低速柴油机螺栓热处理工艺的探索与疲劳行为分析

发布时间：2020-03-29 01:19

【摘要】：低速柴油机螺栓的疲劳强度直接关系到低速机的安全性与稳定性,开展相关螺栓用材和螺栓结构的疲劳强度分析和优化研究对低速柴油机总体疲劳强度设计、性能优化具有十分重要的意义。本课题开展的研究工作,一方面通过试验分析获得螺栓材料与典型零件的组织与常规力学性能,为进行螺栓疲劳强度分析、优化和寿命预测提供所需要的基本性能参数;另一方面,从螺栓出厂的热处理工艺入手,探究出最佳的调质工艺(包括淬火温度、回火温度以及回火保温时间等),以获得最佳的显微组织与力学性能。另外,对现有低速机螺栓用42CrMo钢进行疲劳试验,探究不同应力水平对高强螺栓疲劳寿命的影响并对疲劳断裂机理进行分析。首先对来样螺栓进行理化检验,来样螺栓直径为42mm的M42型,该螺栓以及配套螺母的化学成分分别为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。通过金相试验、SEM观察、XRD探测等实验探究其微观组织。M42高强螺栓从表层到心部均为回火索氏体为主的组织,从1/4处开始出现少量的贝氏体组织,钢中夹杂物成分有Al_2O_3/MgO和SiO_2/Al_2O_3等。硬度试验结果表明M42试样由外到内硬度分布宽度逐渐变大,但平均硬度变化不大,平均硬度为333(±16)HV;小样拉伸试验结果表明M42取样后的平均屈服强度为964MPa,抗拉强度为1062MPa,延伸率为15.6%,与出厂值相比,屈服强度高约100MPa,抗拉强度相当,延伸率略高。大螺栓的整体拉伸试验结果显示:M42螺栓整体拉伸曲线无屈服平台,为连续屈服。M42屈服强度为989MPa,抗拉强度1083MPa,均匀延伸率4.3%。M42高强螺栓的屈强比为0.91。根据三种淬火温度与四种回火工艺交叉组合成十二种不同的调质工艺,通过金相试验、SEM扫描探究在不同的调质工艺下M42高强螺栓的显微组织,通过硬度试验、常温下的夏比冲击试验、拉伸试验,分别得到硬度数据、冲击韧度以及拉伸应力应变曲线等力学性能数据,并对冲击断口进行宏观观察与微观分析,结合数据确定材料最佳强度与塑性相结合的综合机械性能。根据试验结果,在淬火温度为900℃回火温度为600℃的调质工艺下,42CrMo高强钢的综合机械性能达到最优,硬度为325.2HV,屈服强度为956MPa,抗拉强度为1060MPa,延伸率为15.8%,冲击功为69J。选取M42高强螺栓制成疲劳试样进行疲劳试验,通过探究两种应力水平与应力幅值下高强螺栓的疲劳寿命变化与S-N曲线。可以得出结论:疲劳强度随着平均应力的增大,呈现下降趋势,80%屈服强度平均应力水平下,其疲劳强度(应力幅值)为450MPa,85%屈服强度水平下疲劳强度为350MPa。通过对疲劳断口进行分析可以看出随着应力水平增大,断口疲劳源面积逐渐增大,且达到一定的疲劳寿命,终断区会出现疲劳条带。通过有限元仿真模拟对高强螺栓受力进行分析,得到的结论是进行仿真分析时螺栓的最大应力应变位置是螺栓与螺母啮合的第一扣螺纹处。疲劳分析的结果也表明在循环载荷作用后,经过一定次数的循环后,发生断裂的部位也是螺栓与螺母啮合的第一扣螺纹处。
【图文】：

哈尔滨工程大学硕士学位论文加工过程中产生尺寸偏差、形状不规整而造成偏心栓头部与杆部连接的圆角处[65]。体收到轴向拉伸载荷作用时，螺栓各扣螺纹受力并的螺纹受力是最大的，往下各扣螺纹受力则依次减束较小，因此容易产生变形导致的根部应力松弛。并不发生在名义上受力最大的第一阶螺纹，而是发某处或应力状态较紧的第二阶螺纹底部[66]。

在作业完成之后，进行最后的结果显示，在其中进行相关的数据查看；(11)草图 Sketch本文利用 ABAQUS 软件计算螺栓在轴向载荷下的结果，这个结果是进行疲劳有所需要的。应用专业的疲劳软件 Fe-safe 进行高强螺栓的疲劳寿命分析，第一步进数设置，将 ABAQUS软件计算的结果导入 FE-SAFE，其中将最后螺栓最后承受的(工作载荷)进行导入并将最后一步载荷进行循环，定义最高循环次数为 107次[79-81-safe 中疲劳寿命的设置的方法多种，既可以应用软件中本身携带的材料库，大多见材料均可在材料库中找到其疲劳寿命曲线，也可以用户根据自己实际测得的 线来进行定义。这里使用螺栓材料 42CrMoA 在疲劳试验中的结果。设置螺栓螺母机体的材料，设置材料属性后选择疲劳准则为 Morrow 准则[82]。因为螺栓在实际中受到为轴向力并且均为拉应力，所以疲劳性质属于拉-拉疲劳。螺栓是船用低速使用的螺栓，所以频率较低不用考虑频率的影响，在有限元结果下对工作载荷进环。定义加载的载荷为 0-F1 的一个加载循环软件中输入加载系数计算后的结果在元软件中直接打开，，如图 1.2所示[83]；
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG156;TH131.3

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本文编号：2605207