U型螺栓疲勞斷裂分析

U型螺栓疲勞斷裂原因分析

問(wèn)題描述：8月31日反饋斷裂9月9日反饋斷裂斷口斷口

斷口狀態(tài)：8月31日反饋的斷口狀態(tài)9月9日反饋的斷口狀態(tài)

斷口分析：根據(jù)斷裂力學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn)記載，疲勞破壞的斷口與一般脆性破壞的斷口不同，一般脆性破壞的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或人字紋。而疲勞破壞的主要斷口特征是放射性和年輪狀花紋。

疲勞斷裂分為三個(gè)階段形成：①裂紋形成階段②裂紋擴(kuò)展階段③

疲勞斷裂階段疲勞斷口又分為三部分組成：①疲勞源區(qū)②疲勞擴(kuò)展區(qū)③疲勞瞬斷區(qū)①

疲勞源區(qū)（裂紋形成階段）②

疲勞擴(kuò)展區(qū)（裂紋擴(kuò)展階段）③疲勞瞬斷區(qū)（疲勞斷裂階段）

斷口判定：根據(jù)上面相關(guān)文獻(xiàn)所描述，以下兩種斷裂狀態(tài)符合疲勞斷裂的形態(tài)。①疲勞源區(qū)（裂紋形成階段）②疲勞擴(kuò)展區(qū)（裂紋擴(kuò)展階段）③疲勞瞬斷區(qū)（疲勞斷裂階段）①

疲勞源區(qū)（裂紋形成階段）②疲勞擴(kuò)展區(qū)（裂紋擴(kuò)展階段）③疲勞瞬斷區(qū)（疲勞斷裂階段）

疲勞的基本概念：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在應(yīng)力集中部位逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷?；蚴芡獠坑绊懺趹?yīng)力集中部位產(chǎn)生的表面損傷，經(jīng)一定負(fù)載循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程。疲勞對(duì)材料表面缺陷十分敏感，如腐蝕磕碰處在連續(xù)交變荷載作用下，會(huì)在缺陷部位逐漸累積損傷、產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴(kuò)展，直到最后被破壞。疲勞壽命：

疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)次數(shù)。一般發(fā)生在軸臂和圓角處應(yīng)力較為集中的部位。疲勞極限：指定基數(shù)下的中值疲勞強(qiáng)度，對(duì)當(dāng)循環(huán)基數(shù)為其他值時(shí)，稱(chēng)為該循環(huán)基數(shù)下的條件疲勞極限，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為該循環(huán)基數(shù)下的疲勞強(qiáng)度。疲勞的分類(lèi)：

根據(jù)循環(huán)荷載的幅值和頻率，疲勞可以分為等幅疲勞、變幅疲勞和隨機(jī)疲勞;根據(jù)材料破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)(即壽命)以及疲勞荷載的應(yīng)力水平，疲勞又可以分為高周疲勞、低周疲勞和亞臨界疲勞。等幅疲勞的特點(diǎn)：材料在恒定、連續(xù)重復(fù)荷載的循環(huán)作用下裂紋生成、拓展以致斷裂破壞的現(xiàn)象。等幅疲勞重復(fù)荷載的數(shù)值不隨時(shí)間變化，所有應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅保持常量。容許應(yīng)力幅：當(dāng)材料受力部位的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅小于等于容許應(yīng)力幅時(shí)，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。容許應(yīng)力幅的計(jì)算公式：[△σ]：應(yīng)力幅；n

:循環(huán)次數(shù)；c:材料參數(shù)；β:材料參數(shù)容許應(yīng)力幅△σ與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系：△σ越大，破壞時(shí)循環(huán)次數(shù)n越少；△σ越小，破壞時(shí)循環(huán)次數(shù)n越多；各類(lèi)結(jié)構(gòu)和連接類(lèi)別的△σ-N曲線：σmax每次應(yīng)力循環(huán)中，計(jì)算部位的最大拉應(yīng)力（取正直）；σmax每次應(yīng)力循環(huán)中，計(jì)算部位的最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力（取負(fù)直）；設(shè)計(jì)應(yīng)力幅的取值：容許應(yīng)力幅模擬計(jì)算：例如：已知鋼筋受軸心拉力，截面為φ14，材料40Cr，硬度27-32HRC，性能等級(jí)9.8級(jí)，抗拉強(qiáng)度≥900Mpa=138KN，保證應(yīng)力≥650Mpa=100KN。1、假設(shè)，材料承受重復(fù)負(fù)載，循環(huán)次數(shù)為n=106次。2、假設(shè)，材料質(zhì)量等級(jí)一級(jí)，計(jì)算疲勞時(shí)屬于第3類(lèi)。【解】由表2.1，查得C=3.26×1012

，

β=3當(dāng)

n=106次時(shí)的容許應(yīng)力幅為：計(jì)算應(yīng)力部位的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅：假設(shè)，荷載標(biāo)準(zhǔn)值Nmax=20KN，Nmin=-2KN。△σ設(shè)計(jì)應(yīng)力幅<[△σ]容許應(yīng)力幅，因此疲勞強(qiáng)度滿足要求。U型螺栓軸向拉力應(yīng)力集中點(diǎn)高周等幅循環(huán)受力面杠桿重心磕碰腐蝕點(diǎn)145mmU型螺栓受力分析：1、假設(shè)，軸向拉力：20000N；徑向受力：2000N；當(dāng)受力面重心偏移時(shí)，軸向拉力和徑向受力將隨之增加；2、假設(shè)，應(yīng)力集中點(diǎn)內(nèi)側(cè)受空間及外部因素因素產(chǎn)生磕碰或腐蝕，此時(shí)將給疲勞源區(qū)的生成創(chuàng)造條件；3、當(dāng)受力面重心偏移，應(yīng)力點(diǎn)產(chǎn)生磕碰腐蝕，此時(shí)容許應(yīng)力幅將大幅度下降，造成設(shè)計(jì)應(yīng)力幅的疲勞強(qiáng)度無(wú)法滿足要求。U型螺栓疲勞失效產(chǎn)生分析：空間太小，存在摩擦磕碰零件多處產(chǎn)生摩擦磕碰腐蝕點(diǎn)U型螺栓疲勞失效產(chǎn)生分析：裝配結(jié)構(gòu)受力面重心偏移后的壓痕受力面重心偏移后的壓痕受力面偏移

兩邊不對(duì)稱(chēng)最終結(jié)論：根據(jù)我公司對(duì)故障件進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)后，其材質(zhì)、性能、硬度、金相組織均能符合設(shè)計(jì)要求。（詳見(jiàn)附件：檢測(cè)記錄照片）最終我們根據(jù)貴公司所寄故障件的斷口失效形態(tài)，以及貴公司所傳遞的現(xiàn)場(chǎng)裝配部位照片，最后結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析后發(fā)現(xiàn)如下幾點(diǎn)問(wèn)題：

1、裝配過(guò)渡空間太小