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.     

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。     

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。     

ZL303合金电磁热止裂后力学性能研究

利用自制的ZL-2超强脉冲放电装置对含有单边裂纹的ZL303合金试件进行电磁热止裂试验。通过微机控制电子万能试验机对止裂前后试件进行拉伸试验,并用SEM扫描电镜对断口进行观察,最后理论分析了受拉伸试件的应力强度因子。结果表明,电磁热止裂技术对ZL303具有良好的止裂效果;放电强化作用主要集中在裂尖附近,裂尖钝化形成焊口,裂尖处组织变细且强度提高,试件的抗拉强度平均提高了16.5%;电热应力强度因子削弱了拉应力所产生的应力强度因子,达到力学性能强化的效果。     

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。     

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。     

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。     

热释电材料问题的通解与界面裂纹

该文讨论了热释电材料中的热弹性问题的一般解，进而求解了共线界面裂纹问题．利用Ｓｔｒｏｈ方法，把热释电材料的热弹性界面裂纹问题化为一向量形式的Ｈｉｌｂｅｒｔ问题，求出这一Ｈｉｌｂｅｒｔ问题的通解，进而求得了热释电材料热弹性界面裂纹的闭合解，得到了温度、热流、位移、电势、应力和电位移的全场解，得到了裂纹张开位移及电势差的精确表达式．在此基础上，还求得了均匀热释电体中单个热弹性裂纹裂尖场，单个界面裂纹裂尖场以及点热源与界面裂纹的作用．此外，该文还对界面裂纹顶点附近的端部场作了渐近分析．     

核主泵主轴表面热疲劳分析与寿命评估

核主泵主轴一般工作在约300℃的温度环境中,但会频繁受到冷却水的瞬态冲击作用,由此产生的热应力容易导致主轴表面产生疲劳裂纹,有效预测核泵主轴的热疲劳寿命意义重大.本文分析了核泵主轴表面在热冲击过程中的瞬态温度场、热应力场等变化规律,用数值模拟方法研究了热冲击的冲击温度、冲击区域半径和表面吸附水膜厚度等参数对热应力和热疲劳寿命的影响,发现热冲击温度、冲击区域半径和表面水膜厚度各因素对冲击表面热应力和疲劳寿命的影响呈现一定规律性,疲劳裂纹将首先发生在材料表面,然后向内部扩展,到达一定深度后止裂.热冲击冷却水温度差对表面热应力和疲劳寿命影响最大,冲击区域尺寸影响最小,表面吸附水膜具有降低热应力提高疲劳寿命的防护作用.     

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。     

Temperature field at time of pulse current discharge in metal structure with elliptical embedding crack

Theoretical analysis is made on the temperature field at the time of pulse current discharge in a metal structure with an elliptical embedding crack. In finding the temperature field, analogy between the current flow through an elliptical embedding crack and the fluid flow through a barrier is made based on the similarity principle. Boundary conditions derived from this theory are introduced so that the distribution of current density and the temperature field expressions can be obtained. The study provides a theoretic basis to the applications of stopping spatial crack with electromagnetic heating.     

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.     

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。     

十次对称二维准晶中的热应力分析

推导了当考虑热效应时十次对称二维准晶体平面应变问题的通解表示．作为应用，采用所获得的通解首先得到了十次对称二维准晶体中的一个点热源所引起的声子场和相位子场，给出了点热源所引起的声子场和相位子场应力分量的解析表达式；接着获得了在均匀热流作用下十次对称二维准晶体中-绝缘椭圆孔洞所引起的热应力问题的弹性解答，给出了沿椭圆边界环向应力分布的解析表达式；当椭圆的短轴趋于零时，则获得了裂纹问题的解答，给出了应力强度因子、裂纹表面张开位移及能量释放率的解析表达式；推导了在任意热载荷作用下裂尖附近的渐近场．     

增强相/夹杂内螺位错偶极子与含共焦钝裂纹椭圆夹杂的干涉效应

运用弹性力学的复势方法,研究了纵向剪切下增强相/夹杂内螺型位错偶极子与含共焦钝裂纹椭圆夹杂的干涉效应,得到了该问题复势函数的封闭形式解答,由此推导出了夹杂区域的应力场、作用在螺型位错偶极子中心的像力和像力偶矩以及裂纹尖端应力强度因子级数形式解。并分析了位错偶极子倾角 、钝裂纹尺寸和材料常数对位错像力、像力偶矩以及应力强度因子的影响。数值计算结果表明：位错像力、像力偶矩以及应力强度因子均随位错偶极子倾角做周期变化;夹杂内部的椭圆钝裂纹明显增强了硬基体对位错的排斥,减弱了软基体对位错的吸引,且对于硬夹杂,位错出现了一个不稳定平衡位置,该平衡位置随钝裂纹曲率的增大不断向界面靠近;变化 值将出现改变位错偶极子对应力强度因子作用方向的临界值。     

平行于异材界面的三维椭圆平片裂纹分析

讨论了拉伸载荷作用下平行于两相材料界面的椭圆平片裂纹问题．首先,使用有限部积分概念和两相材料界面完全接合时的点力基本解导出了一组以裂纹表面位移差为未知函数的超奇异积分方程组．该组方程表明,此时三种裂纹模型同时存在;其次,在数值求解该组方程的过程中,未知函数裂纹表面位移差被近似为位移差的基本密度函数与多项式之积．基本密度函数反映了裂纹前沿应力奇性性态;最后,以拉伸载荷为例,讨论了椭圆平片裂纹与界面的距离、裂纹形状比和不同材料组合对应力强度因子的影响,并以图表形式给出。     

Scattering of SH-wave by cracks originating at an elliptic hole and dynamic stress intensity factor

The method of complex function and the method of Green‘s function are used to investigate the problem of SH-wave scattering by radial cracks of any limited length along the radius originating at the boundary of an elliptical hole, and the solution of dynamicstress intensity factor at the crack tip was given. A Green‘s function was constructed for the problem, which is a basic solution of displacement field for an elastic half space containing a half elliptical gap impacted by anti-plane harmonic linear source force at any point of its horizontal boundary. With division of a crack technique, a series of integral equations can be established on the conditions of continuity and the solution of dynamic stress intensity factor can be obtained. The influence of an elliptical hole on the dynamic stress intensity factor at the crack tip was discussed.     

相变滞后对裂纹屏蔽效应的数值分析

本文针对奥氏体-马氏体双相材料,研究裂纹尖端区弥散分布的奥氏体颗粒在应变诱发时发生的相变对裂纹的屏蔽效应。鉴于实验中已发现的不同相变滞后对裂纹屏蔽效应的不同影响,本研究通过在裂纹尖端区不同位置嵌入相变颗粒,考虑到裂纹尖端区应力应变场的奇异分布及其诱发的相变,将裂纹尖端区相变滞后问题转化为相变颗粒在裂纹尖端区的位置问题。计及奥氏体-马氏体相变的体积膨胀效应进行了平面应力裂纹问题数值模拟,得到了单个相变夹杂对裂纹屏蔽效应的影响规律。结果表明：裂纹尖端区相变夹杂的位置对裂纹的屏蔽效应在距裂尖2倍夹杂直径以内影响极大,且以裂尖86度方向为界。其影响规律与McMeeking 和 Evans理论预言的60度方向不同。