基于强脉冲电流金属材料裂纹止裂及愈合技术研究

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1、万方数据博士学位论文基于强脉冲电流金属材料裂纹止裂及愈合技术研究TechnologyStudyonCrackArrestandHealingbyHigh-densityPulsedCurrent学11004009完成日期：2014．09大连理工大学DalianUniversityofTechnology万方数据大连理工大学博士学位论文大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含

2、其他个人或集体己经发表的研究成果，也不包含其他己申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：基王塑丛泣电逋坌盾挝趱型筮止型盈垒金堇盔硒宣作者签名：童盗臼期：互业年』三月上日大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版

3、，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目：圣王堡拯泣电流全届挝料型筮些型盈室盒堇查盟塞作者签名：立瓤一一一嗍盟年血月上日导师签名：鳓日期：丝年—堡月—L日答辩委员会主J斋：犟!型日茑Ij：丝世年上月卫日万方数据大连理工大学博士学位论文摘要再制造工程作为一项战略型新兴产业不仅能够节省资源、能源，保护环境，而且具有显著的经济效益。再制造毛坯损伤形式复杂多样，其中裂纹损伤所占比重很大，在以往的再制造过程中，无论什么形式

4、的裂纹损伤一经被检测出来直接报废，因此，金属材料裂纹止裂与损伤愈合技术是机械装备再制造领域急需解决的关键问题之一，尤其对于含有裂纹损伤的高附加值机械装备(如工程机械、船舶、飞机、大型压缩机)的核心部件实施再制造时，首先要修复裂纹损伤才能保证后续再制造工艺的有效性。脉冲电流由于其自身的一些特性被应用于材料制各及物理机械性能改善领域。关于脉冲电流裂纹止裂、愈合技术，目前国内外缺少系统的理论分析和实验研究。本文围绕脉冲电流的绕流效应和焦耳热效应在裂纹止裂、愈合中的应用，从理论分析、实验研究和数值模拟三个角

5、度开展研究工作。本文的主要研究内容和研究成果如下：(1)基于复变函数理论，建立脉冲电流裂纹止裂过程理论模型。根据自由边界处电流密度为零的边界条件，将带有贯穿椭圆形切口的无限大薄板中通入电流问题的求解过程划分为无椭圆孔和存在椭圆孔扰动两种状态的叠加，简化了裂纹边界条件处理过程。当椭圆孔短轴趋于零时，可以将其近似看作裂纹，电流密度、焦耳热源功率和热应力在裂纹尖端具有奇异性，仿照断裂力学中应力强度因子概念，引入强度因子的概念描述裂纹尖端附近区域电、热、热应力场，为设计实验方案和选择工艺参数提供理论基础。(

6、2)基于脉冲功率技术，自行设计并搭建强脉冲电流放电装置HCPD．I。通过对电容器放电回路的分析，确定实验研究的工艺参数为电容量和电容充电电压；增加电容量能够提高回路电流密度和延长脉冲电流作用时间；增大电容充电电压只能够提高回路电流密度。(3)选用工业中应用广泛的AISI316L和压缩机转子叶轮材料Inconel625和FV520B为研究对象，通过实验研究材料种类、试样尺寸和工艺参数对裂纹尖端熔化区尺寸和微观组织的影响规律，探讨利用脉冲进行裂纹止裂的机理。脉冲电流处理过程，由于两裂纹面间距较大电流无法

7、通过，电流在裂纹前端绕流集中，在焦耳热作用下，裂纹尖端局部温度升高甚至瞬间熔化，裂纹尖端曲率半径增大，改善了裂纹前端的应力集中状态。由于脉冲电流作用时间非常短暂，裂纹前端在快速加热和冷却作用下，熔化区周围局部组织发生固态相变，组织均匀细化。而远离裂纹尖端的基体电流密度相对较低，焦耳热作用不明显，表明脉冲电流具有选择作用，对无裂纹部位影响很小。(4)采用拉伸方式预制裂纹的尖端组织发生严重的塑性变形，沿着拉力轴线方向呈纤维状分布。以AISI316L材料为例探讨脉冲电流裂纹止裂同时，对裂纹尖端局部塑万方数

8、据基于强脉冲电流金属材料裂纹止裂及愈合技术研究性变形区的恢复机理。利用扫描电镜和透射电镜分析脉冲电流处理前后裂纹尖端形貌、显微组织和位错形态的变化，研究结果表明，脉冲电流处理后，尖锐的裂纹尖端变为椭圆形熔孔，裂纹尖端曲率半径增大，降低了裂纹尖端的应力集中，并且裂纹前端局部发生再结晶，形成细小等轴晶粒，局部塑性变形组织发生恢复。(5)采用钻孔压缩法预制内部微裂纹，初步探索脉冲电流用于裂纹愈合的可行性。分析工艺参数和脉冲电流处理次数对裂纹愈合效果的作用规律，并从能量的角度