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,提高了材料的韧性,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。     

载流薄板中裂纹形成瞬间尖端附近的应力场

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,是为了达到延长其工作寿命,提高安全性、可靠性的一种行之有效的方法。本文在文献[1]的基础上,以导电弹性体的麦克斯威尔方程为出发点,借助于边界条件和初始条件,推得了载流无限大薄板在形成裂纹的瞬间,裂纹尖端附近电流密度、温度和应力的具体表达式。通过算例分析证实了：在给定参数的情况下,通入适当强度的电流时,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,同时伴有压应力的产生,从而可达到阻止裂纹扩展的目的。     

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．     

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。     

机械载荷作用下单边裂纹载流薄板的应力场

采用坐标变换的方式，将单边裂纹载流薄板通电瞬间由温度产生的应力场表达式中的各应力分量分离，并用极坐标进行表示．给出了Ⅰ型穿透裂纹尖端附近的应力场的表达式．最后将温度产生的应力场与单向拉伸载荷作用产生的应力场相叠加，推导出用极坐标表示的机械载荷作用下单边裂纹载流薄板的应力场的表达式，并给出算例．     

导电薄板内电流密度分布与反平面剪切的比拟

定量分析电流密度在含裂纹载流薄板内的分布是当前利用电流热效应止裂技术中一个首先要解决的问题．由于裂纹的存在,电流密度在裂尖形成带奇异性分布的高度密集．现有的分析方法往往比较复杂或局限于特殊布置形式的裂纹．通过电流密度分布与弹性力学里反平面剪切问题的比拟,把分析含裂纹载流薄板内电流密度的分布等效于考虑相应的III型裂纹问题,并比照III型裂纹的应力强度因子来定义电流密度因子．而对于裂纹问题的处理可采用分布位错法这一断裂力学里便利有效的分析手段．由给出的算例可见,所提出的比拟解法可以方便精确地求解电流密度在裂尖附近的奇异分布,并有助于对这一奇异性在概念上的直观理解．     

带有中间裂纹载流薄板放电瞬间耦合场的数值模拟

应用耦合场理论采用数值分析的方法计算了具有中间裂纹的导电薄板在放电瞬间裂纹端区域附近的温度场、温度梯度场的分布状态。计算结果表明：由于电流产生的焦耳热源的作用，裂纹尖端处温度瞬时急剧升高，能够在很小的范围内熔化形成微小的口，裂纹前缘的曲率半径增加了几个数量级，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，数值模拟采用了热－电耦合的分析方法，考虑了材料电阻随温度变化和电流流过生成的内热源间的相互作用，同时考虑了导热系数和比热随温度变化所产生的影响，对于具有中间裂纹的载流反，根据结构、材质、边界条件及通电电流的对称性，计算得到了两个裂纹尖端完全对称的结果。     

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。     

利用焦耳效应提高含裂纹金属构件抗裂性能问题的研究

设一无限大金属薄板中含有一个线裂纹,对金属板施加恒定的电流场,在两个裂尖处产生的热量远远大于其余地方产生的热量,可简化成两个点热源．经求解得到了问题的解析解,包括裂纹尖端附近区域温度、应力、应变、应变能密度因子的解析表达式．计算结果表明,裂纹尖端处的材料发生熔化而形成一个焊点,裂纹尖端明显纯化,可抑制裂纹的进一步扩展,提高含裂纹金属构件的抗裂性能．     

狭长缺口根部萌生的小裂纹扩展分析

根据伴随着小裂纹延展过程中不同力学参数相互作用的分析研究基础之上,我们就疲劳小裂纹的扩展特性进行了分析,根据不扩展裂纹性质对小裂纹的长度范围进行了讨论,探讨了狭长缺口根部萌生的小裂纹扩展速率, 并研究了不扩展裂纹形成机理,推演出不扩展裂纹长度计算方法,发展出一种预测小裂纹扩展行为的方法,借助这种方法可以实现裂纹萌生寿命的预测,与疲劳设计相结合可以进一步提高构件安全性与可靠性．不扩展小裂纹的长度可以通过计算定量得到,它与材料的疲劳极限、裂纹门槛值及缺口尺寸等参数紧密相关．以理论数据为依据,可以设计出针对一定材料及尺寸的试样,使其在一定荷载条件下不扩展裂纹长度达到宏观可观测的范围,进而降低小裂纹测量方面的技术难度,进一步验证不扩张裂纹形成机理．     

单边裂纹通电瞬间裂尖处应力场的复变函数解

本文应用复变函数中的Schwarz-Christoffel变换方法，在具单边裂纹的导电薄板通电瞬间温度场复变函数解的基础上，推导出用复变函数表示的应力场的表达式，并且给出算例，通过理论计算得知；当对具有单边裂纹的导电薄板通入适当密度的电流时，裂尖处温度急剧升高并熔化便裂尖变钝。同时，在裂尖周围形成了有利于遏制裂纹扩展的压应力场，有效地防止了裂纹沿其主方向和其它方向延伸。从理论上证明了电磁热效应在裂尖处产生高温形成焊口的同时，压应力场的形成是遏制裂纹扩展的主要因素之一。理论计算结果与实验结果比较吻合，为这一止裂方法的应用打下了理论基础。     

THERMAL STRESS FIELD WHEN CRACK ARREST IN AN AXIAL SYMMETRY METAL DIE USING ELECTROMAGNETIC HEATING

In order to solve the thermal stress field around crack tip in metal die when crack prevention using electromagnetic heating, a metal die with a half-embedded round crack was selected as the study object. The complex function method was used as a basis for the theoretical model of the space crack prevention in metal dies using electromagnetic heating. The crack arrest was accomplished by a pulse current discharge through the inner and outer. The theoretical analysis results show that the temperature around the crack tip rises instantly above the melting point of the metal. Small welded joints are formed at a small sphere near the crack tip inside the metal die by metal melting as a result of the heat concentration effect when the current pulse discharged. The thermal compressive stress field appears around the crack tip at the moment. The research results show that the crack prevention using electromagnetic heating can decrease the stress concentration and forms a compressive stress area around the crack tip, and also prevents the main crack from propagating further, and the goal of crack preventing can be reached.     

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     

脉冲电流在导电薄板裂纹止裂技术中的应用

给出了脉冲电流作用下,无限大薄板中裂纹尖端附近电流密度及焦耳热源功率的表达式,并在此基础上,推得了尖端区域处温度的具体表达式。通过算例证实了,可利用脉冲电流在尖端处产生的热电磁集中效应来抑制裂纹的传播。     

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。     

压应力对压剪裂纹扩展的影响研究

本文针对压剪裂纹的启裂及扩展问题,研究了脆性材料中裂纹面压应力变化对其扩展的影响规律.借助双轴加载试验机可自由调节两个轴位移和力的优势,设计了一种单边对称双裂纹压剪试样.试验中,施加裂纹面压应力至不同的预设值后,使剪应力单调增大直至裂纹启裂及扩展,得到不同预设压应力下压剪裂纹启裂及扩展规律. 随着预设压应力增大,启裂角增大,裂纹扩展路径与初始裂纹的偏角也增大.但随着压应力增大,启裂角增大至一定值后趋于稳定,实验发现,依据裂纹是否闭合,压应力对压剪裂纹扩展的作用大致可分为两个阶段:闭合前,压应力对裂纹启裂载荷及启裂角、扩展路径均有影响,预设压应力增大,裂纹启裂载荷增大、启裂角增大,扩展路径愈来愈偏离初始裂纹方向;闭合后,压应力虽然增大,启裂角和临界压剪应力比始终恒定,压应力对临界剪力和扩展路径存在一定影响.研究表明,裂纹启裂角与启裂时的压剪应力比存在一定的对应关系.启裂时的压剪应力比增大,启裂角增大,启裂时的压剪应力比恒定,启裂角不变.      

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.