​U型螺栓断裂失效机理分析与研究...

1 试验材料与方法

1.1试验材料

    本文研究的失效螺栓的材料为40Cr，运行时间约为5.1万小时，其化学成分见表1-1。拉伸试验为φ5mm的棒状拉伸试样，冲击试验的试样规格为55×10×10mm、U型缺口深度为的2mm。

1.2 试样制备

    用线切割机将断口切割下来，用超声波清洗10min，再用酒精棉球擦拭干净，制备扫描电镜试样；在螺杆部位分别取样制作冲击及拉伸试样，试样不应该有尖锐毛刺等缺陷存在；使用砂轮机将断面打平，并且用不同粗细的砂纸进行研磨，最后使用机械抛光并用4%硝酸酒精腐蚀，制备金相试样。

1.3 分析测试方法

    利用 Zeiss Supra40 型扫描电子显微镜观察断口形貌; 用 MH-3 型显微硬度计测试断口附近硬度，测试硬度梯度时选用的检测加载力为 200 g，加载时间为 5 s，利用台式显微镜进行金相组织观察，使用万能拉伸试验机进行室温拉伸试验，冲击试验在摆锤式冲击试验机上进行。

2试验结果与分析

化学成分分析

    在螺栓断口附近取样进行化学成分分析，结果见表2-1，结果符合GB/T 3077-1999[[2]]中规定的40Cr的化学成分要求。

螺栓应力计算

     U型螺栓在复杂工况下受力，主要受到叶片自身重力、离心力等作用，最主要的是在运行过程中的离心力的剪切应力。离心力和向心力大小相等方向相反。    由于风扇叶片并不是均质体，为方便计算，假设其重心在叶片的3/4处，叶片的半径为4.7m，重量为163kg，转速为98.8r/min。将以上数据带入到公式中算得向心力为6.1×104N，U型螺栓受到的切应力约为86.96MPa，略低于螺栓的屈服强度。

    U型螺栓在复杂工况下受力，螺纹根部等应力集中部位易产生裂纹等缺陷，在叶片自身重力、向心力、离心力等作用下，缺陷逐渐向外扩展，造成螺栓有效承载面积减小，使得有效承载面积不足，直至断裂，断口处有明显疲劳断裂的特征。