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．     

电流通入瞬间导电板内裂尖附近的热电磁效应

研究了在向含裂纹的无限大导电薄板中通入电流的瞬时 ,裂纹尖端附近的电磁场和温度场。给出了导电薄板中裂纹尖端区域附近的电流密度以及由于集中效应而产生的焦耳热源功率的表达式。在此基础上 ,通过对热传导方程的求解 ,推得了裂纹尖端区域处温度的具体表达式。数值算例证实了 ,在给定参数的情况下 ,适当强度电流的通入 ,可使裂纹尖端处温度升高以至熔化 ,形成焊口 ,从而达到裂纹止裂的目的     

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。     

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。     

裂尖曲率对裂纹前缘塑性区的影响

考虑尖端为圆弧形的钝头裂纹模型，在外围取线弹性无裂纹体的解，应用线场分析方法。形成一套估计钝头裂纹前缘塑性区尺寸的方法。对含径向裂纹和圆弧形裂尖的圆盘受均匀张力作用情况，给出了塑性区的裂纹前缘尺寸与裂纹尖端曲率的关系。得到的结论是，塑性区的裂纹前缘尺寸与裂纹尖端曲率有关；对于给定的塑性区的裂纹前缘尺寸，载荷反比于外缘尺寸的平方。前一结论说明了塑性区的裂前尺寸作为裂纹失稳扩展判断的局限性；后一结论说明了裂纹体强度失效的尺寸效应规律：抗断强度与总体线尺寸的平方成反比。     

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。     

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     

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。     

冲击作用下含预制裂纹梁柱试件的动态断裂

利用焦散线实验系统,进行了冲击加载下含预制裂纹梁柱试件的断裂实验,研究了梁柱试件的梁柱节点、梁上和柱端裂纹的扩展轨迹、扩展速度和应力强度因子的变化规律。实验结果表明:受冲击后,试件首先在梁柱节点处开裂,并在裂纹扩展过程中发生明显的曲裂运动,证明梁柱节点处最容易受到破坏。预制裂纹条数越多,梁柱节点处开裂越晚,说明裂纹条数少,能量可以在裂纹尖端积聚得更集中、更快。含柱端预制裂纹的试件,2条裂纹的开裂相隔时间要长于含梁上预制裂纹的试件;同时,试件的第2条裂纹优先在梁上裂纹处开裂,说明固端支座比简支梁断裂需要更多的能量。随着预制裂纹的增多,梁上裂纹在扩展过程中的曲裂现象减弱, 由于部分能量在柱端裂纹处积聚,用于推动梁上裂纹扩展的能量相应地减少。并且由于柱端裂纹的存在,梁上裂纹受到的拉应力分量减小,导致裂纹尖端受到弯矩变小,影响了裂纹的曲裂运动。     

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．     

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.     

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。     

Crack movement in layered composites under electric field affect

The variation principle is applied for defining a crack in the solid body. The methods proposed in [G. Sih, C. Chen, Non-self-similar crack growth in elastic–plastic finite thickness plate, Theoretical and Applied Fracture Mechanics 3 (1985) 125–139] extend to presence of electromagnetic fields in material. Crack propagation in non-homogeneous media has been considered. It is shown that electromagnetic fields in the material are essentially affecting the trajectory. The crack trajectory stability has been studied as function of fracture energy, phase portraits of the trajectory in different media have been built, and various attractor types have been revealed. Different crack morphologies from single straight and oscillating crack propagation to straight double crack propagation were theoretically founded. In compliance with the experimental data of [R. Niefanger, V.-B. Pham, G. Schneider, H.-A. Bahr, H. Balke, U. Bahr, Quasi-static straight and oscillatory crack propagation in ferroelectric ceramics due to moving electric field: experiments and theory, Acta Materialia 52 (1) (2004) 117–127], it has been demonstrated that periodic electromagnetic field results in trajectory stochastization. This can be used for switching the crack over from the mode of mainline propagation into the mode of development of the field of diffused microcracks.     

A thermomechanical cohesive zone model for bridged delamination cracks

The coupled thermomechanical numerical analysis of composite laminates with bridged delamination cracks loaded by a temperature gradient is described. The numerical approach presented is based on the framework of a cohesive zone model. A traction-separation law is presented which accounts for breakdown of the micromechanisms responsible for load transfer across bridged delamination cracks. The load transfer behavior is coupled to heat conduction across the bridged delamination crack. The coupled crack-bridging model is implemented into a finite element framework as a thermomechanical cohesive zone model (CZM). The fundamental response of the thermomechanical CZM is described. Subsequently, bridged delamination cracks of fixed lengths are studied. Values of the crack tip energy release rate and of the crack heat flux are computed to characterize the loading of the structure. Specimen geometries are considered that lead to crack opening through bending deformation and buckling delamination. The influence of critical mechanical and thermal parameters of the bridging zone on the thermomechanical delamination behavior is discussed. Bridging fibers not only contribute to crack conductance, but by keeping the crack opening small they allow heat flux across the delamination crack to be sustained longer, and thereby contribute to reduced levels of thermal stresses. The micro-mechanism based cohesive zone model allows the assessment of the effectiveness of the individual mechanisms contributing to the thermomechanical crack bridging embedded into the structural analysis.     

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。     

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。