脈沖電流作用下45Mn2鋼的裂紋止裂及修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究

張發(fā)海，李麗紅

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221011）

脈沖電流作用下45Mn2鋼的裂紋止裂及修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究

張發(fā)海，李麗紅

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州221011）

圍繞脈沖電流的繞流效應(yīng)和焦耳熱效應(yīng)在裂紋止裂、修復(fù)的應(yīng)用進(jìn)行理論分析、實(shí)驗(yàn)研究，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)特定材料（45Mn2鋼）裂紋止裂及修復(fù)。

脈沖電流；裂紋止裂；裂紋修復(fù)

脈沖電流基于本身的一些特性，加以應(yīng)用，能夠改善金屬材料的物理及機(jī)械性能，關(guān)于脈沖電流裂紋止裂、修復(fù)技術(shù)，目前還需要進(jìn)一步的研究和應(yīng)用。本文針對(duì)45Mn2鋼的裂紋止裂、修復(fù)，進(jìn)行理論分析、實(shí)驗(yàn)研究，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)特定材料裂紋止裂及修復(fù)，從而獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 裂紋止裂、修復(fù)研究現(xiàn)狀

目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)常溫下金屬材料的失效形式已有成熟的研究，并且利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬仿真常溫下常見(jiàn)的金屬失效，經(jīng)計(jì)算分析后給出行之有效的處理方法。但是在高溫下對(duì)金屬材料裂紋修復(fù)的有效性研究還較少，究其原因，無(wú)外乎金屬材料的熔點(diǎn)較高，在進(jìn)行修復(fù)時(shí)材料組織結(jié)構(gòu)和相變過(guò)程較為復(fù)雜，造成在高溫下研究比較困難。金屬材料在使用中容易產(chǎn)生裂紋，有的是表面裂紋、有的是內(nèi)部潛藏形裂紋、或是貫穿形裂紋，都會(huì)給使用造成安全隱患。對(duì)于縫隙較大的裂紋，沒(méi)有辦法應(yīng)用脈沖放電直接修復(fù)，必須對(duì)裂紋先進(jìn)行止裂，再結(jié)合其他的修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于較小尺寸的微裂紋或微損傷可以在高溫下直接對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

2 脈沖電流裂紋止裂、修復(fù)機(jī)理

2.1 裂紋止裂機(jī)理

具有裂紋的金屬零件被接通脈沖電流后，由于裂紋的存在，裂紋的裂縫阻止了電流的通過(guò)，這時(shí)電流只能選擇從裂紋的尖端繞流通過(guò)，正是電流路徑的改變，使裂紋尖端電流密度增加，焦耳熱和磁場(chǎng)強(qiáng)度隨電流密度的增大而增加，使得裂紋尖端溫度被迫升高，甚至高過(guò)了材料的熔點(diǎn)，裂紋尖端局部區(qū)域受高溫的影響產(chǎn)生形似類圓或橢圓形的熔池，形狀的改變?cè)龃罅肆鸭y尖端的曲率半徑，曲率半徑變大，裂紋尖端的應(yīng)力集中將會(huì)減少，甚至是完全消除，并且在裂紋的兩個(gè)側(cè)面上形成了比較大的壓應(yīng)力場(chǎng)，由于壓應(yīng)力的存在，使得裂紋兩面向里收攏，從而實(shí)現(xiàn)裂紋止裂的目的[1]。

2.2 裂紋修復(fù)機(jī)理

當(dāng)試樣被接通脈沖電流時(shí)，由于試樣中裂紋的阻礙，電流的方向會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)電流只能選擇從裂紋的尖端繞流通過(guò)，裂紋尖端區(qū)域電流密度因而會(huì)增加，產(chǎn)生的焦耳熱和磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)隨之增大，迫使裂紋尖端溫度也相應(yīng)升高，而材料受熱產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于膨脹的速度，在壓應(yīng)力[2]的作用下裂縫趨于合攏。而脈沖電流通過(guò)裂紋試樣時(shí)，實(shí)際成為了一種能量形式加速了材料內(nèi)部原子的擴(kuò)散。當(dāng)裂紋兩側(cè)面的距離被壓縮到一定程度時(shí)，裂紋兩側(cè)面上的原子受外界能量的影響會(huì)結(jié)合成新的金屬鍵[1]，部分裂紋被修復(fù)，原本的裂紋被斷開(kāi)形成數(shù)條短裂紋。這時(shí)由于短裂紋尖端縫隙變的更小，形成更高的尖端繞流，產(chǎn)生的焦耳熱促使溫度上升，裂紋修復(fù)將從尖端開(kāi)始。前期形成的短的裂紋受到高溫的影響會(huì)變成小的孔洞，這些小的孔洞會(huì)具有較高的電阻[2]。這時(shí)材料內(nèi)部的脈沖電流，會(huì)在孔洞周圍形成繞流，造成孔洞附近的溫度由內(nèi)向外逐漸遞減，離孔洞越近溫度越高，熱膨脹程度越大，離孔洞較遠(yuǎn)的基體材料溫度較低，膨脹程度較小。由于膨脹程度的不一致，使得離孔洞越近的區(qū)域被擠壓越嚴(yán)重。而且，在脈沖電流的作用下，錯(cuò)位的金屬原子在外界能量作用下向孔洞區(qū)域移動(dòng)，進(jìn)行填充?？锥吹某叽绾蛿?shù)量在壓應(yīng)力和原子位移填充的雙重作用下，都在逐漸減少，裂紋逐步實(shí)現(xiàn)修復(fù)。

3 45Mn2鋼在脈沖電流作用下裂紋止裂及修復(fù)實(shí)驗(yàn)

45Mn2鋼具有良好的力學(xué)性能和機(jī)械加工性能，來(lái)料途徑廣泛、市場(chǎng)價(jià)格較低，在生產(chǎn)加工中應(yīng)用廣泛。脈沖電流處理技術(shù)是一種新的熱處理形式，可以使晶粒細(xì)化，改善金屬材料的力學(xué)性能和其他物理性能[1]。如果將脈沖電流處理技術(shù)作用在具有裂紋的45Mn2鋼試樣上，應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)裂紋的止裂和修復(fù)，現(xiàn)通過(guò)如下實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)試樣采用45Mn2鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，脈沖電流放電裝置如圖1所示，脈沖電流由并聯(lián)的6~7個(gè)電容器組放電產(chǎn)生。產(chǎn)生最大電流密度為jm≈2.5 kA/mm2，放電周期tp≈120 ηs，脈沖的持續(xù)時(shí)間約700 ηs的脈沖電流。將實(shí)驗(yàn)用45Mn2鋼加工成尺寸為60×10×2（mm）的裂紋試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行除銹、機(jī)械加工、拋光、人為制造裂紋等前期處理。然后用不同的脈沖電流參數(shù)對(duì)裂紋試樣進(jìn)行止裂和修復(fù)處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在多個(gè)試樣中選出效果最優(yōu)的，與沒(méi)有經(jīng)脈沖電流處理的試樣進(jìn)行對(duì)比。如表1所示。

圖1 施加在試樣上的脈沖電流實(shí)驗(yàn)裝置及波形圖

表1 實(shí)驗(yàn)用45Mn2鋼的化學(xué)成分（%）

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

脈沖電流實(shí)驗(yàn)完成后，用電子顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)前后裂紋試樣形貌的變化，并進(jìn)行對(duì)比。如圖2可見(jiàn)，圖（a）顯示了未經(jīng)脈沖電流處理前的狀態(tài)，圖（b）顯示了經(jīng)脈沖電流處理后的狀態(tài)，從圖中（b）可以看出，裂紋經(jīng)脈沖放電處理后，靠近尖端的區(qū)域裂紋實(shí)現(xiàn)了修復(fù)。

圖2 裂紋經(jīng)脈沖電流處理前后形貌

由裂紋修復(fù)機(jī)理可知，式樣經(jīng)過(guò)脈沖電流處理之后，試樣溫度的變化是不均勻的，基體部分的溫度升高通常較小，受溫度影響基體組織與性能沒(méi)有發(fā)生太大的變化。通過(guò)觀察裂紋修復(fù)區(qū)域的金相組織，發(fā)現(xiàn)在修復(fù)過(guò)程中形成的孔洞周圍區(qū)域生成了片層狀的珠光體組織，在離孔洞較遠(yuǎn)的區(qū)域基本觀察不到。通過(guò)電子顯微鏡觀察可以看出，在原先的裂紋區(qū)域生成了新的晶粒，這表明通過(guò)脈沖電流放電實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料裂紋部分修復(fù)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于脈沖電流對(duì)試樣基體的溫升很小，因此對(duì)組織基本沒(méi)有造成影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

脈沖電流止裂及修復(fù)的研究在國(guó)內(nèi)外才剛開(kāi)始，如果將此研究成果能夠廣泛應(yīng)用，必將獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]周亦胄，羅申，何冠虎，等．在脈沖電流作用下鋼中裂紋的愈合[J]．材料研究學(xué)報(bào)，2003，17（2）：169-172.

[2]李曉慧，吳杰，白象忠．高壓強(qiáng)脈沖電流對(duì)金屬裂紋的止裂效果[J]．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2006，18（8）：53-57.

Experimental Study on Crack Arrest and Repair of 45Mn2 Steel Under the Action of Pulse Current

ZHANG Fa-hai，LI Li-hong
（Jiangsu Safety Technology，Career Academy，Xuzhou Jiangsu 221011，China）

This paper focuses on pulse current flow effect and joule heat effect on crack repair，the application of the theoretical analysis and experimental research，the final realization of the specific material（45Mn2 steel）crack arrest and repair.

pulse current；crack arrest；crack repair

TG115

A

1672-545X（2016）11-0234-03

2016-08-17

張發(fā)海（1986-），男，江蘇徐州人，講師，本科，研究方向：數(shù)控機(jī)床及自動(dòng)化裝備。