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。     

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．     

THE STRESS FIELD AT MODE I CRACK TIP ON STEEL PIPE UNDER AXIAL TENSION

采用弹性断裂力学Westergaard 的方法,分析在轴向拉伸载荷作用下钢管的Ⅰ型裂纹尖端处的应力场. 基于Ⅰ型裂纹钢管应力场的特征,设定尖端处的应力艾雷函数,给出其应力场模型边界条件和应力场的解析函数,并利用裂纹尖端处的切平面研究裂纹尖端局部应力场,建立了钢管裂纹尖端应力场模型. 通过钢管与平板Ⅰ型裂纹应力场模型的对比,结果表明二者明显不同,钢管裂纹尖端处应力峰值影响范围仅与裂纹长度、拉应力相关.     

纳米晶体铝在单轴拉伸下的位错堆积对微裂纹扩展的影响

摘要：针对纳米晶体材料,研究了单轴拉伸载荷作用下纳米晶体铝中的裂纹与裂纹尖端发射的位错所形成的滑移面之间的相互作用。通过分布位错法,将裂纹和滑移面等效为均匀分布的连续位错,获得了裂纹面上应力场。并引入裂纹尖端的无位错区,研究了裂纹尖端无位错区对微裂纹的萌生和主裂扩展之间的影响。结果表明,不考虑裂纹尖端无位错区时,裂纹长度较短,会先在晶界处形成微裂纹,主裂纹较长时,主裂纹会直接穿晶扩展。滑移面与裂纹尖端夹角较大时,会增加裂纹尖端发射的位错个数,从而抑制主裂纹的扩展。考虑裂纹尖端无位错区时,无位错区先于晶界处出现微裂纹,通过主裂纹与微裂纹之间位错的相互发射,导致裂纹与尖端处微裂纹汇合,有效加速了主裂纹的扩展。     

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     

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     

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．     

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.     

次表面微裂纹对偏折主裂纹扩展行为的分布位错理论研究

为研究在拉伸载荷作用下包含一条埋置偏折裂纹和一条任意位置微裂纹的半无限大平面问题.论文基于连续分布位错法,建立相应的位错密度积分方程,并采用GAUESS-CHEBSHEV数值积分法得到其力学参量.通过有限元法对理论结果进行了验证.埋置深度、微裂纹中心到主裂纹尖端的距离将对主裂纹尖端的应力强度因子产生影响;结果表明相比于无微裂纹的情况,在某些方位处微裂纹对主裂纹尖端的扩展起到促进作用,而在其他方位的微裂纹对主裂纹尖端的扩展起到抑制作用;主裂纹尖端的扩展方向和等效应力强度因子相比于倾斜微裂纹而言受水平微裂纹的影响更大.     

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。     

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.     

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。     

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。     

Thermo-electro-structural coupled analyses of crack arrest by Joule heating

Using the finite element method, thermo-electro-structural coupled analyses of the cracked conducting plate under high electric current have been solved. The crack contact condition and temperature-dependent material properties are considered in this analysis. The crack tip temperature, electric current density factor, stress intensity factor and strain energy density factor are obtained for discussions. Due to high electric current density and Joule heating at the crack tip, a circular melting area may exist around the tip. After cooling, a circular void or hole may occur at the crack tip and the crack arrest is achieved. The crack tip temperature decreases when the crack contact area increases. The proper tensile load is necessary for making the crack open enough and causing high current density at the crack tip and associated crack arrest. On the other hand, the crack tip temperature increases with time by the increasing external current and Joule heating. The values of mode-I stress intensity factor and strain energy density factor decrease with time due to the thermal deformation around the crack tip. Because of the temperature-dependent resistivity, the variation of the electric current density factor is complicated. In addition, it is not easy to create a crack-arrest condition when the crack length relative to the plate width is too small.     

Heat conduction and thermal stress induced by an electric current in an infinite thin plate containing an elliptical hole with an edge crack

A uniform electric current at infinity was applied to a thin infinite conductor containing an elliptical hole with an edge crack. The electric current gives rise to two states, i.e., uniform and uneven Joule heat. These two states must be considered to analyze the heat conduction problem. The uneven Joule heat gives rise to uneven temperature and thus to heat flux, and to thermal stress.Using a rational mapping function, problems of the electric current, the Joule heat, the temperature, the heat flux, the thermal stress are analyzed, and each of their solutions is obtained as a closed form. The distributions of the electric current, the Joule heat, the temperature, the heat flux and the stress are shown in figures.The heat conduction problem is solved as a temperature boundary value problem. Solving the thermal stress problem, dislocation and rotation terms appear, which complicates this problem. The solutions of the Joule heat, the temperature, the heat flux and the thermal stress are nonlinear in the direction of the electric current. The crack problems are also analyzed, and the singular intensities at the crack tip of each problem are obtained. Mode II (sliding mode) stress intensity factor (SIF) is produced as well as Mode I (opening mode) SIF, for any direction of the electric current. The relations between the electric current density and the melting temperature and between the electric current density and SIF are investigated for some crack lengths in an aluminum plate.     

基于近场动力学微分算子的含裂纹正交各向异性板热传导分析方法

采用近场动力学微分算子(Peridynamic Differential Operator, PDDO)理论建立正交各向异性板热传导的非局部模型。通过构造近场动力学函数,将边界条件和热传导方程由局部微分形式转化为非局部积分形式,引入Lagrange乘子,采用变分分析对含裂纹正交各向异性板温度及裂纹尖端的热通量分布进行求解。通过对比算例,验证了该模型具有较好的收敛性和有效性。分析了正交各向因子、材料铺设角、裂纹倾角及间距对裂纹尖端热通量的影响。结果表明,基于PDDO建立的含裂纹正交各向异性板热传导模型,考虑了热传导问题中的非局部性,能有效提高计算精度,预测含裂纹板中裂纹尖端出现的奇异性。     

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。