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  不銹鋼U型螺栓斷裂失效機理分析與研究

  進入21世紀，火電廠用水問題日益突出，大力發展空冷機組，可比濕冷機組節約2/3以上的耗水。近年來，空冷風機的安全運行問題一直困擾著電力行業，若空冷風機發生問題而停運，將影響機組的真空，根據經驗值，真空每下降 1 000 Pa，發電煤耗將增加 2 g/k W·h，空冷機組的安全穩定運行顯得尤為重要。某電廠300MW機組空冷島風機(圖一)發生失效斷裂，嚴重影響了機組安全穩定運行，本文通過對失效的U型螺栓進行了金相、力學等實驗，分析了該螺栓失效的原因，同時進行了應力計算，全方面的剖析了失效的機理并給出了建議。

  1 試驗材料與方法

  1.1試驗材料

  本文研究的失效螺栓的材料為40Cr，運行時間約為5.1萬小時，其化學成分見表1-1。拉伸試驗為φ5mm的棒狀拉伸試樣，沖擊試驗的試樣規格為55×10×10mm、U型缺口深度為的2mm。

  1.2 試樣制備

  用線切割機將斷口切割下來，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，試樣不應該有尖銳毛刺等缺陷存在;使用砂輪機將斷面打平，并且用不同粗細的砂紙進行研磨，最后使用機械拋光并用4%硝酸酒精腐蝕，制備金相試樣。

  1.3 分析測試方法

  利用 Zeiss Supra40 型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌; 用 MH-3 型顯微硬度計測試斷口附近硬度，測試硬度梯度時選用的檢測加載力為 200 g，加載時間為 5 s，利用臺式顯微鏡進行金相組織觀察，使用拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，沖擊試驗在擺錘式沖擊試驗機上進行。

  2試驗結果與分析

  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 個區域，即疲勞源區、疲勞擴展區和瞬斷區。疲勞擴展區斷面比較平整，呈淺灰色，瞬斷區與橫截面約成 45 °，斷面粗糙，色澤灰暗。根據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，說明從疲勞源開始起裂，疲勞逐漸擴展，速率逐漸增加[[1]]。U型螺栓在長期運行中受葉片重力、離心力等應力作用，裂紋逐漸擴展，有效承載面積逐漸減小，最終瞬間撕裂失效。

  2.2化學成分分析

  在螺栓斷口附近取樣進行化學成分分析，結果見表2-1，結果符合GB/T 3077-1999[[2]]中規定的40Cr的化學成分要求。

  2.3室溫力學性能試驗

  表2-2為螺栓室溫拉伸試驗結果，由表中可見，樣品螺栓的抗拉強度、屈服強度均低于標準GB/T 3077規定值。

  注：表中GB/T 3077規定40Cr合金屈服強度≥785MPa，而測試過程中無明顯屈服現象，記錄值規定非比例延伸強度Rp0.2僅做參考。

  2.4顯微硬度試驗

  對1號螺栓分別選取試樣進行顯微硬度試驗，并將顯微硬度試驗值轉換為布氏硬度值，結果見表2-3，從表中可以看出心部硬度明顯比邊緣高，使得整個螺栓的脆性增加。

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