断裂力学试验方案及安全设计改进措施

吊环的断裂问题在国外也是存在的，而且也未能很好解决。以美国BJ公司为例，在其综合样本中，只是凭经验以磨损量作为控制吊环安全使用的标准，防止吊环断裂的发生。由于磨损量和吊环的疲劳断裂之间无定量关系可寻，而且由于吊环减轻重量的需要，钢材的使用强度级别提高，磨损量显著下降，这种检验方法则更难保证安全。可见，吊环的安全可靠性问题迄今没有得到科学的合理的解决。如果我们能通过试验研究，解决吊环安全使用寿命的预测问题，并建立起一整套从生产到现场使用的裂纹检测制度，那么，就能在保证安全可靠的前提下，使吊环有最大限度的使用寿命，做到物尽其用。这样，我国吊环的生产和使用水平就会大大向前发展一步。

图6 疲劳区电镜断口照片（2000×）

图7 瞬断区电镜断口照片（2000×）

近二十年来，断裂力学的研究，以及相应的材料性能指标断裂韧性的建立，给零件的防止脆断设计提供了新的断裂韧性判据，有效地解决了带缺陷（裂纹）零件的断裂强度计算问题。断裂力学在疲劳中的应用，建立了疲劳裂纹亚临界扩展速率和应力强度因子幅度之间的函数关系，则解决了传统的疲劳方法所不能解决的带缺陷（裂纹）零件的剩余寿命计算问题，因而能预测带裂纹（缺陷）零件的疲劳寿命。

断裂力学的研究成果为解决吊环的安全可靠性问题提供了有效的途径。如果我们测得了吊环用钢的断裂韧性K_IC值，同时又计算出了吊环的危险断面上应力强度因子K_I随裂纹长度的变化规律，那么就可以计算出在吊环所允许承受的最大负荷下发生断裂的临界裂纹尺寸；如果我们再测定出吊环用钢的疲劳裂纹扩展速度和应力强度因子幅度之间的关系，则可计算出吊环使用中当出现裂纹后发展到临界裂纹尺寸的应力循环周次（使用时间），从而解决吊环的安全使用寿命预测问题。同时，在疲劳裂纹扩展速率的测定中，还可以求得一个“临界应力强度因子幅度ΔK_th”值的量，它是和疲劳条件下的非扩张裂纹有关的，有了它则可计算出吊环中所允许存在的非扩张裂纹尺寸的大小，为生产中吊环的检验提供定量的标准。为此我们把断裂力学的试验、分析和计算方法用于吊环，进行了下列三方面的工作：(www.xing528.com)

（1）吊环用钢的性能试验20SiMn2MoVA钢的断裂韧性K_IC、裂纹扩张速率da/dN以及断口形貌转化温度FATT等断裂力学性能指标的测定。

（2）吊环小环部危险断面的应力强度因子K_I有限元计算（考虑到实物实验的可能性，选择了吨位最小的YH50吨吊环）。

（3）吊环的实物试验：包括吊环K_I计算和剩余寿命计算结果的验证，以及喷丸强化对吊环疲劳寿命的影响。

在上述试验研究的基础上，提出为确保吊环安全可靠在设计、材料、工艺方面的改进措施，以及试验研究结果用于现场使用吊环的检测规范。应该指出，本工作现在尚未全部完成，故这里所写的仅是初步阶段小结。