电磁热效应裂纹止裂的实验研究

通过本文给出的实验表明:利用电磁场的热效应对载流导体中的裂纹进行止裂是一种行之有效的方法.在电磁场作用瞬间,由于裂尖处的热集中效应,能够使其在附近一定范围内熔化形成微小焊口.由此,裂纹前缘处的曲率半径增加了2~3个数量级.同时,细化了裂纹前缘的显微组织,提高了材抖的韧性,显著地减少了应力集中,阻止了干线裂纹源的形成,可有效地遏制了裂纹的扩展.文中介绍了实验原理、方法和结果;讨论了一些参数之间的关系.     

电磁热效应止裂效果与裂纹走向关系的研究

采用理论、实验与数值分析的方法研究了在电磁热效应裂纹止裂中,由于裂纹走向不同导致裂纹尖端的温度场、温度梯度场分布状态的不同,并定量计算了它们的分布规律和差值.数值模拟计算应用了耦合场理论中热-电耦合(焦耳热问题)的分析方法.三方面的研究结果均表明:在裂纹尖端处,由于电流产生的焦耳热源的作用,能够在很小的范围内熔化形成微小的焊口,遏制了裂纹的扩展;裂纹的走向是影响裂纹尖端温度场数值和温度梯度场变化即电磁热效应裂纹止裂效果的主要因素之一.     

T10钢金属模具中裂纹电磁热止裂的实验研究

自主设计了改进型ZL-2超强脉冲电流发生装置,采用它对T10金属模具钢中裂纹进行脉冲放电止裂。放电时裂纹尖端熔化形成堆焊和高压应力区,使裂纹尖端钝化,达到了止裂的目的。由于脉冲放电超快速加热和冷却,在裂纹尖端处实现了冲击淬火,得到了超细化的隐晶马氏体和细粒碳化物等微观组织,同时围绕裂纹尖端形成了白亮层组织,提高了裂纹尖端处的硬度、强韧性和耐磨性,实验结果验证了理论研究和数值模拟的结果,为将电磁热裂纹止裂技术应用到金属模具裂纹止裂中,进行了基础实验工艺的研究工作。     

高压脉冲放电技术在金属裂纹止裂中的应用

如何产生高强度脉冲电流是应用电磁热效应遏制金属裂纹研究的一个关键问题。本文介绍了高压脉冲放电装置的工作原理;从理论上分析了充电电压、回路参数与放电电流幅值、放电周期之间的关系。在此基础上,自主设计、开发了一套高压脉冲放电装置。采用它对金属模具钢中裂纹进行了脉冲放电止裂实验。放电时裂纹尖端熔化形成堆焊和高压应力区,使裂纹尖端钝化,达到了止裂的目的。由于脉冲放电快速加热和冷却,在裂纹尖端处实现了冲击淬火,得到了超细化的隐晶马氏体和细粒碳化物等微观组织,提高了裂纹尖端处的硬度、强韧性和耐磨性,试验结果验证了该装置的有效性,本文的成果为采用电磁热效应对金属模具裂纹止裂提供了实验技术基础。     

含埋藏椭圆形裂纹金属构件电磁热止裂时热应力场分析

对带有椭圆埋藏裂纹金属构件在脉冲放电瞬间的热应力场进行了理论分析.在热应力场的求解中,利用了热传导和非定常热应力理论,由求解的热应力场公式发现:在脉冲放电瞬间,电磁热在裂纹尖端形成热压应力场,热压力场可有效地抑制裂纹的扩展.以Cr12MoV模具钢中埋藏椭圆裂纹止裂为例,具体计算了脉冲放电瞬间的热应力场分布情况,为空间裂纹电磁热止裂技术的实际应用提供了理论基础.     

绕裂尖白亮层的形成及其止裂作用分析

应用电磁热效应对带有裂纹的金属导体通入脉冲电流进行止裂,在裂纹尖端处熔化形成钝化焊口的同时,围绕裂尖的很小范围内形成一白亮层．分析表明：白亮层的形成对裂纹的扩展起到了屏蔽和防止应力腐蚀的作用,进一步提高了钝化止裂的效果．     

PMMA材料裂纹动态扩展及止裂研究

PMMA俗称有机玻璃,是一种用途十分广泛的工程材料,其裂纹动态扩展及止裂是工程应用研究的难点问题.以SHPB为动态加载装置,通过实验和仿真研究了含圆孔PMMA板的单边裂纹动态扩展问题,模拟结果与裂纹动态实验结果的对比验证了仿真模型的有效性.在此基础上,研究了PMMA板中的圆孔半径、预裂纹长度、止裂孔半径、止裂孔与裂纹尖端竖直位移等因素对裂纹扩展的影响.研究结果表明,圆孔半径和预裂纹长度对裂纹的起始扩展时间有明显影响,在裂纹尖端设置止裂孔可以有效地抑制裂纹的扩展,并且止裂孔半径、止裂孔与裂纹尖端竖直位移对止裂效果有显著影响.本文研究结果对PMMA材料工程应用有一定的参考价值.     

GCr15凹模环形裂纹电磁热局部跨越止裂的模拟研究

裂纹止裂技术是当前工业生产和实际应用中急需解决的关键问题;利用电磁热效应对带有裂纹的金属构件进行止裂,是达到延长工作寿命、提高安全性可靠性的一种行之有效的方法;本文采用有限元方法研究了带有半埋藏环形裂纹的轴对称GCr15凹模电磁热局部跨越止裂;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电场、温度场和热应力场的耦合关系。数值模拟分成热-电耦合(焦耳热问题)和热-机械耦合两个过程来实现,通过数值解析轴对称模型,给出了脉冲放电瞬间GCr15凹模中的电流-温度-热应力的求解过程,得到了脉冲放电瞬间半埋藏环形裂纹局部跨越止裂时凹模的温度场和热应力场。数值模拟研究结果表明:由于热集中效应,在放电瞬间裂纹尖端金属熔化,并形成局部堆焊,阻止了干线裂纹源的开裂,达到了止裂的目的。     

脉冲放电止裂后裂尖处纳米尺度下的力学性能测试

应用扫描探针显微镜SPM(scanning Probe Microscopy),对经过脉冲放电止裂后的40Cr模具钢裂尖处的组织进行了纳米尺度下的力学性能测试。测试结果表明：脉冲放电不仅使裂纹尖端钝化,同时使围绕裂尖处组织的细观硬度和细观杨氏弹性模量得到了提高,与宏观观测和分析规律相符,纳米尺度下微观力学性能测试结果为脉冲放电裂纹止裂技术的工程应用提供了微观尺度下的证据。     

带有半埋藏空间裂纹的Cr12构件电磁热止裂分析

对带有半埋藏环形裂纹的Cr12标准拉伸试件进行了电磁热止裂研究.通过ZL-2型放电装置实现了半埋藏空间裂纹的止裂实验,采用微机控制电子万能试验机完成了止裂前后试件拉伸性能测试,同时计算了电磁热止裂前后应力强度因子的变化;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电流绕流、温度场和热应力场的数值分析模型,通过热-电耦合和热-机械耦合两个过程得到了脉冲放电瞬间拉伸试件中的电流矢量场、温度场和热应力场.研究表明:脉冲电流放电瞬间,围绕裂纹尖端金属熔化,钝化了裂尖,并围绕裂尖形成了热压应力场,得到了超细化的金属组织,止裂后抗拉强度得到了提高,达到了止裂的目的.     

具有半边裂纹导电薄板放电瞬间的温度场数值模拟

采用数值模拟方法 ,模拟计算了具有半边裂纹的导电薄板在放电瞬间的温度场分布。计算结果表明 :在裂纹尖端附近由于电磁热的集中效应 ,可使材料熔化形成焊口 ,裂纹尖端处的曲率半径显著增大 ,并且焊口的温度分布与形状是不完全对称的。裂纹尖端焊口形状的模拟计算结果与试验结果非常吻合。从温度梯度的分布结果可知 ,裂纹前缘附近在放电过程中将产生很大的压应力 ,可显著减少甚至是消除裂纹前缘处的扩展应力数值 ,抑制了裂纹主干线的形成 ,可达到遏制裂纹扩展的目的     

带有两个共线裂纹载流薄板温度场的复变函数解

采用复变函数方法对带有两个共线穿透裂纹的导电薄板，在瞬间电流作用下的温度场进行了计算。针对带有两个共线裂纹或夹杂的载流薄板形成了边值问题，给出封闭形式的解，得到了电流在裂纹尖端的奇异特征。在形成了点热源的基础上，导出裂纹端附近区域的温度场表达式，为计算裂纹尖端附近应力场打下了基础。     

载流板中半无限裂纹形成瞬间尖端域的应力场

给出载流无限大薄板在形成半无限长裂纹的瞬间,尖端附近的温度和应力的具体表达式。通过算例表明：在电流所产生的焦耳热源的作用下,裂尖区域处的温度将瞬时升高,并伴有压应力的产生,从而可达到阻裂纹扩展的目的。     

气动力⁃安培力⁃谐波激励作用下载流导线的非线性振动特征

研究了气动力-安培力-受迫激励联合作用下载流新月形覆冰导线的振动特征,在传统只考虑安培力的载 流导线振动方程中引入了气动力和受迫激励项,使得模型更加符合实际工程．首先建立了载流新月形覆冰输电 导线模型,接着推导了载流覆冰导线模型的振动方程,利用Galerkin方法将该振动方程转变为有限维度的常微 分方程,采用多尺度法进行摄动求解,求得幅-频响应函数,并对比分析主共振情况下考虑气动力与不考虑气 动力时载流、间距、风速、张力、激励幅值对振动幅值的影响．研究结果表明：考虑气动力的振动幅值较未考 虑气动力时小．各线路参数对导线的幅值都有一定程度的影响,并且使系统表现出明显的软弹簧特征和复杂的 动力学行为．本文研究成果能为实际工程提供一定参考价值     

Mode I crack tip field with strain gradient effects

A plane strain mode I crack tip field with strain gradient effects is investigated. A new strain gradient theory is used. An elastic-power law hardening strain gradient material is considered and two hardening laws, i. e. a separation law and an integration law are used respectively. As for the material with the separation law hardening, the angular distributions of stresses are consistent with the HRR field, which differs from the stress results^[19]; the angular distributions of couple stresses are the same as the couple stress results^[19]. For the material with the integration law hardening, the stress field and the couple stress field can not exist simultaneously, which is the same as the conclusion^[19], but for the stress dominated field, the angular distributions of stresses are consistent with the HRR field; for the couple stress dominated field, the angular distributions of couple stresses are consistent with those in Ref. [19]. However, the increase in stresses is not observed in strain gradient plasticity because the present theory is based on the rotation gradient of the deformation only, while the crack tip field of mode I is dominated by the tension gradient, which will be shown in another paper. Supported by the National Science Foundation of China (No. 19704100), Science Foundation of Chinese Academy of Sciences (Project KJ951-1-20), CAS K. C. Wong Post-doctoral Research Award Fund and the Post Doctoral Science Fund of China.     

三维复合型断裂的试验方法探讨

探讨了一种能够揭示三维复合型断裂现象并能记录这些现象的三维复合型断裂研究的实验方法,用此方法完成了LC4－CS航空结构铝合金不同厚度紧凑拉伸试样的I＋Ⅱ复合型断裂试验。结果表明：此方法能够简便地确定出复合型裂纹的起裂载荷、破坏载荷、裂尖张开位移、滑移位移和起裂角,基本解决三维复合型断裂研究所需实验数据问题。同时发现此种材料试样的承载能力和超裂方向的确具有明显的厚度效应。     

电磁场中载流薄板的弯曲行为分析

在建立载流薄板的非线性磁弹性运动方程、电动力学方程和Lorentz力表达式的基础上,通过变量代换,将描述薄板的磁弹性状态方程整理成含有10个基本函数的标准Cauchy型.采用差分法及准线性化方法,将标准Cauchy型非线性偏微分方程组,变换成为能够用离散正交法求解的准线性微分方程组.通过算例,得到了电磁场与机械载荷联合...     

Mode I and mode II crack tip asymptotic fields with strain gradient effects

The strain gradient effect becomes significant when the size of fracture process zone around a crack tip is comparable to the intrinsic material lengthl, typically of the order of microns. Using the new strain gradient deformation theory given by Chen and Wang, the asymptotic fields near a crack tip in an elastic-plastic material with strain gradient effects are investigated. It is established that the dominant strain field is irrotational. For mode I plane stress crack tip asymptotic field, the stress asymptotic field and the couple stress asymptotic field can not exist simultaneously. In the stress dominated asymptotic field, the angular distributions of stresses are consistent with the classical plane stress HRR field; In the couple stress dominated asymptotic field, the angular distributions of couple stresses are consistent with that obtained by Huang et al. For mode II plane stress and plane strain crack tip asymptotic fields, only the stress-dominated asymptotic fields exist. The couple stress asymptotic field is less singular than the stress asymptotic fields. The stress asymptotic fields are the same as mode II plane stress and plane strain HRR fields, respectively. The increase in stresses is not observed in strain gradient plasticity for mode I and mode II, because the present theory is based only on the rotational gradient of deformation and the crack tip asymptotic fields are irrotational and dominated by the stretching gradient. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19704100), National Natural Science Foundation of Chinese Academy of Sciences (KJ951-1-20), CAS K.C. Wong Post-doctoral Research Award Fund and Post-doctoral Science Fund of China