電熱止裂相變應(yīng)力及止裂效果綜合分析.pdf

1、裂紋止裂技術(shù)是當(dāng)前軍事應(yīng)用工程、航空航天工程、船舶工程、石油工程、原子能技術(shù)、機(jī)械制造等許多領(lǐng)域中急需解決的重要問題之一。利用電磁熱效應(yīng)來遏制金屬構(gòu)件內(nèi)部和表面裂紋的擴(kuò)展是新穎而又行之有效的方法之一。關(guān)于利用電磁熱效應(yīng)對(duì)金屬構(gòu)件，包括金屬模具裂紋止裂的技術(shù)的研究，目前在國(guó)內(nèi)外還缺少系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。本文正是以此為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究開展了研究工作。研究?jī)?nèi)容概括為以下幾個(gè)部分。 (1)采用復(fù)變函數(shù)方法，建立

2、了電磁熱效應(yīng)裂紋止裂的理論分析模型。在該模型基礎(chǔ)上研究了帶有共線裂紋的金屬薄板在通入電流瞬間，裂尖附近的熱源功率、溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)，以及裂紋尖端處的溫度、熱應(yīng)力與通電電流密度、裂紋尺寸等參數(shù)之間的關(guān)系。本文還研究了在電磁熱裂紋止裂過程中，同時(shí)具有外機(jī)械載荷作用的情況下，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)變函數(shù)解。 (2)實(shí)現(xiàn)了在脈沖電流作用下，裂紋止裂的有限元耦合場(chǎng)分析。通過通用有限元軟件Ansys，采用熱—電瞬態(tài)耦合過程模擬計(jì)算了帶有兩個(gè)共線

3、裂紋的金屬薄板電磁熱裂紋止裂時(shí)的溫度場(chǎng)；通過熱—機(jī)械耦合過程計(jì)算了放電瞬間的熱應(yīng)力場(chǎng)；同時(shí)模擬了含有兩個(gè)共線裂紋的金屬薄板在電熱止裂和外載荷共同作用的應(yīng)力場(chǎng)；數(shù)值模擬結(jié)果與理論研究結(jié)果吻合較好。 (3)利用自制的ZL-1型、ZL-2型脈沖電流發(fā)生裝置，對(duì)幾種金屬材料，包括模具鋼進(jìn)行了電磁熱裂紋止裂的實(shí)驗(yàn)研究，通過理論研究和數(shù)值模擬得到了與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相互印證的結(jié)果；通過金相組織顯微分析和電鏡分析，觀察了裂尖附近的白亮層微觀組織結(jié)構(gòu)；

4、通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，裂紋尖端周圍強(qiáng)度、韌性和硬度均高于基體，闡明了其遏制裂紋擴(kuò)展的微觀本質(zhì)；對(duì)電熱止裂后裂紋前緣處，進(jìn)行了納米尺度下的力學(xué)性能測(cè)試。 (4)通過對(duì)止裂后裂尖處的組織變化的實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)由于發(fā)生相變，裂尖處材料組織的體積長(zhǎng)大，進(jìn)而引起相變應(yīng)變并產(chǎn)生殘余相變壓應(yīng)力場(chǎng)。同時(shí)，應(yīng)用美國(guó)生產(chǎn)的GLEEBLL3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了相變模擬試驗(yàn)，測(cè)得了材料的自由相變應(yīng)變。采用X射線衍射方法測(cè)定了殘余相變應(yīng)變。為進(jìn)一步確定殘余