金属模具电磁高温纹止裂分析

第1 章 绪论
 
1.1 课题背景

1.2 国内外研究状况
二十世纪七、八十年代，前苏联学者 В.М.Финкель 等人用实验的方法研究了导电薄板内通入脉冲电流时裂纹发展的动力过程，观察了通电瞬间裂纹前缘处的热集中现象，提出了利用电磁热效应来遏制导体中的裂纹扩展的可能性。随后等人对这一过程进行了理论分析。从此揭开了利用电磁热效应进行裂纹止裂研究的序幕。电磁热效应裂纹止裂的研究是伴随热磁弹性理论发展起来的。通过算例给出了动态热应力分布和动力强度因子的数值计算结果。M . Shibui, Y. Sawada 对于核技术装备中托卡马克装置的螺线管接头处的裂纹分析结果指出：焊接应力和周围温度的上升影响着裂纹的传播, 若沿着电力线方向安装螺线管，便可确定连接部位螺线管尺寸的最小值。G .Yagawa,，S.Yoshimura 在文献介绍了电磁力在核压力容器裂纹动力学问题研究中的应用，给出了具有单边裂纹的高强度钢制成的试件，在瞬变电流和电磁场的作用下，变化的电流和电磁场与裂纹相互作用的结果，在整个试件中体现了电磁力的动力学效应。
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第 2 章 本文用到的复变函数基本方程
 
2.1 数学基本方程
对于电磁热效应裂纹止裂技术，科学工作者采用积分变换等数学方法在进行其理论推导方面做出了很多努力，然而这些方法都有一些局限性，而且对于分析带有空间裂纹的问题更显现出不足，是否有一种更行之有效的方法呢？通过实际研究发现：复变函数法在解决电磁热效应裂纹止裂问题时显示了很大的优越性，是较为方便的数学工具。复变函数法可以通过共形映射将带有裂纹的问题转化到无限大半平面上求解，将复杂问题转化为经典问题。因为带有裂纹的热弹性问题在理论求解中，裂纹的边界条件引入是非常困难的，采用传统的热传导方程或积分变换法，遇到了无法克服的困难，同时可以将电流通过带有裂纹的导体类比于流体流过障碍物的情形，在复变函数方法中，它们具有类似的势函数形式，而且流场中这些问题有经典解答。本章所列出的复变函数基本关系的推导过程，反映出了求解电磁热裂纹止裂问题的思路，就是将带有裂纹的边值问题转化为黎曼问题，在转换平面上求得温度场和热应力场，再通过反变换求得电磁热裂纹止裂时金属模具内的温度场和热应力场。
 
2.2 热应力的复变函数表示
研究具有工程实际意义的金属凹模中空间裂纹止裂脉冲放电瞬间的温度场和热应力场，将对电磁热裂纹止裂技术的工程应用，减少和消除由于裂纹而导致的破坏问题，及对电磁热裂纹止裂的研究从平面推广到空间提供了理论分析的思路。本章选择具有轴对称性质、上表面带有半埋藏环形裂纹的金属凹模为研究对象，通过金属凹模内外环面均匀通入强脉冲电流。该问题的逐步研究解决，为分析更一般情况下空间裂纹的电磁热裂纹止裂问题具有一定的指意义。由前面研究可知，通入电流后在轴对称金属凹模内形成了温度场，由于温度分布的不均衡，将会在整个金属凹模体内产生热应力，热应力的分布是影响电磁热效应裂纹止裂的一个重要因素。同求解温度场类似，在求解径向应力和轴向应力时，将轴对称金属凹模的热应力问题通过 2.2 节的共形映射，采用转化模型进行计算，至于环向应力可以通过轴对称问题的应力应变关系求得。
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第 3 章 金属模具电磁热空间裂纹止裂的理论分析…17
3.1 引言……………17
3.2 理论分析模型的建立……………17
3.3 热源功率的计算…………… 19
3.4 温度场的求解……………20
第 4 章 金属模具材料裂纹止裂的数值模拟研究……………44
4.1 金属模具材料放电瞬间的温度场数值模拟……………44
4.2 具有边缘裂纹金属模具材料的温度场数值模拟……………47
4.3 带有中间裂纹金属模具材料温度场的数值模拟……………51
第 5 章 金属模具中空间裂纹止裂的数值模拟研究……………68
5.1 金属模具中轴对称空间裂纹止裂的数值模拟……………68
5.2 金属凹模中上表面半埋藏环形裂纹止裂的数值模拟……………71
5.3 金属凹模内壁半埋藏环形裂纹局部跨越止裂的数值模拟……………75
第 6 章 金属模具电磁热裂纹止裂实验研究…………… 80
6.1 金属模具材料电磁热裂纹止裂验证实验……………80
6.2 GCr15 冷冲凹模裂纹止裂及组织性能分析……………83
6.2.2 止裂后裂纹尖端的钝化
6.3 脉冲放电截止热疲劳裂纹亚临界扩展……………86
6.4 白亮层的形成及微观止裂机理……………90
第 7 章 电磁热裂纹止裂及修复实验研究……………101
7.1 Cr12 凹模磨削裂纹止裂与封闭修复……………101
7.2 9Cr2 凹模淬火裂纹止裂及搭桥修复……………103
7.3 9SiCr 冷作模具钢淬火裂纹的搭桥修复……………105
 
第 7 章 金属模具裂纹止裂后的修复实验
 
7.1 Cr12 凹模磨削裂纹止裂与封闭修复
Cr12 矽钢片冷冲凹模，其形状复杂，如图 7-1 所示。矽钢片冷冲凹模加工制造过程需改锻和切削加工，所以生产成本高。由于 Cr12 属于高合金莱氏体钢，含碳量很高，不仅改锻困难，而且淬火后残余奥氏体较多，磨削加工时易产生磨削裂纹。修复已产生磨削裂纹的凹模，对于降低电机制造成本具有十分重要的经济意义，针对这一情况，提出了对 Cr12 矽钢片冷冲凹模磨削裂纹修复的新方法，即止裂与封闭修复法。细浅、肉眼难辨的磨削裂纹对模具造成危害的关键原因是它的继续扩展，而继续扩展的关键是因为裂纹尖端应力集中。修复第一步采用脉冲放电的方法使裂纹尖端熔化，形成焊口，就可钝化、超钝化裂纹尖端，阻止裂纹的扩展并且为后续的焊合封闭裂纹创造条件。选取带有磨削裂纹的冷冲矽钢片凹模一块。化验分析 Cr12凹模的化学成分如表 7-1。
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结论
金属模具中的裂纹是引起模具失效和破坏的主要原因，本文正是针对这一工程实际问题开展了理论分析、数值模拟和实验研究工作，并取得了如下一些结论和创新点。
(1) 首次采用复变函数中的共形映射法，通过转化模型完成了带有半埋藏轴对称空间裂纹的金属模具通电瞬间裂纹尖端处热源功率的计算，从而求解出裂尖附近的温度场和应力场，为金属模具中空间裂纹电磁热止裂建立了理论分析模型，也为解决空间裂纹电磁热止裂问题找到了有效的数学手段。
(2) 理论计算结果表明：在放电瞬间，温度变化集中在裂纹尖端，同时围绕裂纹尖端形成强大的压应力场；计算同时给出了有外载荷作用时，止裂后裂纹尖端应力场的情况，得到如下规律：止裂时金属模具内的应力状态主要受放电瞬间引起的热应力影响。
 
参考文献（略）