脉冲电流作用下45Mn2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221011）

脉冲电流作用下45Mn2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221011）

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（45Mn2钢）裂纹止裂及修复。

脉冲电流；裂纹止裂；裂纹修复

脉冲电流基于本身的一些特性，加以应用，能够改善金属材料的物理及机械性能，关于脉冲电流裂纹止裂、修复技术，目前还需要进一步的研究和应用。本文针对45Mn2钢的裂纹止裂、修复，进行理论分析、实验研究，以期实现对特定材料裂纹止裂及修复，从而获得较大的经济效益。

1 裂纹止裂、修复研究现状

目前来看，国内外对常温下金属材料的失效形式已有成熟的研究，并且利用计算机来模拟仿真常温下常见的金属失效，经计算分析后给出行之有效的处理方法。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。金属材料在使用中容易产生裂纹，有的是表面裂纹、有的是内部潜藏形裂纹、或是贯穿形裂纹，都会给使用造成安全隐患。对于缝隙较大的裂纹，没有办法应用脉冲放电直接修复，必须对裂纹先进行止裂，再结合其他的修复方法进行修复。对于较小尺寸的微裂纹或微损伤可以在高温下直接对其进行修复。

2 脉冲电流裂纹止裂、修复机理

2.1 裂纹止裂机理

具有裂纹的金属零件被接通脉冲电流后，由于裂纹的存在，裂纹的裂缝阻止了电流的通过，这时电流只能选择从裂纹的尖端绕流通过，正是电流路径的改变，使裂纹尖端电流密度增加，焦耳热和磁场强度随电流密度的增大而增加，使得裂纹尖端温度被迫升高，甚至高过了材料的熔点，裂纹尖端局部区域受高温的影响产生形似类圆或椭圆形的熔池，形状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，由于压应力的存在，使得裂纹两面向里收拢，从而实现裂纹止裂的目的[1]。

2.2 裂纹修复机理

当试样被接通脉冲电流时，由于试样中裂纹的阻碍，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[2]的作用下裂缝趋于合拢。而脉冲电流通过裂纹试样时，实际成为了一种能量形式加速了材料内部原子的扩散。当裂纹两侧面的距离被压缩到一定程度时，裂纹两侧面上的原子受外界能量的影响会结合成新的金属键[1]，部分裂纹被修复，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小的孔洞，这些小的孔洞会具有较高的电阻[2]。这时材料内部的脉冲电流，会在孔洞周围形成绕流，造成孔洞附近的温度由内向外逐渐递减，离孔洞越近温度越高，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力和原子位移填充的双重作用下，都在逐渐减少，裂纹逐步实现修复。

3 45Mn2钢在脉冲电流作用下裂纹止裂及修复实验

45Mn2钢具有良好的力学性能和机械加工性能，来料途径广泛、市场价格较低，在生产加工中应用广泛。脉冲电流处理技术是一种新的热处理形式，可以使晶粒细化，改善金属材料的力学性能和其他物理性能[1]。如果将脉冲电流处理技术作用在具有裂纹的45Mn2钢试样上，应该可以实现裂纹的止裂和修复，现通过如下实验来进行验证。

3.1 实验方法

实验试样采用45Mn2钢，其化学成分见表1，脉冲电流放电装置如图1所示，脉冲电流由并联的6~7个电容器组放电产生。产生最大电流密度为jm≈2.5 kA/mm2，放电周期tp≈120 ηs，脉冲的持续时间约700 ηs的脉冲电流。将实验用45Mn2钢加工成尺寸为60×10×2（mm）的裂纹试样，并对试样进行除锈、机械加工、抛光、人为制造裂纹等前期处理。然后用不同的脉冲电流参数对裂纹试样进行止裂和修复处理，实验结束后，在多个试样中选出效果最优的，与没有经脉冲电流处理的试样进行对比。如表1所示。

图1 施加在试样上的脉冲电流实验装置及波形图

表1 实验用45Mn2钢的化学成分（%）

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前后裂纹试样形貌的变化，并进行对比。如图2可见，图（a）显示了未经脉冲电流处理前的状态，图（b）显示了经脉冲电流处理后的状态，从图中（b）可以看出，裂纹经脉冲放电处理后，靠近尖端的区域裂纹实现了修复。

图2 裂纹经脉冲电流处理前后形貌

由裂纹修复机理可知，式样经过脉冲电流处理之后，试样温度的变化是不均匀的，基体部分的温度升高通常较小，受温度影响基体组织与性能没有发生太大的变化。通过观察裂纹修复区域的金相组织，发现在修复过程中形成的孔洞周围区域生成了片层状的珠光体组织，在离孔洞较远的区域基本观察不到。通过电子显微镜观察可以看出，在原先的裂纹区域生成了新的晶粒，这表明通过脉冲电流放电实验，可以实现对金属材料裂纹部分修复；实验过程中，由于脉冲电流对试样基体的温升很小，因此对组织基本没有造成影响。

4 结束语

脉冲电流止裂及修复的研究在国内外才刚开始，如果将此研究成果能够广泛应用，必将获得极大的经济效益和社会效益。

[1]周亦胄，罗申，何冠虎，等．在脉冲电流作用下钢中裂纹的愈合[J]．材料研究学报，2003，17（2）：169-172.

[2]李晓慧，吴杰，白象忠．高压强脉冲电流对金属裂纹的止裂效果[J]．钢铁研究学报，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

张发海（1986-），男，江苏徐州人，讲师，本科，研究方向：数控机床及自动化装备。