電熱止裂相變應力及止裂效果綜合分析.pdf

1、裂紋止裂技術是當前軍事應用工程、航空航天工程、船舶工程、石油工程、原子能技術、機械制造等許多領域中急需解決的重要問題之一。利用電磁熱效應來遏制金屬構件內部和表面裂紋的擴展是新穎而又行之有效的方法之一。關于利用電磁熱效應對金屬構件，包括金屬模具裂紋止裂的技術的研究，目前在國內外還缺少系統(tǒng)的理論和實驗研究。本文正是以此為出發(fā)點，針對理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究開展了研究工作。研究內容概括為以下幾個部分。 (1)采用復變函數(shù)方法，建立

2、了電磁熱效應裂紋止裂的理論分析模型。在該模型基礎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、溫度場和熱應力場，以及裂紋尖端處的溫度、熱應力與通電電流密度、裂紋尺寸等參數(shù)之間的關系。本文還研究了在電磁熱裂紋止裂過程中，同時具有外機械載荷作用的情況下，裂紋尖端應力場的復變函數(shù)解。 (2)實現(xiàn)了在脈沖電流作用下，裂紋止裂的有限元耦合場分析。通過通用有限元軟件Ansys，采用熱—電瞬態(tài)耦合過程模擬計算了帶有兩個共線

3、裂紋的金屬薄板電磁熱裂紋止裂時的溫度場；通過熱—機械耦合過程計算了放電瞬間的熱應力場；同時模擬了含有兩個共線裂紋的金屬薄板在電熱止裂和外載荷共同作用的應力場；數(shù)值模擬結果與理論研究結果吻合較好。 (3)利用自制的ZL-1型、ZL-2型脈沖電流發(fā)生裝置，對幾種金屬材料，包括模具鋼進行了電磁熱裂紋止裂的實驗研究，通過理論研究和數(shù)值模擬得到了與實驗現(xiàn)象相互印證的結果；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構；

4、通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，裂紋尖端周圍強度、韌性和硬度均高于基體，闡明了其遏制裂紋擴展的微觀本質；對電熱止裂后裂紋前緣處，進行了納米尺度下的力學性能測試。 (4)通過對止裂后裂尖處的組織變化的實驗分析，發(fā)現(xiàn)由于發(fā)生相變，裂尖處材料組織的體積長大，進而引起相變應變并產生殘余相變壓應力場。同時，應用美國生產的GLEEBLL3500熱模擬試驗機進行了相變模擬試驗，測得了材料的自由相變應變。采用X射線衍射方法測定了殘余相變應變。為進一步確定殘余