【摘要】：低速柴油機螺栓的疲勞強度直接關系到低速機的安全性與穩(wěn)定性,開展相關螺栓用材和螺栓結構的疲勞強度分析和優(yōu)化研究對低速柴油機總體疲勞強度設計、性能優(yōu)化具有十分重要的意義。本課題開展的研究工作,一方面通過試驗分析獲得螺栓材料與典型零件的組織與常規(guī)力學性能,為進行螺栓疲勞強度分析、優(yōu)化和壽命預測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間等),以獲得最佳的顯微組織與力學性能。另外,對現(xiàn)有低速機螺栓用42CrMo鋼進行疲勞試驗,探究不同應力水平對高強螺栓疲勞壽命的影響并對疲勞斷裂機理進行分析。首先對來樣螺栓進行理化檢驗,來樣螺栓直徑為42mm的M42型,該螺栓以及配套螺母的化學成分分別為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。通過金相試驗、SEM觀察、XRD探測等實驗探究其微觀組織。M42高強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。硬度試驗結果表明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;小樣拉伸試驗結果表明M42取樣后的平均屈服強度為964MPa,抗拉強度為1062MPa,延伸率為15.6%,與出廠值相比,屈服強度高約100MPa,抗拉強度相當,延伸率略高。大螺栓的整體拉伸試驗結果顯示:M42螺栓整體拉伸曲線無屈服平臺,為連續(xù)屈服。M42屈服強度為989MPa,抗拉強度1083MPa,均勻延伸率4.3%。M42高強螺栓的屈強比為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,通過金相試驗、SEM掃描探究在不同的調(diào)質(zhì)工藝下M42高強螺栓的顯微組織,通過硬度試驗、常溫下的夏比沖擊試驗、拉伸試驗,分別得到硬度數(shù)據(jù)、沖擊韌度以及拉伸應力應變曲線等力學性能數(shù)據(jù),并對沖擊斷口進行宏觀觀察與微觀分析,結合數(shù)據(jù)確定材料最佳強度與塑性相結合的綜合機械性能。根據(jù)試驗結果,在淬火溫度為900℃回火溫度為600℃的調(diào)質(zhì)工藝下,42CrMo高強鋼的綜合機械性能達到最優(yōu),硬度為325.2HV,屈服強度為956MPa,抗拉強度為1060MPa,延伸率為15.8%,沖擊功為69J。選取M42高強螺栓制成疲勞試樣進行疲勞試驗,通過探究兩種應力水平與應力幅值下高強螺栓的疲勞壽命變化與S-N曲線�？梢缘贸鼋Y論:疲勞強度隨著平均應力的增大,呈現(xiàn)下降趨勢,80%屈服強度平均應力水平下,其疲勞強度(應力幅值)為450MPa,85%屈服強度水平下疲勞強度為350MPa。通過對疲勞斷口進行分析可以看出隨著應力水平增大,斷口疲勞源面積逐漸增大,且達到一定的疲勞壽命,終斷區(qū)會出現(xiàn)疲勞條帶。通過有限元仿真模擬對高強螺栓受力進行分析,得到的結論是進行仿真分析時螺栓的最大應力應變位置是螺栓與螺母嚙合的第一扣螺紋處。疲勞分析的結果也表明在循環(huán)載荷作用后,經(jīng)過一定次數(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】：

哈爾濱工程大學碩士學位論文加工過程中產(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，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)生變形導致的根部應力松弛。并不發(fā)生在名義上受力最大的第一階螺紋，而是發(fā)某處或應力狀態(tài)較緊的第二階螺紋底部[66]。

在作業(yè)完成之后，進行最后的結果顯示，在其中進行相關的數(shù)據(jù)查看；(11)草圖 Sketch本文利用 ABAQUS 軟件計算螺栓在軸向載荷下的結果，這個結果是進行疲勞有所需要的。應用專業(yè)的疲勞軟件 Fe-safe 進行高強螺栓的疲勞壽命分析，第一步進數(shù)設置，將 ABAQUS軟件計算的結果導入 FE-SAFE，其中將最后螺栓最后承受的(工作載荷)進行導入并將最后一步載荷進行循環(huán)，定義最高循環(huán)次數(shù)為 107次[79-81-safe 中疲勞壽命的設置的方法多種，既可以應用軟件中本身攜帶的材料庫，大多見材料均可在材料庫中找到其疲勞壽命曲線，也可以用戶根據(jù)自己實際測得的 線來進行定義。這里使用螺栓材料 42CrMoA 在疲勞試驗中的結果。設置螺栓螺母機體的材料，設置材料屬性后選擇疲勞準則為 Morrow 準則[82]。因為螺栓在實際中受到為軸向力并且均為拉應力，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，在有限元結果下對工作載荷進環(huán)。定義加載的載荷為 0-F1 的一個加載循環(huán)軟件中輸入加載系數(shù)計算后的結果在元軟件中直接打開，，如圖 1.2所示[83]；
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TG156;TH131.3

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本文編號：2605207