付宇明，王俊麗，鄭麗娟，向 龍，張金森

(燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)損傷與修復(fù)研究所，秦皇島066004)

在鋁合金的凝固過程中施加脈沖電流是最近幾年發(fā)展起來的非平衡電磁細(xì)化技術(shù)，具有細(xì)化晶粒、改善鋁合金組織的作用[1?5]；利用電磁場(chǎng)的熱效應(yīng)來遏制金屬構(gòu)件裂紋的擴(kuò)展是又一非常有發(fā)展前景的非平衡止裂技術(shù)，具有提高結(jié)構(gòu)安全性和可靠性、遏制裂紋擴(kuò)展的作用[6?9]。國內(nèi)外電脈沖處理技術(shù)主要影響液態(tài)金屬凝固過程組織和性能，但對(duì)于改善固態(tài)的鋁合金材料組織和性能尚未開展研究。目前，電磁熱止裂技術(shù)所研究的材料多是黑色金屬，如45鋼等，對(duì)于工程實(shí)踐中含有裂紋的有色合金研究很少，特別是Al-Mg合金，對(duì)止裂后裂紋尖端微小區(qū)域的微觀組織分析幾乎沒有涉及。

為了使這一具有明顯優(yōu)越性的技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，選擇在航空航天及常規(guī)工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的Al-Mg合金試件，在DK7740線切割機(jī)上預(yù)制單邊裂紋，并通過疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制疲勞裂紋。將自制的ZL?2型設(shè)備產(chǎn)生的瞬間超強(qiáng)脈沖電流作用于試件兩端，當(dāng)脈沖電流遇到裂紋、繞過單邊裂紋尖端時(shí)，在裂紋尖端產(chǎn)生強(qiáng)烈的繞流效應(yīng)，瞬間在裂紋尖端很小的范圍內(nèi)產(chǎn)生很大的電流和壓縮熱應(yīng)力及較多的熱量，裂紋尖端形成微小的焊口，裂紋尖端鈍化，在不改變結(jié)構(gòu)及不含裂紋部分原有組織和性能的情況下，能實(shí)現(xiàn)缺陷處裂紋止裂和裂紋尖端組織的超細(xì)化[10]。本文作者從實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論三方面研究電磁熱止裂技術(shù)對(duì)鋁鎂合金這一特殊材料的止裂效果，為將此技術(shù)推廣到有色金屬構(gòu)件裂紋止裂以提高其壽命奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件制備

實(shí)驗(yàn)材料為加工態(tài)的Al-Mg合金，在DK7740線切割機(jī)上首先切割寬度為0.1 mm、長度為9 mm的裂縫，然后用疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制寬度約為0.01 mm、長度約為3 mm的單邊裂紋試件8個(gè)，其尺寸及模型如圖1所示。

圖1 具有單邊裂紋的Al-Mg合金試件Fig.1 Specimen of Al-Mg alloys with unilateral crack (mm):(a)Dimension figure; (b)Specimen figure

1.2 止裂實(shí)驗(yàn)方法

Al-Mg合金的止裂實(shí)驗(yàn)在自制的ZL?2型超強(qiáng)脈沖電流發(fā)生器上進(jìn)行，脈沖電壓的寬度為100 μs，作用時(shí)間約為15 μs，放電電壓根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)脈沖電壓達(dá)到4 kV時(shí)，可使圖1試件裂紋尖端的溫度達(dá)到1 200 ℃，超過了Al-Mg合金的熔點(diǎn)(625 ℃)，使裂紋尖端熔化形成焊口，從而達(dá)到止裂的目的?？紤]到數(shù)值模擬結(jié)果存在誤差，選取不同電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析不同電壓對(duì)裂紋止裂效果的影響。

1.3 止裂效果及討論

1.3.1 宏觀形貌分析

通過對(duì)裂紋尖端鈍化程度的比較及宏觀形貌對(duì)比分析來考察不同電壓對(duì)止裂效果的影響。電壓為4 kV時(shí)，裂紋尖端無任何鈍化愈合現(xiàn)象；電壓為 4.5 kV時(shí)，裂紋尖端的愈合不明顯；電壓為5.5 kV時(shí)，裂紋尖端鈍化，達(dá)到止裂目的；當(dāng)電壓達(dá)到6 kV時(shí)，試件從裂紋處開裂。實(shí)驗(yàn)中效果最佳的放電電壓(5.5 kV)比數(shù)值模擬的(4 kV)高，這是因?yàn)樵诳諝庵蠥l-Mg合金試件表面可形成Al2O3·MgO尖晶的氧化膜，此氧化膜具有比Al-Mg合金更高的熔點(diǎn)。另一方面也說明了放電電壓對(duì)止裂效果存在最優(yōu)值或最優(yōu)值區(qū)間，即放電電壓過低時(shí)達(dá)不到止裂效果，放電電壓過高時(shí)試件沿著裂紋處開裂，而并非電壓越高越好。

圖2所示為止裂前后裂紋尖端的宏觀形貌。圖2(a)所示為止裂前裂紋尖端形貌。可以看出，裂紋尖端的初始半徑可以近似視為 0，是奇異點(diǎn)。圖2(b)所示為放電電壓為5.5 kV時(shí)裂紋尖端形貌?？梢钥闯觯鸭y尖端處形成焊口，裂紋尖端鈍化，半徑將增大 2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，阻止了裂紋的擴(kuò)展。

1.3.2 微觀組織分析

以氫氟酸(1.15 g/mL、2 mL)、鹽酸(1.19 g/mL、3 mL)、硝酸(1.40 g/mL、5 mL)、水190 mL的混合液作為侵蝕劑對(duì)止裂后 Al-Mg合金侵蝕以顯示其晶粒組織。圖3所示為止裂前后裂紋尖端附近材料的顯微組織。未經(jīng)脈沖放電的組織為具有較強(qiáng)方向性的枝狀晶成形組織，且分布不均勻，如圖3(a)所示。而經(jīng)過5.5 kV脈沖電壓放電處理后，裂紋尖端處的組織雖仍為枝狀晶組織，但方向性明顯減弱，枝晶變得更加短小、零亂，合金組織明顯均勻化，如圖3(b)所示。同時(shí)，可以看出，裂紋尖端附近的組織比周圍基體組織明顯細(xì)化，這是由于脈沖放電瞬間裂紋尖端溫度迅速升高，其后裂紋尖端處組織在極大的熱壓應(yīng)力作用下快速冷卻的結(jié)晶過程，抑制了晶粒的形核和長大。細(xì)化的晶粒一方面有利于晶粒承受晶界拉應(yīng)力時(shí)晶粒位置的調(diào)整，避免開裂；另一方面能增加合金中晶界的數(shù)量，使低熔點(diǎn)相更均勻地分布于合金中，從而改善合金的熱裂傾向[11]，達(dá)到止裂的目的。

圖2 止裂前后裂紋尖端宏觀形貌Fig.2 Macro morphologies of crack tip before (a)and after (b)crack arrest

2 電磁熱止裂數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方法

利用Ansys有限元軟件，采用熱?電?結(jié)構(gòu)單向順序耦合分析方法，選擇solid69單元，先進(jìn)行熱?電耦合分析，求得溫度場(chǎng)及溫度梯度場(chǎng)，再進(jìn)行熱?結(jié)構(gòu)耦合分析。利用Ansys軟件的參數(shù)化程序語言APDL功能將熱?電耦合過程中節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，并且設(shè)定沿裂紋方向的所有節(jié)點(diǎn)的位移自由度為 0，進(jìn)而求得熱應(yīng)力場(chǎng)。劃分網(wǎng)格時(shí)，裂紋尖端采用奇異單元，先對(duì)一縱切面劃分，然后對(duì)體進(jìn)行掃略劃分。常溫下Al-Mg合金的物性參數(shù)如表1所列。

圖3 止裂前后裂紋尖端附近材料的顯微組織Fig.3 Microstructures of material at crack tip: (a)Before crack arrest; (b)After crack arrest

表1 Al-Mg合金的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of Al-Mg alloys

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

2.2.1 電流密度場(chǎng)和溫度場(chǎng)

向含有單邊裂紋的Al-Mg合金試件兩端通入均勻強(qiáng)脈沖電流時(shí)，均勻的電流場(chǎng)被試件中的裂紋阻隔，裂紋尖端產(chǎn)生強(qiáng)烈的繞流現(xiàn)象，電流密度場(chǎng)在裂紋尖端處具有奇異性，電流密度場(chǎng)矢量圖如圖4所示。

電流密度在裂紋尖端的強(qiáng)烈繞流現(xiàn)象使裂紋尖端微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生足夠大的電流和較多的熱量，該處的溫度達(dá)到甚至超過材料的熔化溫度而形成焊點(diǎn)，裂紋尖端明顯鈍化，達(dá)到止裂目的。其溫度場(chǎng)分布如圖5所示。

圖4 Al-Mg合金試樣電流密度矢量圖Fig.4 Current density vectors of Al-Mg alloy specimen:(a)Current density overall profile; (b)Partial enlarged drawing of current density near crack tip

圖5 脈沖放電瞬間裂紋尖端的溫度場(chǎng)云圖Fig.5 Temperature contour bands around crack tip after pulse discharge: (a)Temperature field overall profile; (b)Partial enlarged drawing of temperature field near crack tip

2.2.2 熱應(yīng)力場(chǎng)

利用Ansys軟件的參數(shù)化程序語言APDL功能將圖5中熱?電耦合過程中節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，得到試件放電瞬間熱應(yīng)力場(chǎng)分布。圖6(a)所示為x方向熱應(yīng)力分布，y和z方向熱應(yīng)力分布與x方向的相似，這里不再給出。圖6(b)所示為裂紋尖端附近熱應(yīng)力等值面局部放大圖。從圖6(b)中可以看出，圍繞裂紋尖端形成了一層層的等值壓縮熱應(yīng)力，鑲嵌在裂紋尖端外圍，對(duì)裂紋尖端起到“夾緊”作用，阻止了裂紋擴(kuò)展。

圖6 放電后裂紋尖端附近的熱應(yīng)力場(chǎng)Fig.6 Thermal stress field near crack tip after discharge:(a)Thermal stress distribution in x direction; (b)Partial enlarged drawing of thermal stress contour surface crack tip

3 電熱止裂前后應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

3.1 電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解

通過上述實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬均可證明電磁熱止裂技術(shù)對(duì)Al-Mg合金止裂的可行性，為了更進(jìn)一步說明其止裂效果，利用熱源功率計(jì)算公式和復(fù)變函數(shù)理論求解止裂前后應(yīng)力強(qiáng)度因子，從另一角度證明此技術(shù)的有效性。

圖7所示為在受拉伸應(yīng)力及電流密度為J0時(shí)單邊裂紋的載荷板模型。當(dāng)試件只通入電流密度為J0的電流時(shí)，在裂紋尖端產(chǎn)生熱源功率密度為Q的點(diǎn)熱源，Q的表達(dá)式為[12]

式中：σt為電導(dǎo)率；h為薄板的厚度；a為裂紋長度。

當(dāng)根據(jù)復(fù)變函數(shù)共形映射將圖7轉(zhuǎn)化為圖8時(shí)，Q的表達(dá)式變?yōu)?/p>

圖7 施加外載荷的含單邊裂紋載流薄板模型Fig.7 Model of current-carrying plate with unilateral crack under action of loading

圖8 圖7的共形映射圖Fig.8 Conformal map of Fig.7

由文獻(xiàn)[13]可知，長度為AB=L的裂紋，在裂紋尖端A點(diǎn)作用有一熱量為q的點(diǎn)熱源產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子可表達(dá)為

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；αt為線膨脹系數(shù)；E為彈性模量。

將式(2)和(4)代入式(3)即可得單邊裂紋通電瞬間產(chǎn)生電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子Kq為

3.2 綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解及分析

對(duì)于圖7所示模型，若只用強(qiáng)度為σ的外力拉伸試件時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子Kσ為

式中：σ為拉伸應(yīng)力。

綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子(KI)是電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子和拉伸應(yīng)力強(qiáng)度因子的疊加。其值為

應(yīng)力強(qiáng)度因子是表征裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)有效參數(shù)，可作為判斷裂紋是否進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。從式(5)可以看出，電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的符號(hào)為負(fù)，在一定程度上削弱外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子，使電磁熱止裂后綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值有所下降，與裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界值(KIC)差距增大，這也就保證了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展幾率大大減小。同時(shí)，也說明電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子可以遏制裂紋的擴(kuò)展[14?15]。

4 結(jié)論

1)電磁熱止裂技術(shù)對(duì) Al-Mg合金這一特殊材料具有良好的止裂效果，放電電壓對(duì)止裂效果存在最優(yōu)值，放電后裂紋尖端處的組織明顯細(xì)化且均勻化，使低熔點(diǎn)相更均勻地分布在合金中，從而改善裂紋尖端開裂傾向，達(dá)到止裂的目的。

2)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)得到相互驗(yàn)證。模擬結(jié)果表面：Al-Mg合金放電瞬間圍繞裂紋尖端形成一層層等值壓縮應(yīng)力，對(duì)裂紋尖端有“夾緊”作用，能抑制裂紋的擴(kuò)展。

3)根據(jù)復(fù)變函數(shù)從理論上推導(dǎo)了電熱應(yīng)力強(qiáng)度因子，其符號(hào)為負(fù)，削弱了外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子，使綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界值(KIC)差距增大，這也證明了電磁熱裂紋止裂技術(shù)的有效性。

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