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.     

电磁热效应裂纹止裂研究的进展

利用电磁场的热效应对带有裂纹的载流导体进行裂纹止裂,是达到延长其工作寿命、提高安全性和可靠性的一种行之有效的方法．理论计算和试验观察都证明了：载流导体中裂纹尖端处的热集中效应,能够在附近的一个很小范围内熔化形成微小的焊口,裂纹前缘处的曲率半径瞬间增加了２～３个数量级,显著地减少了应力集中,阻止了干线裂纹源的形成,有效地遏制了裂纹的扩展。本文阐述了这一物理过程的研究现状、进展情况以及未来应用前景．     

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。     

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。     

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．     

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。     

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     

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点, 提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc, CEHFD), 该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统, 径向冲击CEHFD试样, 完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计, 用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明, 在整个断裂过程中, 裂纹非匀速扩展, 裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升, 在裂纹止裂前有明显的减速, 与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子, 其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻, 得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中, 动态扩展韧度为速度的函数, 变化趋势与速度一致, 随着时间先增大后减小; 动态起裂韧度大于动态止裂韧度, 止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低, 并且有较大的离散性。

     

铝合金焊接接头力学性能实验研究

铝合金焊接结构是航天领域的常用结构。实验过程中焊接接头出现了低强度破坏,主要是由焊接接头变形不协调引起的。为了更好地研究焊接接头的破坏机理,采用纳米压痕实验和微拉伸实验对焊接接头的微区材料力学性能进行实验研究,得到焊接接头不同区域的弹性模量、屈服极限、强度极限、延伸率的分布规律。分析了自焊缝中心向母材区域过渡时各力学性能的变化趋势,本文结果可为焊接接头破坏机理的研究提供数据基础。     

焊接接头材质和力学非均匀体低周疲劳特性研究

焊接接头是由母材区、热影响区和焊缝组成的材质和力学性质非均匀体,与均匀材料相比,有关非均匀体低周疲劳特性的研究还相当少,许多问题尚未完全搞清.本文通过16MnR压力容器用钢焊接接头的应变控制低周疲劳试验,采用宏观试验与微观分析相结合的方法,考虑了焊接接头材质和力学非均匀性的影响,对其疲劳特性进行了较为深入的研究,得出一些新的十分有意义的结论.     

用简单拉伸试验测量材料热力学参数的一种尝试

本文根据变形功与熔化热能的关系,将简单拉伸实验方法推广应用到了熔化热能和变形热效应的测量上。按简单拉伸实验方法测得的熔化热能与热力学的测量结果吻合较好。该研究实现了力学实验方法与物理实验方法的互换,因此,具有重要的实际应用价值。     

Very high cycle fatigue behavior of bridge steel welded joint

Very high cycle fatigue (VHCF) behaviors of bridge steel (Q345) welded joints were investigated using an ultrasonic fatigue test system at room temperature with a stress ratio R = ?1. The results show that the fatigue strength of welded joints is dropped by an average of 60% comparing to the base metal and the fatigue failure still occurred beyond 10⁷ cycles. The fatigue fracture of welded joints in the low cycle regime generally occurred at the solder while at the heat-affected zone (HAZ) in the very high cycle regime. The fatigue fracture surface was analyzed with scanning electron microscopy (SEM), showing welding defects such as pore, micro-crack and inclusion were the main factors on decreasing the fatigue properties of welded joints. The effect of welding defects on the fatigue behaviors of welded joints was discussed in terms of experimental results and finite element simulations.     

卸载柔度单试样法测定焊接接头COD阻力曲线

研究了用微机采集和处理数据,用卸载柔度法测定焊接接头断裂韧性的测试技术。对裂纹长度的修正方法进行了详细介绍,形成了一整套可供应用的软件,运用其研究了焊接接头在常温和－２０℃下的ＣＯＤ阻力曲线。     

关于非均质焊接接头中的J积分断裂判据

采用平面应力弹塑性大变形有限元方法、云纹干涉法以及云纹干涉-有限元混合法,从J积分守恒性与J主导有效性两方面仔细考察了非均质焊接接头中的J积分断裂判据.结果表明,至少对于该文所研究的情形而言,J积分守恒性及J主导有效性均是有条件存在的.因此,在非均质焊接接头中直接应用J积分作为断裂判据是不合适的.     

螺旋焊线管局部噘嘴应力集中分析

螺旋焊缝局部噘嘴问题是复杂的三维问题，至今没有现成的安全评定公式可以利用，也难以获得纯粹的理论解。应“西气东输”工程之需，本文利用现有直焊缝理论基础，建立了该问题的力学模型，获得了应力集中因子的显式解，给制订螺旋焊线管几保缺陷的安全评定标准提供了理论基础。利用商用有限元工具ABAQUS对螺旋焊线局部噘嘴进行的系统分析显示，本文提供的理论解具有很强的预测能力。