脉冲电流作用下45Mn2钢的裂纹止裂及修复实验研究

１ 裂纹止 裂、 修复研究现 状
由于压应力的存在 ， 使得裂纹两面向里 收拢 ， 从而实 目前来看 ，国内外对常温下金属材料 的失效形 现 裂纹 止裂 的 目的【 ｌ １ 。 式 已有成熟 的研究 ，并且利用计算机来模拟仿真常 ２ ． ２ 裂纹 修 复机 理 温下常见的金属失效 ，经计算分析后 给出行之有效 当试样 被 接 通 脉 冲 电 流 时 ，由于 试 样 中裂 纹 的 的处理方法。但是在高温下对金属材料裂纹修复 的 有效 性 研 究 还较 少 ， 究其 原 因 ， 无 外 乎 金属 材 料 的熔 点较高 ，在进行修 复时材料组织结构 和相 变过程较 为复杂 ， 造成在高温下研究 比较 困难 。金属材料在使
３ ． ２ 实验 结果 与讨 论
脉冲电流实验完成后 ，用 电子显微镜观察实验 力和原子位移填充 的双重作用 下 ， 都在逐 渐减少 ， 裂 前 后 裂 纹试 样 形 貌 的变 化 ，并进 行 对 比。 如 图 ２可
Ｃ ０ ． ４ ５
表 １ 实验 用 ４ ５ Ｍｎ ２钢 的化 学 成 分 （ ％）
Ｓ ｊ ０ ２ ４ Ｍｎ Ｉ ． ４ Ｐ ０ ． ０ Ｊ ２ Ｓ ０ ． ０ ２ ８ Ｎ ｊ ０ ． ０ １ Ｃ ｒ ０ ． ０１ Ｃ ｕ ０ ． ０
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《 装 备 制造 技 术） ｝ ２ ０ １ ６年第 １ １ 期
度越 高 ， 热 膨 胀程 度 越 大 ， 离 孔 洞 较 远 的基 体 材 料 温 度较 低 ， 膨 胀程 度 较 小 。 由于膨 胀 程 度 的 不 一致 ， 使 得 离 孔 洞越 近 的 区域被 挤 压越 严 重 。而且 ， 在脉 冲电 流 的作 用 下 ，错 位 的金 属 原 子 在 外界 能 量 作 用 下 向 孔 洞 区域移 动 ， 进 行填 充 。孔 洞 的尺 寸 和数 量在 压应 纹 逐 步实 现修 复 。
脉 冲 电流 基 于本 身 的 一些 特 性 ， 加 以应 用 ， 能 够 流 只能选择从裂纹的尖端绕流通过 ，正是 电流路径
改善金属材料 的物理及机械性能 ，关于 脉冲电流裂 的改变 ， 使裂纹尖端 电流密度增加 ， 焦耳热和磁场强 纹止裂 、修复技术 ， 目 前还需要进一步 的研究和应 度 随电流密度 的增大而增加 ，使得裂 纹尖端温度被 用。本文针对 ４ ５ Ｍ ｎ ２钢的裂纹止裂 、 修复 ， 进行理论 迫升高 ， 甚至高过了材料的熔点 ， 裂纹尖端局部 区域 分析 、 实验研究 ， 以期实现对特定材料裂纹止裂及修 受 高温 的影响产生形似类 圆或椭圆形 的熔池 ，形状 复， 从而获得较大的经济效益。 的改变增大了裂纹尖端的曲率半径 ， 曲率半径变大 ， 裂纹尖端 的应 力集 中将会 减少 ， 甚至是完全消除 ， 并 且在裂纹 的两个侧 面上形成 了比较大 的压应力 场 ，
小 的孔洞 ， 这些小的孔洞会具有较高的电阻Ｉ ２ １ 。这时 具有裂纹 的金属零件被接通脉 冲电流后 ，由于 材料 内部的脉冲电流 ， 会在孔洞周 围形成 绕流 ， 造成 裂纹的存在 ， 裂纹 的裂缝阻止 了电流的通过 ， 这时电 孔洞附近的温度 由内向外逐渐递减 ，离孔洞越近温
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ ８ — １ ７ 作者简介 ： 张发海 （ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 男， 江苏徐州人 ， 讲师 ， 本科 ， 研究 方向 ： 数控机床及 自动化装 备。
藏形裂纹 、 或是贯穿形裂纹 ， 都会给使用造成安全隐 合拢 。而脉冲电流通过裂纹试样时 ， 实际成为了一种 患 。对 于缝 隙较 大 的裂 纹 ， 没有 办法 应 用脉 冲放 电直 能量形式加速了材料 内部原子 的扩散 。当裂纹两侧 接修复 ， 必须对裂纹先进行止裂 ， 再结合其他 的修复 面 的 距离 被 压 缩 到一 定 程 度 时 ，裂 纹 两 侧 面 上 的原 方法进行修复。对于较小尺寸的微裂纹或微损伤可 子受外界能量的影响会结合 成新 的金属 键【 ” ， 部分裂
Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． １ １ ， ２ ０１ ６
脉 冲 电流 作用下 ４ ５ Ｍ ｎ ２钢 的 裂 纹 止 裂及 修 复 实验 研 究
张发海 ， 李 丽红
（ 江苏安全技术职业学院 ， 江苏 徐州 ２ ２ １ ０ １ １ ）
摘 要： 围绕脉 冲电流的绕流效应和焦耳热效应在裂纹止裂 、 修复 的应 用进 行理论分析 、 实验研 究 ， 最终 实现对特 定材料
（ ４ ５ Ｍｎ ２钢 ） 裂纹止裂及修复。
关键词 ： 脉 冲电流 ； 裂纹止裂 ； 裂纹修 复
中图分类 号： Ｔ Ｇ１ １ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ６ ） １ １ — ０ ２ ３ ４ — ０ ３
用 中容 易产 生 裂 纹 ， 有 的是 表 面 裂 纹 、 有 的 是 内部 潜 阻碍 ， 电流 的方 向会 发 生 改 变 ， 这 时 电流 只能 选 择从
裂纹 的尖端绕流通过 ，裂纹尖端区域 电流密度 因而 会增加 ， 产 生 的焦 耳热 和 磁 场 强度 也 会 随 之增 大 ， 迫 使裂纹尖端温度也相应升高 ，而材料受 热产生 的压 应力 大 于膨 胀 的速 度 ， 在 压 应 力闭 的作 用 下 裂缝 趋 于
以在高温下直接对其进行修复。 纹被修复 ， 原本 的裂纹被断开形成数条短裂纹 。这时 由于短裂纹尖端缝隙变 的更小 ，形成更高 的尖端绕
２ 脉冲 电流裂 纹止 裂 、 修复机 理
２ ． １ 裂Leabharlann 纹止 裂机 理 流， 产生的焦耳热促使温度上 升 ， 裂纹修复将从尖端 开始 。前期形成 的短的裂纹受到高温的影 响会变成