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  不銹鋼U型螺栓斷裂失效機(jī)理分析與研究

  進(jìn)入21世紀(jì)，火電廠用水問(wèn)題日益突出，大力發(fā)展空冷機(jī)組，可比濕冷機(jī)組節(jié)約2/3以上的耗水。近年來(lái)，空冷風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行問(wèn)題一直困擾著電力行業(yè)，若空冷風(fēng)機(jī)發(fā)生問(wèn)題而停運(yùn)，將影響機(jī)組的真空，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，真空每下降 1 000 Pa，發(fā)電煤耗將增加 2 g/k W·h，空冷機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。某電廠300MW機(jī)組空冷島風(fēng)機(jī)(圖一)發(fā)生失效斷裂，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文通過(guò)對(duì)失效的U型螺栓進(jìn)行了金相、力學(xué)等實(shí)驗(yàn)，分析了該螺栓失效的原因，同時(shí)進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算，全方面的剖析了失效的機(jī)理并給出了建議。

  1 試驗(yàn)材料與方法

  1.1試驗(yàn)材料

  本文研究的失效螺栓的材料為40Cr，運(yùn)行時(shí)間約為5.1萬(wàn)小時(shí)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1-1。拉伸試驗(yàn)為φ5mm的棒狀拉伸試樣，沖擊試驗(yàn)的試樣規(guī)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(jī)將斷口切割下來(lái)，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(yīng)該有尖銳毛刺等缺陷存在;使用砂輪機(jī)將斷面打平，并且用不同粗細(xì)的砂紙進(jìn)行研磨，最后使用機(jī)械拋光并用4%硝酸酒精腐蝕，制備金相試樣。

  1.3 分析測(cè)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(jì)測(cè)試斷口附近硬度，測(cè)試硬度梯度時(shí)選用的檢測(cè)加載力為 200 g，加載時(shí)間為 5 s，利用臺(tái)式顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，使用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

  2試驗(yàn)結(jié)果與分析

  2.1斷口宏觀檢查

  螺栓斷裂部位宏觀形貌，斷裂部位為螺紋根部，宏觀斷面可分為 3 個(gè)區(qū)域，即疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面比較平整，呈淺灰色，瞬斷區(qū)與橫截面約成 45 °，斷面粗糙，色澤灰暗。根據(jù)疲勞貝紋的分布走向看， 疲勞源在螺紋凹陷處表面，為單一裂紋源。疲勞貝紋間距自下向上逐漸增加，說(shuō)明從疲勞源開(kāi)始起裂，疲勞逐漸擴(kuò)展，速率逐漸增加[[1]]。U型螺栓在長(zhǎng)期運(yùn)行中受葉片重力、離心力等應(yīng)力作用，裂紋逐漸擴(kuò)展，有效承載面積逐漸減小，最終瞬間撕裂失效。

  2.2化學(xué)成分分析

  在螺栓斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2-1，結(jié)果符合GB/T 3077-1999[[2]]中規(guī)定的40Cr的化學(xué)成分要求。

  2.3室溫力學(xué)性能試驗(yàn)

  表2-2為螺栓室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，由表中可見(jiàn)，樣品螺栓的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077規(guī)定值。

  注：表中GB/T 3077規(guī)定40Cr合金屈服強(qiáng)度≥785MPa，而測(cè)試過(guò)程中無(wú)明顯屈服現(xiàn)象，記錄值規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2僅做參考。

  2.4顯微硬度試驗(yàn)

  對(duì)1號(hào)螺栓分別選取試樣進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，并將顯微硬度試驗(yàn)值轉(zhuǎn)換為布氏硬度值，結(jié)果見(jiàn)表2-3，從表中可以看出心部硬度明顯比邊緣高，使得整個(gè)螺栓的脆性增加。

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