【摘要】：低速柴油機(jī)螺栓的疲勞強(qiáng)度直接關(guān)系到低速機(jī)的安全性與穩(wěn)定性,開(kāi)展相關(guān)螺栓用材和螺栓結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析和優(yōu)化研究對(duì)低速柴油機(jī)總體疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化具有十分重要的意義。本課題開(kāi)展的研究工作,一方面通過(guò)試驗(yàn)分析獲得螺栓材料與典型零件的組織與常規(guī)力學(xué)性能,為進(jìn)行螺栓疲勞強(qiáng)度分析、優(yōu)化和壽命預(yù)測(cè)提供所需要的基本性能參數(shù);另一方面,從螺栓出廠的熱處理工藝入手,探究出最佳的調(diào)質(zhì)工藝(包括淬火溫度、回火溫度以及回火保溫時(shí)間等),以獲得最佳的顯微組織與力學(xué)性能。另外,對(duì)現(xiàn)有低速機(jī)螺栓用42CrMo鋼進(jìn)行疲勞試驗(yàn),探究不同應(yīng)力水平對(duì)高強(qiáng)螺栓疲勞壽命的影響并對(duì)疲勞斷裂機(jī)理進(jìn)行分析。首先對(duì)來(lái)樣螺栓進(jìn)行理化檢驗(yàn),來(lái)樣螺栓直徑為42mm的M42型,該螺栓以及配套螺母的化學(xué)成分分別為0.40%C-0.27%Si-0.60%Mn-0.98%Cr-0.19%Mo、0.36%C-0.26%Si-0.56%Mn-0.94%Cr-0.17%Mo。通過(guò)金相試驗(yàn)、SEM觀察、XRD探測(cè)等實(shí)驗(yàn)探究其微觀組織。M42高強(qiáng)螺栓從表層到心部均為回火索氏體為主的組織,從1/4處開(kāi)始出現(xiàn)少量的貝氏體組織,鋼中夾雜物成分有Al_2O_3/MgO和SiO_2/Al_2O_3等。硬度試驗(yàn)結(jié)果表明M42試樣由外到內(nèi)硬度分布寬度逐漸變大,但平均硬度變化不大,平均硬度為333(±16)HV;小樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明M42取樣后的平均屈服強(qiáng)度為964MPa,抗拉強(qiáng)度為1062MPa,延伸率為15.6%,與出廠值相比,屈服強(qiáng)度高約100MPa,抗拉強(qiáng)度相當(dāng),延伸率略高。大螺栓的整體拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示:M42螺栓整體拉伸曲線無(wú)屈服平臺(tái),為連續(xù)屈服。M42屈服強(qiáng)度為989MPa,抗拉強(qiáng)度1083MPa,均勻延伸率4.3%。M42高強(qiáng)螺栓的屈強(qiáng)比為0.91。根據(jù)三種淬火溫度與四種回火工藝交叉組合成十二種不同的調(diào)質(zhì)工藝,通過(guò)金相試驗(yàn)、SEM掃描探究在不同的調(diào)質(zhì)工藝下M42高強(qiáng)螺栓的顯微組織,通過(guò)硬度試驗(yàn)、常溫下的夏比沖擊試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn),分別得到硬度數(shù)據(jù)、沖擊韌度以及拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線等力學(xué)性能數(shù)據(jù),并對(duì)沖擊斷口進(jìn)行宏觀觀察與微觀分析,結(jié)合數(shù)據(jù)確定材料最佳強(qiáng)度與塑性相結(jié)合的綜合機(jī)械性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,在淬火溫度為900℃回火溫度為600℃的調(diào)質(zhì)工藝下,42CrMo高強(qiáng)鋼的綜合機(jī)械性能達(dá)到最優(yōu),硬度為325.2HV,屈服強(qiáng)度為956MPa,抗拉強(qiáng)度為1060MPa,延伸率為15.8%,沖擊功為69J。選取M42高強(qiáng)螺栓制成疲勞試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn),通過(guò)探究?jī)煞N應(yīng)力水平與應(yīng)力幅值下高強(qiáng)螺栓的疲勞壽命變化與S-N曲線�？梢缘贸鼋Y(jié)論:疲勞強(qiáng)度隨著平均應(yīng)力的增大,呈現(xiàn)下降趨勢(shì),80%屈服強(qiáng)度平均應(yīng)力水平下,其疲勞強(qiáng)度(應(yīng)力幅值)為450MPa,85%屈服強(qiáng)度水平下疲勞強(qiáng)度為350MPa。通過(guò)對(duì)疲勞斷口進(jìn)行分析可以看出隨著應(yīng)力水平增大,斷口疲勞源面積逐漸增大,且達(dá)到一定的疲勞壽命,終斷區(qū)會(huì)出現(xiàn)疲勞條帶。通過(guò)有限元仿真模擬對(duì)高強(qiáng)螺栓受力進(jìn)行分析,得到的結(jié)論是進(jìn)行仿真分析時(shí)螺栓的最大應(yīng)力應(yīng)變位置是螺栓與螺母嚙合的第一扣螺紋處。疲勞分析的結(jié)果也表明在循環(huán)載荷作用后,經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)后,發(fā)生斷裂的部位也是螺栓與螺母嚙合的第一扣螺紋處。
【圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文加工過(guò)程中產(chǎn)生尺寸偏差、形狀不規(guī)整而造成偏心栓頭部與桿部連接的圓角處[65]。體收到軸向拉伸載荷作用時(shí)，螺栓各扣螺紋受力并的螺紋受力是最大的，往下各扣螺紋受力則依次減束較小，因此容易產(chǎn)生變形導(dǎo)致的根部應(yīng)力松弛。并不發(fā)生在名義上受力最大的第一階螺紋，而是發(fā)某處或應(yīng)力狀態(tài)較緊的第二階螺紋底部[66]。

在作業(yè)完成之后，進(jìn)行最后的結(jié)果顯示，在其中進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)查看；(11)草圖 Sketch本文利用 ABAQUS 軟件計(jì)算螺栓在軸向載荷下的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果是進(jìn)行疲勞有所需要的。應(yīng)用專業(yè)的疲勞軟件 Fe-safe 進(jìn)行高強(qiáng)螺栓的疲勞壽命分析，第一步進(jìn)數(shù)設(shè)置，將 ABAQUS軟件計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入 FE-SAFE，其中將最后螺栓最后承受的(工作載荷)進(jìn)行導(dǎo)入并將最后一步載荷進(jìn)行循環(huán)，定義最高循環(huán)次數(shù)為 107次[79-81-safe 中疲勞壽命的設(shè)置的方法多種，既可以應(yīng)用軟件中本身攜帶的材料庫(kù)，大多見(jiàn)材料均可在材料庫(kù)中找到其疲勞壽命曲線，也可以用戶根據(jù)自己實(shí)際測(cè)得的 線來(lái)進(jìn)行定義。這里使用螺栓材料 42CrMoA 在疲勞試驗(yàn)中的結(jié)果。設(shè)置螺栓螺母機(jī)體的材料，設(shè)置材料屬性后選擇疲勞準(zhǔn)則為 Morrow 準(zhǔn)則[82]。因?yàn)槁菟ㄔ趯?shí)際中受到為軸向力并且均為拉應(yīng)力，所以疲勞性質(zhì)屬于拉-拉疲勞。螺栓是船用低速使用的螺栓，所以頻率較低不用考慮頻率的影響，在有限元結(jié)果下對(duì)工作載荷進(jìn)環(huán)。定義加載的載荷為 0-F1 的一個(gè)加載循環(huán)軟件中輸入加載系數(shù)計(jì)算后的結(jié)果在元軟件中直接打開(kāi)，，如圖 1.2所示[83]；
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG156;TH131.3

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本文編號(hào)：2605207