半埋藏裂纹45钢金属构件热止裂电磁性能研究

半埋藏裂纹45钢金属构件热止裂电磁性能研究

残余应力的形成和发展随着磁弹性科学和热磁弹性科学的发展，阐明磁体结构的断裂是一种有效的方法，它可以延长工作时间，提高安全性和可靠性。电磁热裂纹止裂后,对金属构件所做的力学性能测试实验表明,钝化的裂尖阻止了干线裂纹源的形成;同时,围绕裂尖形成的残余应力场也是阻止裂纹扩展的另一个重要原因,止裂后金属构件的抗拉强度、抗冲击能力得到了明显提高。但是,止裂前后残余应力场的变化情况、止裂后残余应力的种类及分布情况,以及这些情况与止裂参数的关系等,相关研究目前还很缺少,迫切需要从理论和实验测试方法上进行深入研究,这些工作均是电磁热止裂技术工程应用必须解决的关键问题。本文完成了45钢构件中半埋藏裂纹止裂实验,采用超声波残余应力对比测试法分析了止裂前后残余应力变化情况,并通过耦合场理论分析了止裂后构件内残余压应力的具体数值及分布,为半埋藏裂纹电磁热止裂技术的实际应用,进行了基础研究工作。1化学加量促使半独立裂出形貌,消除缺陷,遏制裂纹止裂电磁热效应理论研究结果表明,向带有裂纹的金属构件中通入瞬间强脉冲电流,由于裂纹面的存在,将发生绕流现象,大量电流在裂尖处积聚,由于焦耳热的产生,致使裂纹尖端小范围内强化加热,导致裂纹尖端瞬间熔化、钝化,达到半埋藏裂纹止裂的目的。利用脉冲电流在裂纹尖端处产生的瞬时集中效应实现了裂纹止裂,在对构件其它部位不造成破坏的同时,裂纹前缘处钝化,消除了裂纹尖端处的应力集中,遏止了裂纹的扩展。裂纹尖端熔化区的超细化结晶组织,及冷却后裂尖的残余压应力状态变化,进一步提高了止裂效果。1.1测试产品的准备实验选用45钢试件,通过线切割加工出半埋藏裂纹,用拉压疲劳试验机预制疲劳裂纹,再经退火处理消除残余应力,试件尺寸如图1所示。1.2高压脉冲放电止裂强化装置实验用主要设备为自主研制开发的ZL-2型放电装置,如图2所示。ZL-2装置属于大储能类,功率大,放电周期短,具有自动控制功能,其高压脉冲放电止裂强化装置由直流充电装置、主放电回路、触发回路、测量装置和控制回路5部分组成。1.3停止裂缝实验止裂实验采用5000V放电电压,止裂后裂纹尖端如图3所示,可以发现止裂后,裂纹尖端明显钝化。2超声比较法测定剩余力2.1残余应力与声速采用超声波无损检测方法,对试件止裂前后残余应力进行对比研究。实验中使用横波发射,波速为3240m/s;斜探头,斜率k=58,探头频率为2.5Hz。根据文献给出的方程可以确定出残余应力与声速的关系,当试件所受的残余应力值增大时,声波在试件中传播受到的阻碍增大,同一时间走过的声程值降低。比较电磁热止裂前后超声波声程变化值,可直观得到残余应力的变化情况。2.2回波波峰处声程测定实验采用QSK-958全电脑超声波仪,该设备属于新一代智能型超声波检测仪器。首先测出放电前试件中标定位置的A扫图像,测得该位置回波波峰处声程,经过5次测量,求得声程平均值S=11.8mm,如图4a所示。止裂后再测得已标定的位置回波波峰处的声程平均值S=10.8mm,如图4b所示。由以上数据比较可直观看出,试件脉冲放电止裂后,超声波测得的声程降低,表明止裂后试件内的残余应力增大。2.3残余应力的产生根据超声波残余应力对比分析方法得到的数据,其显现出的规律为,内部所受残余应力增大。瞬间超强脉冲放电后,试件内部产生了残余应力。由于超声波对比法无法具体确定,该残余应力是拉应力还是压应力,因此需要通过耦合场数值分析的方法,具体确定出止裂后试件内残余应力的种类及具体分布情况。3剩余力值分析3.1残余应力场分析对带有半埋藏裂纹的金属构件,脉冲放电瞬间的温度场按热—电耦合焦耳热问题进行处理。由于放电时间短暂,可忽略试件向周围环境的散热问题,仅考虑试件内的热传导问题,即采用间接法进行残余应力场分析。采用ANSYS间接法模拟计算电磁热止裂后的残余应力场。首先进行热分析,得到电磁热止裂过程中的温度场分布,将求得的节点温度作为载荷,施加在结构应力分析中;并且在分析时仅考虑电磁热止裂温度场对其应力应变场的单向耦合作用,因高温时其屈服极限较低,此时相变应力也很低,所以忽略相变应力,不会给电磁热止裂残余应力求解带来较大的影响。本文仅研究单向的电磁热止裂温度场对应力应变场的影响,运用ANSYS间接耦合法进行模拟计算,进而得出止裂后残余应力场的分布。3.2冷却过程模拟计算结果空间描述,根据热网格模型进行残余应力的求解,结果如下图完成对本文45钢试件放电瞬间的温度场计算。在垂直裂纹的方向通入适当强度的电压,设定随温度变化的材料物理参数,如导热系数λ、比热容C、密度ρ、电阻率α,其常温下的数值为,λ=48W/(m·℃),C=480J/(kg·℃),ρ=7.85×103kg/m3,α=2.9×10-8Ω·m。脉冲放电时间设为0.5ms,划分载荷步求解脉冲放电瞬间的温度场,图5为脉冲放电瞬间后裂纹尖端处的温度场分布云图,可见裂纹尖端处温度急剧升高,超过材料的熔点,裂尖钝化,阻止了裂纹的开裂趋势。在脉冲放电瞬间温度场计算完成的前提下,进行构件冷却过程模拟计算,使构件温度均匀达到室温。对冷却阶段热传递,考虑自身的热传导和与外界的对流换热,通过设置热传导系数与对流换热系数实现。整个冷却过程划分多个载荷步完成,在冷却初期,模型温差显著,温度变化剧烈,时间步长设大会引起结果发散;在随后的冷却过程中,温差逐渐缩小,此时步长可以相应的增大。图6a～图6c分别为0.05s,5s,90s的构件温度分布云图,可见构件的温度在逐渐降低,到90s时,构件的温度已趋于室温。此时构件和外界等温,无外力作用,可进行残余应力的求解。这是电磁热止裂后计算残余应力的关键一步,为后续残余应力的计算提供节点温度载荷。调入热网格模型,在前处理中把热单元转换为结构单元,并且定义弹性模量E,切变模量G,屈服强度σγ,热膨胀系数αa,泊松比ν等随温度变化的材料力学性能参数。其常温数值为E=205GPa,G=80.2GPa,σγ=355MPa,αa=11.3μm/(m·K),ν=0.284。读入节点温度值加载求解,将所有的节点温度按载荷步加入后计算求解,得出残余应力结果。图7为裂纹前缘处金属构件轴向残余应力云纹图,由图可见,止裂后试件内残余应力数值较小,最大压应力仅为1507Pa,而最大拉应力也仅为1645Pa,但分布不均匀,在裂纹前缘处出现的是轴向残余压应力,离裂尖越近,受到的压应力越大,该压应力场的存在,能起到阻止干线裂纹源形成的作用,是一种对工程有利的残余应力形式,可使试