Temperature field at time of pulse current discharge in metal structure with elliptical embedding crack

Theoretical analysis is made on the temperature field at the time of pulse current discharge in a metal structure with an elliptical embedding crack. In finding the temperature field, analogy between the current flow through an elliptical embedding crack and the fluid flow through a barrier is made based on the similarity principle. Boundary conditions derived from this theory are introduced so that the distribution of current density and the temperature field expressions can be obtained. The study provides a theoretic basis to the applications of stopping spatial crack with electromagnetic heating.

单轴压缩条件下锚杆对含三维表面裂隙试样的锚固效应试验研究

在岩石相似材料试件中设置三维表面裂隙,制作不同锚固方式的试件,对其进行单轴压缩试验,研究锚杆对试件强度以及预置裂隙扩展模式的影响。试验结果表明,与无锚试件相比,4种加锚试件的抗压强度和压缩弹性模量均有不同程度的提高,而且锚杆对压缩弹性模量的增强效果比对抗压强度的增强效果更显著。4种加锚试件的残余强度大体相等,比无锚试件的残余强度提高了2.0～2.5倍。加锚试件的破坏过程大致分4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至微弹性裂隙发展阶段、非稳定破坏阶段和破裂后阶段,试件表面宏观裂纹均出现在破裂后阶段。由于锚杆的加固止裂作用,预置裂隙的扩展模式发生变化,加锚试件内部出现了弧形破裂面和剪切薄弱面。试验中共出现3种裂纹:张拉裂纹、剪切裂纹和拉剪复合裂纹。

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。

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钢的电磁热效应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。

金属模具电磁热裂纹止裂研究的新进展

综述了在理论分析、数值模拟和实验研究方面,关于利用电磁热效应实现金属模具裂纹止裂研究的最新进展,所得结论可以为工程实际问题的解决提供指导。采用复变函数方法,建立了金属模具电磁热效应空间裂纹止裂的理论分析模型,求解了通电瞬间裂尖附近的热源功率、温度场和热应力场;采用电、热和机械场三场顺次耦合的有限元分析方法建立了金属模具中平面、空间裂纹电磁热裂纹止裂的数值分析模型;采用自制的ZL-1型和改进型ZL-2超强脉冲电流发生装置实现了金属模具试件中电磁热裂纹止裂;研究了各种实际金属模具中裂纹电磁热止裂后的修复。为将电磁热裂纹止裂应用到金属模具裂纹止裂中进行了基础研究工作。

脉冲电流在塑性加工中的应用

金属材料塑性变形时通入脉冲电流,在力学性能方面:材料的流变应力下降、塑性变形能力提高,同时有助于内部裂纹的止裂甚至愈合;在微观效应方面:电流的引入可以改善组织状态,加快再结晶过程,细化晶粒。在自阻加热工艺中,电流直接对坯料加热,降低了能耗,电流加热速度快,提高成形效率。举例说明了电流在热冲压技术、轧制技术和超塑成形技术等塑性加工工艺中的应用。在节能和高效成为材料加工领域主题的今天,脉冲电流在塑性加工领域的应用可以有力地推动尖端制造业,尤其是航空航天制造产业的发展。大量研究也已证明脉冲电流在材料加工领域有着深远的研究意义和广泛的应用价值。

含埋藏椭圆型裂纹的构件脉冲放电瞬间的耦合场分析

采用数值分析的方法,对含三维埋藏椭圆型裂纹的构件放电瞬间的耦合场进行分析。计算脉冲放电瞬间椭圆形裂纹尖端附近的温度场和等效应力场的分布状态;并通过改变模型尺寸的模拟分析影响放电参数的主要因素。计算结果表明,由于电流绕流产生的焦耳热源的作用,裂纹尖端处温度瞬时急剧升高,但沿椭圆形裂纹尖端的温度值并不相同,最大值发生在长轴附近,只要放电电流的强度足够大,可以使椭圆环形裂尖均熔化形成焊口,并围绕环形裂纹尖端附近产生很大的热压应力场,可有效地遏制裂纹的扩展;在相同放电电流强度下,对椭圆裂纹尖端温度影响较大的是裂纹的绝对尺寸和椭圆长短轴的相对尺寸。在研究过程中分成热—电耦合和热—应力耦合两个过程,综合考虑材料非线性、状态变化非线性和几何非线性,结果比较符合实际。

含孔洞缺陷焊接接头放电强化及疲劳寿命分析

针对焊接接头中存在的孔洞等形式的缺陷,利用自制的ZL-2型超强脉冲放电装置对含孔洞缺陷的9Cr Si合金工具钢焊接接头进行了电磁热强化试验,并在自制的疲劳试验机上对放电前后焊接接头的疲劳寿命进行了对比分析,从理论上计算了含孔洞缺陷焊接接头放电瞬间的综合应力强度因子.结果表明,放电电压对疲劳寿命的影响存在最优值,在5.5 k V脉冲放电电压作用下,放电后的焊接接头平均疲劳寿命比放电前提高了10%以上,理论计算的电热应力强度因子为负值,削弱了裂纹扩展的驱动力,进而延长了试件的疲劳寿命.

电磁热效应止裂效果与电流通路尺寸关系的研究

从理论、试验和数值模拟三方面研究利用电磁热效应技术对具有单边裂纹的导体进行止裂时 ,由于裂纹尺寸不同使得导体中电流通路尺寸不同 ,从而导致裂纹尖端的温度场、温度梯度场分布状态的不同。理论分析、试验研究和数值模拟结果均表明 :由于电流产生的焦耳热源的作用 ,能够在裂纹尖端处很小的范围内熔化形成焊口 ,遏制裂纹的扩展 ;导体中裂纹的长度 (即导体中电流通路尺寸 )是影响裂纹尖端温度场和温度梯度场的主要因素。

纤维混杂与微膨胀复合对混凝土阻裂性能的影响

研究了不同尺度、不同性质的纤维混杂和膨胀剂的复合物对混凝土阻裂性能的影响及与其他性能的关系，剖析了纤维混杂与微膨胀的复合效应和机理．

单边裂纹电磁热止裂的动力学效应

对超强脉冲放电止裂瞬间产生的动力学效应及其对裂纹尖端的影响进行研究,通过位移势函数的求解给出准稳态各应力应变分量;通过拉氏变换得出具有动力学效应下的各应力应变分量。以单边裂纹的无限大薄板为例,具体计算出瞬时点热源下的准稳态和动力学效应两种情况下的裂纹尖端局部区域的应力及变化。研究结果表明,在点热源产生的很短时间内,动力学效应会在裂尖附近由于"热击"产生压应力的突变,带有惯性项的动力学效应能更有效的遏制裂纹的扩展。

高压强脉冲电流对金属裂纹的止裂效果

如何产生高强度脉冲电流是应用电磁热效应遏制金属裂纹扩展的一个关键问题。介绍了高压脉冲放电装置的工作原理,从理论、数值模拟、实验三个方面,通过对不同尺寸的裂纹试件导入强脉冲电流而产生的电磁热效应的止裂效果进行了分析和研究,研究结果表明:强脉冲电流产生的电磁热效应,能够使裂纹尖端处熔化形成微小的焊口,遏制了裂纹的扩展。试件的通流尺寸、电阻率、导入电流密度是影响裂纹尖端温度场和温度梯度场的主要因素。

高压脉冲放电技术在金属裂纹止裂中的应用

如何产生高强度脉冲电流是应用电磁热效应遏制金属裂纹研究的一个关键问题。本文介绍了高压脉冲放电装置的工作原理;从理论上分析了充电电压、回路参数与放电电流幅值、放电周期之间的关系。在此基础上,自主设计、开发了一套高压脉冲放电装置。采用它对金属模具钢中裂纹进行了脉冲放电止裂实验。放电时裂纹尖端熔化形成堆焊和高压应力区,使裂纹尖端钝化,达到了止裂的目的。由于脉冲放电快速加热和冷却,在裂纹尖端处实现了冲击淬火,得到了超细化的隐晶马氏体和细粒碳化物等微观组织,提高了裂纹尖端处的硬度、强韧性和耐磨性,试验结果验证了该装置的有效性,本文的成果为采用电磁热效应对金属模具裂纹止裂提供了实验技术基础。

电热止裂相变应力及其对止裂效果的影响

对含裂纹的45钢钢板进行了电热效应裂纹止裂(简称电热正裂)实验研究,发现电热止裂后的裂纹尖端附近发生了相变,并对相变组织进行了实验观察。针对裂尖处的相变区域,进行了相变应变的X射线衍射实验测定,采用Eshelby等效夹杂模型,利用等效夹杂理论进行了放电后裂尖处的相变应力场的理论分析计算。计算结果表明,在裂尖处的相变区域,形成了相变压应力场。分析了相变压应力对止裂效果的长效影响,发现相变压应力对裂纹扩展的阻碍影响是非常明显的,其对裂纹扩展速率降低的影响更是显而易见,起到了长期限制裂纹扩展的作用。研究结果表明,电热止裂技术既具有理论的可行性,也具有实际应用的实效性。

单脉冲电流对高速钢裂纹的止裂效果

利用电磁热效应原理，探讨了超强度脉冲电流对高速钢裂纹止裂的可能性结果表明，利用电磁热效应可在裂纹尖端形成焊口，使裂纹尖端的曲率半径增大，抑制了裂纹扩展同时，对裂纹尖端热影响区的组织进行了分析，讨论了裂纹尖端的组织变化对止裂效果的影响．

含埋藏椭圆形裂纹的金属构件脉冲放电瞬间温度场分析

对带有椭圆埋藏裂纹金属构件在脉冲放电瞬间的温度场进行了理论分析.在带有裂纹问题温度场的理论求解中,根据相似性原理,将电流通过带有椭圆面裂纹导体类比于流体流过障碍物的情形,从而引入了裂纹的边界条件,得到域内电流密度的分布,进而得到了放电瞬间埋藏椭圆裂纹尖端的温度场表达式,为空间裂纹电磁热止裂技术的实际应用提供了理论基础.

通电瞬时板内半无限长裂纹尖端域的应力场

以导电弹性体的麦克斯威尔方程为出发点，借助于边界条件和初始条件，推得了在向含半无限长直线裂纹的无限大导电薄板内通入电流的瞬时，裂纹尖端附近电流密度的表达式。在此基础上，得到了裂纹尖端区域处温度和应力的具体表达式。算例表明，在电流所产生的焦耳热源的作用下，裂尖区域处的温度将瞬时升高，并伴有压应力的产生，从而可达到阻止裂纹扩展的目的。

脉冲电流在镁合金加工中的应用进展

镁合金作为最轻的金属结构材料,具有比重轻、比强度高、电磁屏蔽性能好、抗震性好、易加工、可回收利用以及生物相容性和可降解性良好等特点,在数码、交通和生物医用领域有广泛的应用前景。然而,镁的晶体结构为密排六方结构,在室温下可启动的滑移系少,塑性变形能力较差,这成为限制其广泛应用的主要原因。近年来,关于改善合金加工性能的研究已经广泛开展。研究较多的是通过对塑性加工工艺进行优化来提高合金的成形以及综合力学性能,如大塑性变形、半固态加工、电辅助成形等。其中,电辅助成形是利用电塑性效应,提高合金在加工过程中的塑性,降低变形抗力,同时还能有效节约能源,是实现难变形材料精准成形、提高材料综合性能的绿色加工技术。本文对脉冲电流在镁合金加工中的应用进行了综述,系统探讨了当前变形镁合金的加工方法与力学性能,分析了当前制约变形镁合金发展的因素,重点讨论了电塑性效应的研究现状,总结了国内外电塑性效应在镁合金加工中的研究现状,举例说明了脉冲电流在镁合金轧制、冲压等工艺中的应用。最后,从电塑性效应、止裂效应、极性效应三方面出发,重点综述了脉冲电流在金属塑性加工中的微观作用机理,并对脉冲电流在镁合金中的加工应用前景进行了展望。

脉冲电流作用下炮钢裂纹尖端的金相组织分析

利用材料的电热效应对炮钢进行裂纹止裂实验,并对裂纹尖端材料进行金相组织分析。结果表明:对带有裂纹试件进行脉冲放电裂纹止裂,裂纹尖端处瞬间形成微小焊口,尖端附近组织发生相变,不仅可以达到止裂的目的,还提高了材料的抗断裂能力。

X80级高强低合金管线钢组织与冲击韧性

为了研究准多边形铁素体/板条贝氏体/粒状贝氏体显微组织的高强低合金X80管线钢的低温韧性与冲击裂纹扩展特点,用OM、SEM、EBSD和TEM等多尺度手段进行了表征。结果表明,与针状铁素体/粒状贝氏体相比,在-60℃以上时,准多边形铁素体/板条贝氏体/粒状贝氏体表现出更好的阻止裂纹扩展的能力,准多边形铁素体可以分割显微组织并细化有效晶粒尺寸,增加大角度晶界比例,协调约束冲击裂纹扩展,进而提高韧性;当温度在-60℃以下时,这种准多边形铁素体/板条贝氏体/粒状贝氏体对裂纹扩展的协调约束作用减弱,成为显微组织的"软区",使得材料韧性下降。