力和脉冲电流耦合作用对金属材料裂纹止裂性能的影响

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本文对带有裂纹的不锈钢导电薄板进行了裂纹止裂实验,研究了力和脉冲电流耦合作用对裂纹扩展的影响。利用数值模拟的方法模拟了不锈钢试样在脉冲电流止裂过程中裂纹尖端温度场及应力场的分布情况。同时,对裂纹尖端在升温过程中的裂纹扩展进行了详细分析。本文的主要研究内容和研究成果如下:(1)自行设计并搭建力和脉冲电流耦合作用下的放电实验装置。通过对脉冲电流放电装置充电回路和放电回路的分析,确定了实验研究的工艺参数及电流、电压与时间的关系。(2)通过实验研究了304不锈钢试样的裂纹尺寸和放电电压对裂纹尖端熔孔曲率半径的影响机制,分析了外加载荷情况下,脉冲电流升温过程中裂纹的扩展机理。实验结果表明,随着放电电压和裂纹长度的增加,裂纹尖端的曲率半径越大。同时,在外加载荷作用下实施脉冲电流止裂的升温过程中,裂纹存在扩展的现象,裂纹长度的增加将会导致金属构件剩余强度降低,抵抗断裂的能力下降。(3)结合电-热耦合、热-力耦合理论,应用有限元方法模拟了304不锈钢试样在脉冲电流止裂过程中裂纹尖端温度场及应力场的分布情况。模拟结果表明,放电电压相同的情况下,裂纹长度越长,裂纹尖端熔化区域越大。而带有相同裂纹长度的试样,放电电压越大,裂纹尖端熔化区域越大。同时,脉冲电流放电过程中,在裂纹尖端附近形成压应力,脉冲电流放电结束后,围绕裂纹尖端形成残余压应力,可以在一定程度上抑制裂纹的扩展,有效的提高试样抵抗断裂的能力。(4)采用围线积分计算裂纹尖端应力强度因子,应用扩展有限元模拟裂纹尖端在升温过程中的裂纹扩展。模拟结果表明,随着温度的升高,裂纹尖端材料断裂韧度降低,外加载荷保持不变的情况下,热压应力不足以抵消拉伸机械载荷作用下垂直裂纹的轴向拉应力,使得综合应力强度因子大于临界应力强度因子,裂纹发生扩展。同时,升温过程中裂纹的扩展量增加超过一定值时,会对构件造成二次损伤。
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