中文摘要：

实现含埋藏裂纹金属构件止裂及强化是将电磁热止裂技术工程应用必须解决的关键问题。前期预研工作表明在超强脉冲电流的作用下，应用金属构件的电磁热效应，根据金属构件内埋藏裂纹深度及角度控制脉冲电流强度、接触电极位置，可使其裂尖钝化，消除应力集中，并改善其内应力状态，同时使裂尖附近组织超细化、得到强韧性均高的相变组织，阻止了裂纹开裂趋势，达到了止裂目的，提高了构件的力学性能和断裂韧性。电磁热止裂技术将是提高带有埋藏裂纹金属构件性能行之有效的方法。本项目综合运用实验、数值模拟和理论研究方法，结合超声波无损检测方法对埋藏裂纹进行确认标定，利用电磁热效应实现构件内埋藏裂纹止裂及性能强化；进行断裂韧性测试，完成空间裂纹的应力强度因子及应变能密度因子理论分析和数值模拟研究。项目属于断裂力学、电磁学和材料科学的交叉前沿科学，具有重要的理论意义和实际应用价值。

结论摘要：

利用超强瞬间脉冲电流在带有埋藏裂纹金属构件内产生的电磁热效应实现了裂纹止裂和力学性能强化，研究表明电磁热止裂是提高带有埋藏裂纹金属构件力学性能行之有效的方法。本项目综合运用实验、数值模拟和理论分析方法开展研究工作。依据相似理论，将脉冲电流遇到埋藏裂纹时的流动情况类比于水流场流过障碍时的流动规律。在理论分析中，基于复变函数方法和流体力学理论给出了带有圆形埋藏裂纹、椭圆形埋藏裂纹、轴对称埋藏斜裂纹及半圆形埋藏裂纹的金属构件电磁热止裂时温度场、热应力场、应力强度因子的理论解；给出了带有圆形埋藏裂纹金属构件放电瞬间的应变能密度理论解。研究发现脉冲放电瞬间，在埋藏裂纹尖端形成了热压应力场，止裂后，综合应力强度因子减小，有效遏制了埋藏裂纹的扩展；建立了含多个埋藏裂纹构件止裂及止裂后相变应力分析的理论模型。通过焊接、芯轴过盈配合热压及激光熔覆等方法在45钢、2Cr13、40CrNiMo、铝合金等金属构件中预制埋藏裂纹；通过堆焊在金属表面耐磨堆焊层、结合层内预制了多个埋藏裂纹；结合超声波无损检测方法确定埋藏裂纹的尺寸、位置、形态等关键参数；完成埋藏裂纹电磁热止裂实验，并对止裂前后构件冲击韧性、抗拉强度、抗弯强度等关键力学性能进行对比测试，研究发现止裂后金属构件主要力学性能得到明显改善。以含圆形埋藏裂纹的2Cr13构件为例，在合适脉冲电流作用下，抗弯性能提高了约18%；抗拉强度提高了11.7%，断裂延长率提高了34.6%；对止裂前后埋藏裂纹裂尖附近的微观组织进行了分析，采用SEM、EDS分析了止裂前后的冲击断口，发现止裂后裂尖附近的显微组织明显细化，出现了低碳马氏体，碳化物颗粒变的小、匀、圆，提高了裂纹的扩展功，并且材料的韧性也得到了提高。通过电—热—机械多场耦合的方法完成了金属构件中埋藏裂纹电磁热止裂的数值分析，给出了含埋藏裂纹金属构件电磁热止裂时温度场、温度梯度场、热应力场及残余应力场的数值解，并求得了应力强度因子及应变能密度。合适的脉冲电流放电瞬间，电磁热在金属构件裂纹尖端处产生一个热压应力区，不但不会对构件造成破坏，还可以有效地改善裂纹尖端的应力状态。项目研究解决了含埋藏裂纹金属构件电磁热止裂及强化的关键基础科学问题。