U型螺栓疲劳断裂分析

U型螺栓疲劳断裂原因分析

问题描述：8月31日反馈断裂9月9日反馈断裂断口断口

断口状态：8月31日反馈的断口状态9月9日反馈的断口状态

断口分析：根据断裂力学的相关文献记载，疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同，一般脆性破坏的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射性和年轮状花纹。

疲劳断裂分为三个阶段形成：①裂纹形成阶段②裂纹扩展阶段③

疲劳断裂阶段疲劳断口又分为三部分组成：①疲劳源区②疲劳扩展区③疲劳瞬断区①

疲劳源区（裂纹形成阶段）②

疲劳扩展区（裂纹扩展阶段）③疲劳瞬断区（疲劳断裂阶段）

断口判定：根据上面相关文献所描述，以下两种断裂状态符合疲劳断裂的形态。①疲劳源区（裂纹形成阶段）②疲劳扩展区（裂纹扩展阶段）③疲劳瞬断区（疲劳断裂阶段）①

疲劳源区（裂纹形成阶段）②疲劳扩展区（裂纹扩展阶段）③疲劳瞬断区（疲劳断裂阶段）

疲劳的基本概念：材料在循环应力和应变作用下，在应力集中部位逐渐产生局部永久性累积损伤。或受外部影响在应力集中部位产生的表面损伤，经一定负载循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。疲劳对材料表面缺陷十分敏感，如腐蚀磕碰处在连续交变荷载作用下，会在缺陷部位逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后被破坏。疲劳寿命：

疲劳破坏时所经历的应力、应变循环次数。一般发生在轴臂和圆角处应力较为集中的部位。疲劳极限：指定基数下的中值疲劳强度，对当循环基数为其他值时，称为该循环基数下的条件疲劳极限，有时简称为该循环基数下的疲劳强度。疲劳的分类：

根据循环荷载的幅值和频率，疲劳可以分为等幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳;根据材料破坏前所经历的循环次数(即寿命)以及疲劳荷载的应力水平，疲劳又可以分为高周疲劳、低周疲劳和亚临界疲劳。等幅疲劳的特点：材料在恒定、连续重复荷载的循环作用下裂纹生成、拓展以致断裂破坏的现象。等幅疲劳重复荷载的数值不随时间变化，所有应力循环内的应力幅保持常量。容许应力幅：当材料受力部位的设计应力幅小于等于容许应力幅时，不会发生疲劳破坏。容许应力幅的计算公式：[△σ]：应力幅；n

:循环次数；c:材料参数；β:材料参数容许应力幅△σ与应力循环次数n的关系：△σ越大，破坏时循环次数n越少；△σ越小，破坏时循环次数n越多；各类结构和连接类别的△σ-N曲线：σmax每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正直）；σmax每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（取负直）；设计应力幅的取值：容许应力幅模拟计算：例如：已知钢筋受轴心拉力，截面为φ14，材料40Cr，硬度27-32HRC，性能等级9.8级，抗拉强度≥900Mpa=138KN，保证应力≥650Mpa=100KN。1、假设，材料承受重复负载，循环次数为n=106次。2、假设，材料质量等级一级，计算疲劳时属于第3类。【解】由表2.1，查得C=3.26×1012

，

β=3当

n=106次时的容许应力幅为：计算应力部位的设计应力幅：假设，荷载标准值Nmax=20KN，Nmin=-2KN。△σ设计应力幅<[△σ]容许应力幅，因此疲劳强度满足要求。U型螺栓轴向拉力应力集中点高周等幅循环受力面杠杆重心磕碰腐蚀点145mmU型螺栓受力分析：1、假设，轴向拉力：20000N；径向受力：2000N；当受力面重心偏移时，轴向拉力和径向受力将随之增加；2、假设，应力集中点内侧受空间及外部因素因素产生磕碰或腐蚀，此时将给疲劳源区的生成创造条件；3、当受力面重心偏移，应力点产生磕碰腐蚀，此时容许应力幅将大幅度下降，造成设计应力幅的疲劳强度无法满足要求。U型螺栓疲劳失效产生分析：空间太小，存在摩擦磕碰零件多处产生摩擦磕碰腐蚀点U型螺栓疲劳失效产生分析：装配结构受力面重心偏移后的压痕受力面重心偏移后的压痕受力面偏移

两边不对称最终结论：根据我公司对故障件进行常规检测后，其材质、性能、硬度、金相组织均能符合设计要求。（详见附件：检测记录照片）最终我们根据贵公司所寄故障件的断口失效形态，以及贵公司所传递的现场装配部位照片，最后结合相关文献分析后发现如下几点问题：

1、装配过渡空间太小