含有裂紋的Al-Mg合金構(gòu)件電磁熱止裂

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。考慮到數(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

通過對裂紋尖端鈍化程度的比較及宏觀形貌對比分析來考察不同電壓對止裂效果的影響。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。可以看出，裂紋尖端處形成焊口，裂紋尖端鈍化，半徑將增大 2～3個(gè)數(shù)量級，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，求得溫度場及溫度梯度場，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。劃分網(wǎng)格時(shí)，裂紋尖端采用奇異單元，先對一縱切面劃分，然后對體進(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 電流密度場和溫度場

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，電流密度場在裂紋尖端處具有奇異性，電流密度場矢量圖如圖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

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 Al-Mg合金這一特殊材料具有良好的止裂效果，放電電壓對止裂效果存在最優(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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