电热止裂相变应力及止裂效果综合分析

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1、摘要裂纹止裂技术是当前军事应用工程、航空航天工程、船舶工程、石油工程、原子能技术、机械制造等许多领域中急需解决的重要问题之一。利用电磁热效应来遏制金属构件内部和表面裂纹的扩展是新颖而又行之有效的方法之一。关于利用电磁热效应对金属构件，包括金属模具裂纹止裂的技术的研究，目前在国内外还缺少系统的理论和实验研究。本文正是以此为出发点，针对理论分析、数值模拟和实验研究开展了研究工作。研究内容概括为以下几个部分。(1)采用复变函数方法，建立了电磁热效应裂纹止裂的理论分析模型。在该模型基础上研究了带有共线裂纹的

2、金属薄板在通入电流瞬间，裂尖附近的热源功率、温度场和热应力场，以及裂纹尖端处的温度、热应力与通电电流密度、裂纹尺寸等参数之间的关系。本文还研究了在电磁热裂纹止裂过程中，同时具有外机械载荷作用的情况下，裂纹尖端应力场的复变函数解。(2)实现了在脉冲电流作用下，裂纹止裂的有限元耦合场分析。通过通用有限元软件Ansys，采用热一电瞬态耦合过程模拟计算了带有两个共线裂纹的金属薄板电磁热裂纹止裂时的温度场；通过热一机械耦合过程计算了放电瞬间的热应力场；同时模拟了含有两个共线裂纹的金属薄板在电热止裂和外载荷共同

3、作用的应力场；数值模拟结果与理论研究结果吻合较好。(3)利用自制的ZL．1型、ZL．2型脉冲电流发生装置，对几种金属材料，包括模具钢进行了电磁热裂纹止裂的实验研究，通过理论研究和数值模拟得到了与实验现象相互印证的结果；通过金相组织显微分析和电镜分析，观察了裂尖附近的白亮层微观组织结构；通过实验研究发现，裂纹尖端周围强度、韧性和硬度均高于基体，阐明了其遏制裂纹扩展的微观本质；对电热止裂后裂纹前缘处，进行了纳米尺度下的力学性能测试。(4)通过对止裂后裂尖处的组织变化的实验分析，发现由于发生相变，裂尖处材

4、料组织的体积长大，进而引起相变应变并产生残余相变压应力场。同时，应用美国生产的GLEEBLL3500热模拟试验机进行了相变模拟试验，测得了材料的自由相变应变。采用x射线衍射方法测定了残余相变应变。为进一步确定残余相变应力场打下了基础。(5)分析了放电后裂尖处的相变残余应力场，利用实验测得的残余相变应变，计燕山大学工学博十学位论文算确定了相变残余应力。(6)采用Eshelby等效夹杂理论进行了相变应力的理论计算，并计算了残余应力强度因子，讨论了残余应力对裂纹扩展的影响，分析了放电后裂尖处的外载荷应力场

5、与残余应力场的综合作用，以及残余压应力对止裂效果的长效影响。结论表明电磁热裂纹止裂技术具有理论上的可行性和很大的实际应用前景。关键词金属模具；裂纹；止裂；电磁热效应；温度场；应力场；白亮层；相变ⅡAbstractTheapplicationofcrackpreventiontechniquesisbadlyneededinpracticalengineering，becauseithasmanypracticalapplicationssuchasinmilitaryaffairs，spacefli

6、ght，aviation，shipping，oilproduction，nuclearengineeringandmachinemanufacturing．Itisanovelandeffectivemethodforstoppinginternalandsurfacecrackpropagationinmetalcomponentsbyusingelectromagneticheatingeffect．However，bothdomesticallyandabroad，thereisalackof

7、systematictheoreticalandexperimentalresearchoncrackarrestingusingelectromagneticheatingeffectinmetalcomponents，includingmetaldies．Theworkshownherewasbasedonthethoughtsthattodosomesystematicresearchoncrackpreventionusingelectromagneticheatingeffect．Theo

8、reticalanalysis，numericalsimulationandexperimentalsurveysarethethreeaspectsofthisinvestigation．Themainworkisoutlinedasfollow：(1)Thecomplexfunctionmethodisusedasabasisforthetheoreticalmodelofcrackpreventionbyusingelectromagneticheatingef