等應力集中部位易產生裂紋等缺陷（xiàn），在葉片自身重力、向心力、離心力等（děng）作用下，缺陷逐漸向外擴展，造成螺栓有效承載麵積減小，使得有（yǒu）效承（chéng）載麵積不足（zú），直至斷裂，斷口處（chù）有明顯疲（pí）勞斷裂的特征。