金属管件微裂纹的电涡流修复方法及机理研究
发布时间：2021-10-17 02:28
结构材料失效往往造成灾难事故和重大经济损失。如果在材料失效前,以裂纹等形式存在的损伤能被修复,将会大幅延长结构材料的寿命,并减少经济损失。因此,材料损伤的修复研究具有重要的经济意义与社会意义。本文针对金属管件中微裂纹修复的难题,提出了一种针对不同磁性金属管件微裂纹的电涡流修复方法,通过电涡流处理试验研究了其对微裂纹修复规律及性能的影响,并采用ANSYS与MAXWELL有限元仿真软件模拟分析了电涡流处理过程中微裂纹附近的物理场变化,揭示了金属管件微裂纹的电涡流修复机制。采用中频感应加热电源作为放电装置,对铁磁性1045钢管件疲劳裂纹开展了谐波电涡流修复试验。试验结果表明轴向裂纹最容易被修复,环向裂纹的修复最困难,而倾斜裂纹介于二者之间。延长处理时间,增加处理次数或者提高处理功率都可以提高疲劳裂纹的愈合程度。谐波电涡流处理可以延缓疲劳裂纹的萌生及扩展:在裂纹萌生前对轴向裂纹试样进行60 k W谐波电涡流处理1s,疲劳裂纹的萌生从5×104次疲劳延缓至6.5×104次;在裂纹萌生后的处理使得裂纹扩展速率从10.3μm/104次疲劳降低至4.1μm/104次。开展了1045钢管件疲劳裂纹谐波电...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
高分子材料的主要修复体系[1]
目前,无机材料修复研究主要集中在混凝土复合材料领域,如图1-2所示[13]。混凝土复合自修复材料的形式主要有:密封有修复剂的中空纤维(或者胶囊)增强混凝土[14,15]、形状记忆合金线增强混凝土[16,17]、生物细菌自修复混凝土[18]、矿物添加剂自修复混凝土[13,19]等。其中,密封有修复剂的中空纤维增强混凝土的修复方式与微管修复体系的高分子材料基本相同;形状记忆合金线增强混凝土的修复主要通过形状记忆合金线在一定温度下恢复原形状的性质来闭合裂纹[20,21];生物细菌自修复混凝土材料的修复方式是通过生物方式诱导矿物沉积填充裂纹来修复裂纹[22,23];矿物添加剂自修复混凝土的修复方式是通过矿物添加剂直接加入混凝土基体中,在裂纹处遇到水反应生成沉积物从而修复裂纹。一般情况下,密封有修复剂的中空纤维增强混凝土与形状记忆合金线增强混凝土是通过物理反应修复,而生物细菌自修复混凝土、矿物添加剂自修复混凝土的修复过程属于化学反应。此外,膨胀剂自修复混凝土[24]、金属纤维自修复沥青混凝土[25]也被相关文献报道过。膨胀剂修复是利用MgO等填充剂通过多步反应与基体生成碳化物填充裂纹[24],而金属纤维自修复沥青混凝土是通过电磁场在基体内部的铝或钢纤维感应出电涡流,从而使得基体内部受热软化而修复裂纹[25]。1.2.3 金属材料修复技术研究现状
根据裂纹扩展驱动力的原理,人们研究出很多延缓、阻止裂纹扩展的方法[28],包括:建立大幅值的弹性压应力场,利用机械加载方式可以得到这种应力场,对所有扩展速度的裂纹都具有止裂效果;钝化裂纹,通过钻孔等方法(如图1-3a所示)增加裂纹尖端的半径,降低应力集中来阻止裂纹的扩展[29];将夹杂、复合层、缺陷、焊缝等障碍设置在裂纹传播路径上,阻碍裂纹沿原路径扩展;对尖端裂纹进行分叉、偏折、二次裂纹等可以使得裂纹尖端的应力强度因子骤然降低,应力集中程度会极大的缓解,裂纹扩展速率降低,以达到止裂的目的。例如,Suresh等[30]发现试样中裂纹路径出现偏折、分叉等现象,会降低局部裂纹扩展驱动力,进而急剧降低裂纹扩展速率(如图1-3b所示)。尽管钝化裂纹、设置障碍与对尖端裂纹进行分叉等方法可以遏制裂纹的扩展,但是这些方法实际上弱化了裂纹尖端区域,引入了新的裂纹源,因而研究可实现修复裂纹而不引入新裂纹源的工艺方法成为当前的研究热点。目前,关于裂纹修复技术的研究主要集中在以下几个方向:形状记忆合金修复金属复合材料体系、过饱和但欠时效的合金体系、微球体或微管状体作为修复剂载体的金属复合材料体系、共晶合金修复体系、等离子喷涂修复、电镀修复、气体碳氮共渗修复、焊接修复和激光修复等[31,32]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]真空感应炉熔炼Fe-Cr-Al合金Al含量控制工艺[J]. 刘建民,严祥,胡显军. 真空科学与技术学报. 2019(02)
[2]感应与传统加热低温回火对45钢管组织与性能的影响[J]. 冯佃臣,崔建新,孙学贤,武星富. 热加工工艺. 2019(02)
[3]脉冲电流-激光复合愈合钛合金深层裂纹微观组织研究[J]. 邓德伟,于涛,张林,杨树华,张洪潮. 机械工程学报. 2017(20)
[4]脉冲电流-激光愈合钛合金深层裂纹愈合处理对力学性能的影响机理研究[J]. 邓德伟,于涛,张林,杨树华,张洪潮. 机械工程学报. 2017(18)
[5]45钢高温拉伸性能试验研究[J]. 赵丽,李晋峰. 大型铸锻件. 2013(05)
[6]电热止裂相变应力及其对止裂效果的影响[J]. 王平,白象忠. 中国机械工程. 2011(08)
[7]直流电脉冲修复LY12CZ铝合金疲劳损伤的研究[J]. 李艳丽,乔生儒,李云,张程煜. 机械强度. 2010(01)
[8]稀土在耐热镁合金中的研究应用[J]. 李克杰,李全安,谢建昌,李建弘,侯麦珍. 稀土. 2009(03)
[9]混凝土梁智能自修复试验与研究[J]. 匡亚川,欧进萍. 大连理工大学学报. 2009(03)
[10]循环压缩应力作用下的疲劳裂纹扩展机制研究[J]. 耿小亮,张克实,郭运强. 机械强度. 2004(02)
博士论文
[1]Al/Fe双金属管磁脉冲复合变形行为及界面微观结构形成机制[D]. 范治松.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于椭圆形微裂纹变形与扩展的准脆性岩石细观损伤—渗流耦合本构模型[D]. 曹林卫.重庆大学 2010
[3]金属构件中空间裂纹电磁热止裂技术的研究[D]. 郑丽娟.燕山大学 2007
[4]金属模具电磁热裂纹止裂的研究[D]. 付宇明.燕山大学 2003
硕士论文
[1]止裂孔形状及位置对金属疲劳裂纹扩展性能影响规律的研究[D]. 刘荣伟.长安大学 2018
[2]热处理工艺对Mg-Gd-Y（-Zn）-Zr合金组织及力学性能的影响[D]. 丁科迪.哈尔滨工业大学 2017
[3]脉冲电流对金属裂纹愈合的作用研究[D]. 于涛.大连理工大学 2016
[4]三点弯曲试件裂纹长度测量的试验研究[D]. 陈延强.大连理工大学 2015
[5]带有半埋藏裂纹金属构件电磁热止裂及力学性能分析[D]. 刘禹.燕山大学 2009
[6]AZ31镁合金筒形件旋压技术研究[D]. 滕焕波.中北大学 2007
本文编号：3440938
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
高分子材料的主要修复体系[1]
目前,无机材料修复研究主要集中在混凝土复合材料领域,如图1-2所示[13]。混凝土复合自修复材料的形式主要有:密封有修复剂的中空纤维(或者胶囊)增强混凝土[14,15]、形状记忆合金线增强混凝土[16,17]、生物细菌自修复混凝土[18]、矿物添加剂自修复混凝土[13,19]等。其中,密封有修复剂的中空纤维增强混凝土的修复方式与微管修复体系的高分子材料基本相同;形状记忆合金线增强混凝土的修复主要通过形状记忆合金线在一定温度下恢复原形状的性质来闭合裂纹[20,21];生物细菌自修复混凝土材料的修复方式是通过生物方式诱导矿物沉积填充裂纹来修复裂纹[22,23];矿物添加剂自修复混凝土的修复方式是通过矿物添加剂直接加入混凝土基体中,在裂纹处遇到水反应生成沉积物从而修复裂纹。一般情况下,密封有修复剂的中空纤维增强混凝土与形状记忆合金线增强混凝土是通过物理反应修复,而生物细菌自修复混凝土、矿物添加剂自修复混凝土的修复过程属于化学反应。此外,膨胀剂自修复混凝土[24]、金属纤维自修复沥青混凝土[25]也被相关文献报道过。膨胀剂修复是利用MgO等填充剂通过多步反应与基体生成碳化物填充裂纹[24],而金属纤维自修复沥青混凝土是通过电磁场在基体内部的铝或钢纤维感应出电涡流,从而使得基体内部受热软化而修复裂纹[25]。1.2.3 金属材料修复技术研究现状
根据裂纹扩展驱动力的原理,人们研究出很多延缓、阻止裂纹扩展的方法[28],包括:建立大幅值的弹性压应力场,利用机械加载方式可以得到这种应力场,对所有扩展速度的裂纹都具有止裂效果;钝化裂纹,通过钻孔等方法(如图1-3a所示)增加裂纹尖端的半径,降低应力集中来阻止裂纹的扩展[29];将夹杂、复合层、缺陷、焊缝等障碍设置在裂纹传播路径上,阻碍裂纹沿原路径扩展;对尖端裂纹进行分叉、偏折、二次裂纹等可以使得裂纹尖端的应力强度因子骤然降低,应力集中程度会极大的缓解,裂纹扩展速率降低,以达到止裂的目的。例如,Suresh等[30]发现试样中裂纹路径出现偏折、分叉等现象,会降低局部裂纹扩展驱动力,进而急剧降低裂纹扩展速率(如图1-3b所示)。尽管钝化裂纹、设置障碍与对尖端裂纹进行分叉等方法可以遏制裂纹的扩展,但是这些方法实际上弱化了裂纹尖端区域,引入了新的裂纹源,因而研究可实现修复裂纹而不引入新裂纹源的工艺方法成为当前的研究热点。目前,关于裂纹修复技术的研究主要集中在以下几个方向:形状记忆合金修复金属复合材料体系、过饱和但欠时效的合金体系、微球体或微管状体作为修复剂载体的金属复合材料体系、共晶合金修复体系、等离子喷涂修复、电镀修复、气体碳氮共渗修复、焊接修复和激光修复等[31,32]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]真空感应炉熔炼Fe-Cr-Al合金Al含量控制工艺[J]. 刘建民,严祥,胡显军. 真空科学与技术学报. 2019(02)
[2]感应与传统加热低温回火对45钢管组织与性能的影响[J]. 冯佃臣,崔建新,孙学贤,武星富. 热加工工艺. 2019(02)
[3]脉冲电流-激光复合愈合钛合金深层裂纹微观组织研究[J]. 邓德伟,于涛,张林,杨树华,张洪潮. 机械工程学报. 2017(20)
[4]脉冲电流-激光愈合钛合金深层裂纹愈合处理对力学性能的影响机理研究[J]. 邓德伟,于涛,张林,杨树华,张洪潮. 机械工程学报. 2017(18)
[5]45钢高温拉伸性能试验研究[J]. 赵丽,李晋峰. 大型铸锻件. 2013(05)
[6]电热止裂相变应力及其对止裂效果的影响[J]. 王平,白象忠. 中国机械工程. 2011(08)
[7]直流电脉冲修复LY12CZ铝合金疲劳损伤的研究[J]. 李艳丽,乔生儒,李云,张程煜. 机械强度. 2010(01)
[8]稀土在耐热镁合金中的研究应用[J]. 李克杰,李全安,谢建昌,李建弘,侯麦珍. 稀土. 2009(03)
[9]混凝土梁智能自修复试验与研究[J]. 匡亚川,欧进萍. 大连理工大学学报. 2009(03)
[10]循环压缩应力作用下的疲劳裂纹扩展机制研究[J]. 耿小亮,张克实,郭运强. 机械强度. 2004(02)
博士论文
[1]Al/Fe双金属管磁脉冲复合变形行为及界面微观结构形成机制[D]. 范治松.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于椭圆形微裂纹变形与扩展的准脆性岩石细观损伤—渗流耦合本构模型[D]. 曹林卫.重庆大学 2010
[3]金属构件中空间裂纹电磁热止裂技术的研究[D]. 郑丽娟.燕山大学 2007
[4]金属模具电磁热裂纹止裂的研究[D]. 付宇明.燕山大学 2003
硕士论文
[1]止裂孔形状及位置对金属疲劳裂纹扩展性能影响规律的研究[D]. 刘荣伟.长安大学 2018
[2]热处理工艺对Mg-Gd-Y（-Zn）-Zr合金组织及力学性能的影响[D]. 丁科迪.哈尔滨工业大学 2017
[3]脉冲电流对金属裂纹愈合的作用研究[D]. 于涛.大连理工大学 2016
[4]三点弯曲试件裂纹长度测量的试验研究[D]. 陈延强.大连理工大学 2015
[5]带有半埋藏裂纹金属构件电磁热止裂及力学性能分析[D]. 刘禹.燕山大学 2009
[6]AZ31镁合金筒形件旋压技术研究[D]. 滕焕波.中北大学 2007
本文编号：3440938
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