脈沖電流作用下45Mn2鋼的裂紋止裂及修復實驗研究

張發海，李麗紅

（江蘇安全技術職業學院，江蘇徐州221011）

脈沖電流作用下45Mn2鋼的裂紋止裂及修復實驗研究

張發海，李麗紅

（江蘇安全技術職業學院，江蘇徐州221011）

圍繞脈沖電流的繞流效應和焦耳熱效應在裂紋止裂、修復的應用進行理論分析、實驗研究，最終實現對特定材料（45Mn2鋼）裂紋止裂及修復。

脈沖電流；裂紋止裂；裂紋修復

脈沖電流基于本身的一些特性，加以應用，能夠改善金屬材料的物理及機械性能，關于脈沖電流裂紋止裂、修復技術，目前還需要進一步的研究和應用。本文針對45Mn2鋼的裂紋止裂、修復，進行理論分析、實驗研究，以期實現對特定材料裂紋止裂及修復，從而獲得較大的經濟效益。

1 裂紋止裂、修復研究現狀

目前來看，國內外對常溫下金屬材料的失效形式已有成熟的研究，并且利用計算機來模擬仿真常溫下常見的金屬失效，經計算分析后給出行之有效的處理方法。但是在高溫下對金屬材料裂紋修復的有效性研究還較少，究其原因，無外乎金屬材料的熔點較高，在進行修復時材料組織結構和相變過程較為復雜，造成在高溫下研究比較困難。金屬材料在使用中容易產生裂紋，有的是表面裂紋、有的是內部潛藏形裂紋、或是貫穿形裂紋，都會給使用造成安全隱患。對于縫隙較大的裂紋，沒有辦法應用脈沖放電直接修復，必須對裂紋先進行止裂，再結合其他的修復方法進行修復。對于較小尺寸的微裂紋或微損傷可以在高溫下直接對其進行修復。

2 脈沖電流裂紋止裂、修復機理

2.1 裂紋止裂機理

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，這時電流只能選擇從裂紋的尖端繞流通過，正是電流路徑的改變，使裂紋尖端電流密度增加，焦耳熱和磁場強度隨電流密度的增大而增加，使得裂紋尖端溫度被迫升高，甚至高過了材料的熔點，裂紋尖端局部區域受高溫的影響產生形似類圓或橢圓形的熔池，形狀的改變增大了裂紋尖端的曲率半徑，曲率半徑變大，裂紋尖端的應力集中將會減少，甚至是完全消除，并且在裂紋的兩個側面上形成了比較大的壓應力場，由于壓應力的存在，使得裂紋兩面向里收攏，從而實現裂紋止裂的目的[1]。

2.2 裂紋修復機理

當試樣被接通脈沖電流時，由于試樣中裂紋的阻礙，電流的方向會發生改變，這時電流只能選擇從裂紋的尖端繞流通過，裂紋尖端區域電流密度因而會增加，產生的焦耳熱和磁場強度也會隨之增大，迫使裂紋尖端溫度也相應升高，而材料受熱產生的壓應力大于膨脹的速度，在壓應力[2]的作用下裂縫趨于合攏。而脈沖電流通過裂紋試樣時，實際成為了一種能量形式加速了材料內部原子的擴散。當裂紋兩側面的距離被壓縮到一定程度時，裂紋兩側面上的原子受外界能量的影響會結合成新的金屬鍵[1]，部分裂紋被修復，原本的裂紋被斷開形成數條短裂紋。這時由于短裂紋尖端縫隙變的更小，形成更高的尖端繞流，產生的焦耳熱促使溫度上升，裂紋修復將從尖端開始。前期形成的短的裂紋受到高溫的影響會變成小的孔洞，這些小的孔洞會具有較高的電阻[2]。這時材料內部的脈沖電流，會在孔洞周圍形成繞流，造成孔洞附近的溫度由內向外逐漸遞減，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域被擠壓越嚴重。而且，在脈沖電流的作用下，錯位的金屬原子在外界能量作用下向孔洞區域移動，進行填充。孔洞的尺寸和數量在壓應力和原子位移填充的雙重作用下，都在逐漸減少，裂紋逐步實現修復。

3 45Mn2鋼在脈沖電流作用下裂紋止裂及修復實驗

45Mn2鋼具有良好的力學性能和機械加工性能，來料途徑廣泛、市場價格較低，在生產加工中應用廣泛。脈沖電流處理技術是一種新的熱處理形式，可以使晶粒細化，改善金屬材料的力學性能和其他物理性能[1]。如果將脈沖電流處理技術作用在具有裂紋的45Mn2鋼試樣上，應該可以實現裂紋的止裂和修復，現通過如下實驗來進行驗證。

3.1 實驗方法

實驗試樣采用45Mn2鋼，其化學成分見表1，脈沖電流放電裝置如圖1所示，脈沖電流由并聯的6~7個電容器組放電產生。產生最大電流密度為jm≈2.5 kA/mm2，放電周期tp≈120 ηs，脈沖的持續時間約700 ηs的脈沖電流。將實驗用45Mn2鋼加工成尺寸為60×10×2（mm）的裂紋試樣，并對試樣進行除銹、機械加工、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對裂紋試樣進行止裂和修復處理，實驗結束后，在多個試樣中選出效果最優的，與沒有經脈沖電流處理的試樣進行對比。如表1所示。

圖1 施加在試樣上的脈沖電流實驗裝置及波形圖

表1 實驗用45Mn2鋼的化學成分（%）

3.2 實驗結果與討論

脈沖電流實驗完成后，用電子顯微鏡觀察實驗前后裂紋試樣形貌的變化，并進行對比。如圖2可見，圖（a）顯示了未經脈沖電流處理前的狀態，圖（b）顯示了經脈沖電流處理后的狀態，從圖中（b）可以看出，裂紋經脈沖放電處理后，靠近尖端的區域裂紋實現了修復。

圖2 裂紋經脈沖電流處理前后形貌

由裂紋修復機理可知，式樣經過脈沖電流處理之后，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有發生太大的變化。通過觀察裂紋修復區域的金相組織，發現在修復過程中形成的孔洞周圍區域生成了片層狀的珠光體組織，在離孔洞較遠的區域基本觀察不到。通過電子顯微鏡觀察可以看出，在原先的裂紋區域生成了新的晶粒，這表明通過脈沖電流放電實驗，可以實現對金屬材料裂紋部分修復；實驗過程中，由于脈沖電流對試樣基體的溫升很小，因此對組織基本沒有造成影響。

4 結束語

脈沖電流止裂及修復的研究在國內外才剛開始，如果將此研究成果能夠廣泛應用，必將獲得極大的經濟效益和社會效益。

[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]．材料研究學報，2003，17（2）：169-172.

[2]李曉慧，吳杰，白象忠．高壓強脈沖電流對金屬裂紋的止裂效果[J]．鋼鐵研究學報，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

張發海（1986-），男，江蘇徐州人，講師，本科，研究方向：數控機床及自動化裝備。