单边裂纹电磁热止裂强化的残余应力分析

建立带有单边裂纹的无限大金属薄板模型,给出脉冲放电瞬间的温度场,应用一维条件下的热弹塑性理论,导出了单边裂纹金属构件电磁热止裂后的一维残余应力解;对带有单边裂纹的导电薄板脉冲放电后裂纹尖端产生的残余应力进行数值分析,理论与数值分析结果基本吻合;对40CrNiMo试件的残余应力超声波无损检测发现,止裂后残余应力变大。研究表明,在对带有单边裂纹的导电薄板进行电磁热止裂时,裂纹尖端周围温度急剧升高,使得裂纹尖端受热膨胀,由于裂尖受到周围材料的刚性约束,在受热和冷却过程中会残留一个压缩塑性应变,其产生的残余应力可有效的抑制裂纹扩展。     

含有裂纹的Al-Mg合金构件电磁热止裂

利用自行研制的ZL-2型超强脉冲电流发生装置对带有单边裂纹的Al-Mg合金试件进行电磁热止裂实验,并对放电前后裂纹尖端的微观组织进行对比分析;采用热-电-结构耦合的数值分析方法求得放电后试件的电流密度场、温度场及热应力场;从理论上计算放电后的电热应力强度因子。结果表明:放电电压对止裂效果存在最优值;在适当的强脉冲电流作用下,裂纹尖端在小范围内被瞬间强化加热,随后在极大的热压应力作用下快速冷却,组织发生明显变化,晶粒得到细化,并围绕裂纹尖端形成等值压缩热应力,对裂纹尖端有"夹紧"作用,进而阻止裂纹扩展。     

金属凹模中半埋藏环形裂纹电磁热止裂的数值模拟

采用有限元方法研究了带半埋藏环形裂纹的Cr12MoV圆筒形凹模的电磁热止裂问题 ,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藕合关系。数值模拟分成热—电藕合 (焦耳热问题 )和热—机械藕合两个过程来实现 ,通过数值解析轴对称模型 ,给出了脉冲放电瞬间Cr12MoV凹模中电流—温度—热应力的求解过程 ,得到了脉冲放电瞬间带半埋藏环形裂纹凹模的温度场和热应力场。     

电磁热效应对T7钢的裂纹止裂

利用电磁热效应原理,在自制的ＺＬ０－１型超强度脉冲电流以发生装置上,对Ｔ７钢的纹止裂效果进行了初步研究。表明：对试件实施放电瞬间,在裂纹尖端处形成焊口使裂纹尖端的同蓄半径增大,达到抑制裂纹扩展的目的。同时：对裂纹尖端热影响区的组织进行了分析,并讨论了因快速加热和冷却作用所获得细小淬火马氏体组织及热压应力和相变压应力对止效果的影响。     

Ⅲ型裂纹电磁热止裂分析

针对含Ⅲ型裂纹的金属构件,从理论、数值模拟和实验角度分析电磁热对其止裂强化的效果,导出了脉冲放电瞬间Ⅲ型裂纹尖端附近的叠加应力场分布。研究表明,受切应力的Ⅲ型裂纹通入脉冲电流后,裂尖处迅速升温,超过了金属的熔点,形成焊口,瞬间产生的热压应力场改变了受力状态下的Ⅲ型裂纹尖端附近的应力状态,使之成为抑制裂纹扩展的压应力,从而达到止裂的目的,证明了电磁热强化对在线Ⅲ型裂纹止裂的有效性。     

含全埋藏裂纹的T10钢焊接接头电磁热止裂分析

通过有限元分析方法,计算出含有圆形全埋藏裂纹的焊接接头电磁热止裂温度场分布,并通过ZL-2放电装置,对含圆形埋藏裂纹的T10钢焊接接头进行电磁热止裂试验。研究结果表明,止裂瞬间,焊接接头中埋藏裂纹裂尖处温升超过金属熔点,裂尖熔化、钝化,阻止了裂纹的进一步扩展;止裂后,在裂尖附近有白亮层组织出现。止裂前后的T10钢焊接接头力学性能测试表明,止裂后焊接接头所能承受的最大扭矩和抗扭强度提高了约17%。     

电磁热效应对35钢裂纹尖端组织及止裂效果的影响

在自制的ZL－1型超强度脉冲电流发生装置上,对35钢的电磁势效应理裂纹止裂效果进行了初步研究。结果表明：利用电磁热效应可在放电瞬间在裂纹尖端形成焊口,使裂纹尖端曲率半径增大,达到抑制裂纹扩展的目的。对裂纹尖端热影响区的显微组织进行了分析。     

Cr12模具钢裂纹电磁热止裂的研究

采用脉冲电流发生装置对Cr12模具钢中裂纹进行了脉冲放电止裂。放电后,裂纹尖端金属熔化形成焊口和压应力区,使裂纹尖端钝化,达到了止裂的目的。同时在裂纹尖端处得到了超细化的隐晶马氏体和细粒碳化物等微观组织,极大提高了裂纹尖端处的硬度、强韧性和耐磨性。     

45钢构件电磁热裂纹止裂后残余应力分析

对带有半埋藏裂纹的45钢金属构件进行电磁热止裂实验发现,止裂后,半埋藏裂纹裂尖处熔化、钝化,并有金属喷射现象;采用超声波对比测试法,分析了止裂前后试件内残余应力的变化情况,实验测得止裂后超声波声程减小,表明试件内部残余应力增大;通过ANSYS有限元软件,采用间接耦合方法,对半埋藏裂纹电磁热止裂过程进行数值分析,得到了止裂后构件内残余应力场的具体类型及分布情况。     

电磁热止裂强化与裂纹力学特征关系

对比分析脉冲放电对Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型裂纹的止裂强化效果。数值模拟和实验研究发现,电磁热止裂强化与裂纹的力学特征关系不大,适合于各种受力状态下的裂纹止裂强化。脉冲放电瞬间,裂尖处温升超过材料的熔点使其熔化,在裂纹尖端处产生强大的热压应力场,试件冷却后,裂纹尖端3个方向均产生残余压应力,使Ⅰ型裂纹试件抗拉强度、Ⅱ型裂纹试件冲击韧性、Ⅲ型裂纹试件扭转强度均有所提高。     

金属构件内埋藏椭圆形斜裂纹脉冲放电瞬间温度场的分析

采用数值分析的方法,研究了含埋藏椭圆形斜裂纹的金属构件放电瞬间的温度场,建立了带有空间裂纹的三维有限元分析模型。模拟了利用电磁热效应进行裂纹止裂的过程,得到埋藏椭圆形斜裂纹在不同倾斜角度情况下脉冲放电瞬间温度场的分布状态,给出了电流密度矢量图,分析了裂纹面倾斜角度对温度场的影响规律。计算结果表明,当通入的脉冲电流密度一定时,电流方向与裂纹面方向的夹角是影响止裂效果的关键因素。研究中同时采用ZL-2脉冲放电装置,完成了冷作模具钢模具中裂纹的电磁热止裂。     

构件中半埋藏裂纹在线止裂及力学性能分析

依据热-电耦合数值分析结果选择合适的脉冲放电电压,应用ZL-2超强脉冲电流发生装置,对带有半埋藏裂纹的45号试件进行拉伸载荷下脉冲放电止裂研究。放电止裂后,裂纹尖端瞬间熔化、钝化,达到了裂纹止裂目的。止裂中,试件在拉伸载荷作用下没有瞬间开裂。对止裂前后的拉伸试件通过冲击试验机、扭转试验机进行了冲击和扭转力学性能测试。研究结果表明,电磁热裂纹止裂可以有效提高试件的抗冲击和抗扭力学性能。     

含单边裂纹构件脉冲放电止裂相变应力分析

对含单边裂纹的40Cr Ni Mo钢构件进行脉冲放电止裂,分析了脉冲放电止裂后结晶区、相变区和基体区的显微硬度变化。结果可知,止裂后的裂纹尖端变得圆钝,曲率半径增大,应力集中得到消除,有效地阻止了裂纹的继续开裂;结晶区晶粒得到细化,相变区晶格畸变及位错密度增大导致塑性变形抗力增大,两者的显微硬度得到了不同程度的提高。应用Eshelby等效夹杂原理对脉冲放电止裂后单边裂纹尖端发生组织转变的相变应力进行了理论和数值计算,最终获得相变应力的计算方程;采用ANSYS有限元软件对于含单边裂纹构件脉冲放电止裂进行数值模拟,验证体积变化和屈服强度变化对相变应力的影响。最后,简述了含单边裂纹构件脉冲放电止裂技术对于异种材料焊接裂纹的止裂修复工程应用。     

40GrNiMo试件单边裂纹在线止裂及组织分析

对带有单边裂纹的40GrNiMo金属薄板试件进行了脉冲放电在线止裂实验研究。在超强脉冲电流作用瞬间,单边裂纹尖端熔化、裂尖钝化,曲率半径增加了2～3个数量级,并在裂纹尖端处产生热压应力场,达到了遏制裂纹扩展的目的。止裂前后裂纹前缘的微观组织对比分析发现,止裂后裂尖处组织更加均匀细小,且裂尖处Cr原子数量增加,其他元素与Cr生成更多的合金组织,得到强韧性均高的微观组织,提高了止裂后构件的力学性能。     

9Cr2凸模半埋藏疲劳裂纹电磁热止裂的实验与模拟研究

电磁热效应止裂技术的发展为金属模具中半埋藏裂纹的止裂问题提供了有效的解决途径。文章采用实验和数值模拟分析方法研究了对带有半埋藏裂纹的9Cr2凸模进行脉冲放电,实施电磁热止裂。实验结果表明,脉冲放电瞬时半埋藏裂纹尖端附近金属温升超过熔点,裂尖熔化形成焊口,并且由于裂纹是半埋藏状态,熔化的金属在裂尖处形成堆焊,其周围发生有利于遏制裂纹扩展的组织细化,有效地遏制了裂纹的扩展;数值模拟结果表明,脉冲放电瞬间,裂纹尖端附近很小的区域内,温度和温度梯度变化极大,裂纹尖端金属迅速熔化,导致半埋藏裂纹尖端曲率半径增加几个数量级,数值模拟分析结果与实验结果相吻合。     

Controlled crack arrest in brittle thin films: The effect of embedded voids

Controlled crack arrest is useful for controlling self-assembled crack paths in micro-fabrication, as well as limiting crack length in toughening composites. Compliant inclusions and voids can effectively attract and arrest cracks, thereby controlling the crack pattern. Analytical stress solution indicates that when the inclusion is about 10 times more compliant than its matrix, it may be effectively modeled as a void. The crack arrest capability is expressed in terms of the critical angle of the initial crack path, as the inclusion size, shape, crack origin and film properties are varied. Simple criteria are established to maximize the crack arrest ability and to determine the critical crack angle. The effectiveness of using different void patterns to arrest cracks is also explored. The results are useful for both controlling and restricting cracks in brittle thin films, through the utilization of compliant or void-like inclusions as crack arrestors.     

微合金钢中厚板边直裂成因分析

针对微合金钢中厚板边部易出现边直裂缺陷的问题,采用宏观观察、金相分析、扫描电镜观察等方法对中厚板边直裂缺陷进行了分析,认为其是由于轧钢过程中角部和边部展宽折叠到大面所造成的。通过改变加热制度、空冷制度及轧制工艺等,改善了中厚板边直裂问题,减小了裁边量。