电热止裂相变应力及止裂效果综合分析

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—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—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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景及其理论与实际意义

1.2电磁热效应裂纹止裂的理论与实验研究现状

1.2.1理论研究现状

1.2.2实验研究状况

1.2.3理论、实验及数值分析研究的进展

1.3本文的主要研究内容及课题来源

1.3.1主要研究内容

1.3.2课题来源

第2章数学、力学及相关基础知识

2.1引言

2.2数学基础知识

2.2.1柯西型积分

2.2.2柯西积分的边界值(Coxoдкий-Plemelj公式)

2.2.3有关柯西积分的计算公式

2.2.4边值问题化归黎曼问题的方法

2.2.5共形映射的概念及其基本性质

2.2.6椭圆积分

2.2.7张量分析基础

2.3力学基础知识

2.3.1双调和函数、位移及应力的复数表示

2.3.2半平面上的基本公式

2.3.3带有共线裂纹平面中的基本公式

2.4平面域中具有点热源时的温度势

2.5本章小结

第3章具有两个共线裂纹导电薄板止裂的温度场

3.1具有n个共线裂纹的薄板的温度场

3.1.1裂纹尖端的电流密度

3.1.2裂纹尖端处的热源功率

3.1.3具有n个共线裂纹的薄板的温度场

3.2具有2个共线裂纹薄板的温度场

3.2.1算例

3.2.2算例分析

3.3本章小结

第4章具有两个共线裂纹导电薄板的应力场

4.1带有n个共线裂纹的载流薄板电热止裂时的温度应力场

4.2带有两个共线裂纹薄板电热止裂时的温度应力场

4.3应变能密度函数

4.3.1拉伸载荷作用下电热止裂前裂尖附近的应力场

4.3.2拉伸载荷作用下电热止裂后裂尖附近的应力场

4.4拉伸载荷作用下电热止裂前裂尖附近的应力场

4.5算例分析

4.5.1计算结果与分析

4.5.2结论

4.6本章小结

第5章温度场、应力场的数值模拟

5.1引言

5.2基本方程

5.2.1应用条件的简化

5.2.2电传导方程

5.2.3热传导方程及其边界条件

5.2.4有限元法求解瞬态温度场

5.2.5热应力的有限元分析

5.3算例分析

5.3.1温度场的数值模拟

5.3.2应力场的数值模拟

5.4本章小结

第6章电热止裂的实验与相变应变的实验测定

6.1引言

6.2电热止裂实验

6.2.1脉冲放电实验原理及其实验装置

6.2.2实验试件及其加载装置

6.2.3实验现象

6.2.4裂尖附近的金相组织的变化

6.2.5白亮层的形成及其屏蔽作用分析

6.3相变的物理模拟和相变应变的实验测定

6.3.1物理模拟技术对热/力模拟试验装置的基本要求

6.3.2采用的实验设备

6.3.3实验过程

6.3.4热模拟实验结论

6.4 X射线衍射实验

6.4.1 X射线衍射实验的目的

6.4.2 X射线衍射实验采用的实验设备

6.4.3试件的制备

6.4.4实验方案与实验数据

6.4.5 X射线衍射实验结论

6.5本章小结

第7章电热止裂效果综合分析

7.1残余应力产生的原因

7.2残余应力的测试方法

7.2.1测量残余应力的方法应满足的要求及常用方法

7.2.2 X射线衍射应力分析方法

7.3放电后裂尖附近的相变残余应力

7.3.1 Eshelby等效夹杂理论求解相变应力

7.3.2相变残余应力的实验测定结果

7.4电热止裂效果综合分析

7.4.1分析残余应力场对止裂效果影响的常用方法

7.4.2放电前后裂尖附近的应力强度因子

7.4.3电热止裂效果的综合分析

7.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

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