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U型螺栓斷裂失效機理分析與研究...
來源： 發布時間：2025-07-04 點擊量：12
1 試驗材料與方法
1.1試驗材料
本文研究的失效螺栓的材料為40Cr，運行時間約為5.1萬小時，其化學成分見表1-1。拉伸試驗為φ5mm的棒狀拉伸試樣，沖擊試驗的試樣規格為55×10×10mm、U型缺口深度為的2mm。
1.2 試樣制備
用線切割機將斷口切割下來，用超聲波清洗10min，再用酒精棉球擦拭干凈，制備掃描電鏡試樣；在螺桿部位分別取樣制作沖擊及拉伸試樣，試樣不應該有尖銳毛刺等缺陷存在；使用砂輪機將斷面打平，并且用不同粗細的砂紙進行研磨，最后使用機械拋光并用4%硝酸酒精腐蝕，制備金相試樣。
1.3 分析測試方法
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附近硬度，測試硬度梯度時選用的檢測加載力為 200 g，加載時間為 5 s，利用臺式顯微鏡進行金相組織觀察，使用萬能拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，沖擊試驗在擺錘式沖擊試驗機上進行。
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成分分析，結果見表2-1，結果符合GB/T 3077-1999[[2]]中規定的40Cr的化學成分要求。
螺栓應力計算
U型螺栓在復雜工況下受力，主要受到葉片自身重力、離心力等作用，最主要的是在運行過程中的離心力的剪切應力。離心力和向心力大小相等方向相反。 由于風扇葉片并不是均質體，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，重量為163kg，轉速為98.8r/min。將以上數據帶入到公式中算得向心力為6.1×104N，U型螺栓受到的切應力約為86.96MPa，略低于螺栓的屈服強度。
U型螺栓在復雜工況下受力，螺紋根部等應力集中部位易產生裂紋等缺陷，在葉片自身重力、向心力、離心力等作用下，缺陷逐漸向外擴展，造成螺栓有效承載面積減小，使得有效承載面積不足，直至斷裂，斷口處有明顯疲勞斷裂的特征。
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