​U型螺栓斷裂失效機理分析與研究...

1 試驗材料與方法

1.1試驗（yàn）材料（liào）

    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（chéng）分見表1-1。拉伸試驗為φ5mm的（de）棒狀拉伸試樣，衝擊試（shì）驗的試（shì）樣（yàng）規格為55×10×10mm、U型缺口深度為的2mm。

1.2 試（shì）樣製備

    用線切割機將（jiāng）斷（duàn）口切割下來，用超聲波（bō）清洗10min，再用酒精棉球擦拭幹淨，製備掃描（miáo）電鏡試樣（yàng）；在螺杆（gǎn）部位分別取樣製作衝擊及拉伸試樣，試樣不應該有尖銳毛刺等缺陷存在；使用砂輪（lún）機將斷麵打平，並且用不（bú）同粗細的砂紙（zhǐ）進行研磨，最後使用機（jī）械拋光並用4%硝酸酒精（jīng）腐蝕，製備金相試樣。

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（wēi）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，利用台式顯微鏡進行金相組（zǔ）織觀察（chá），使用萬能拉伸試驗（yàn）機進行室溫拉伸試驗，衝擊（jī）試驗在擺錘式衝擊試驗機上進行。

2試驗結果（guǒ）與分析

化學成分分析

    在螺栓斷（duàn）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（luó）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。    由於風扇（shàn）葉片並不是均質體，為方（fāng）便計（jì）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（shù）據帶入到公式中算得向（xiàng）心力為（wéi）6.1×104N，U型螺栓受到的切應力約為86.96MPa，略低於螺栓的屈服強度。

    U型螺栓在複雜工況下受力，螺紋根部等應力集中（zhōng）部位易產生裂紋等缺陷，在葉片自身重力、向（xiàng）心（xīn）力（lì）、離心力等作用下，缺陷逐漸向外擴展，造成螺栓有效（xiào）承載麵積減小，使得有（yǒu）效承載麵積不足，直至（zhì）斷裂，斷口（kǒu）處有明顯疲勞斷裂的特征。