CC BY
53
УДК 539.3
ЗАЛЕЧИВАНИЕ ТРЕЩИНЫ В ПРОВОДНИКЕ С ТОКОМ ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
© В.М. Иванов1', Т.Н. Плужникова2), А.В. Лановая1*, А.И. Желтов1'
1 Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Россия Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия, е-таЛ: [email protected]
Ключевые слова: электромагнитное поле; трещина; залечивание.
Предложен механизм залечивания трещин в плоских проводниках с током во внешнем магнитном поле, ориентированном встречно магнитному полю тока в ее вершине, заключающийся в пропускании импульса тока и наложении внешнего магнитного поля.
Работа сильноточного оборудования в машиностроении, также как и эксплуатация элементов и систем радиоэлектроники и микропроцессорной техники, зависит от состояния электро-магнитопроводов, которые в большинстве случаев изготавливают из металлов. Понятно, что независимо от способов изготовления проводников в них накапливаются микро- и макродефекты различной геометрии, наиболее опасными из которых являются трещины. Зародышевые очаги разрушения способны даже при малых концентрациях полей напряжений вызывать необратимые процессы в нарушении сплошности. Поэтому восстановление сплошности металлов или их реанимация путем залечивания трещин является актуальной задачей. Одним из путей ее решения в применении особо ориентированных электрических и магнитных полей, которые, концентрируясь на острых дефектах, создают благоприятные условия как для разрушения, так и для залечивания [1].
Ранее были изучены механизмы разрушения металлических пластин с концентраторами напряжений, которые находились под током. При этом определяющими факторами в процессе разрушения являлись пондеромоторные силы, раздвигающие или соединяющие берега трещины, а также создание в ее вершине расплавленной зоны, наличие которой обусловлено тепловым действием тока. Наложение на активизируемую током зону внешнего магнитного поля попутно полю тока ускоряет процесс разрушения [2].
При встречной ориентации этих полей процесс разрушения замедляется, при компенсации поля тока внешним - тормозится. Преимущество внешнего поля над полем тока приводит к залечиванию трещины (рж. 1).
Это связано с тем, что сформированный расплав в области вершины движется в полость трещины и заполняет ее. При отключении тока жидкий металл, находящийся в междубережье трещины, кристаллизуется и тем самым залечивает ее. Процесс залечивания возможен до тех пор, пока существует расплав в устье трещины и внешнее магнитное поле. Следует отметить, что залечиванию предшествует термомеханическое разрушение кончика трещины током, поэтому цилиндрический объем расплавленного металла, который определяется толщиной пластины и поверхностью выплавления при образовании сквозного отверстия радиусом Я, должен быть равен объему залеченного участка трещины, который определяется раскрытием трещины Д, толщиной пластины к и длиной залечивания I т .
Объем выплавляемого металла:
02, п4а34,
¥пл. =пК 2к =-2-^Гк.
(1)
Сформированный объем жидкого металла должен быть равен объему залечившегося участка трещины:
а) б)
Рис. 1. Распределение электрического (а) и магнитного (б) полей вокруг трещины, в) - механизм залечивания 1050
V, = Дl,h.
(2)
Из равенства (1) и (2) находим длину залеченной трещины:
nj y а 3іЗ а2Дх2L
(Hb - Hzo )
(З)
где (Нв - Нго) - разница в напряженностях внешнего магнитного поля и магнитного поля тока в вершине дефекта, которая способствует продвижению расплавленной зоны в полость трещины. Чтобы определиться с этой разницей, необходимо рассмотреть предельный случай движения жидкого металла в полости трещины, при котором скорость затекания ограничивается турбулентностью. Так как полость трещины представляет собой незамкнутый по сечению канал, жидкий металл может выплескиваться из-за появления поперечной составляющей скорости потока. Поэтому необходим ламинарный режим движения расплава, который определяется следующим равенством [3]:
Re
Рж
(4)
где Яе - магнитодинамический критерий Рейнольдса; рж - плотность жидкого металла; п - коэффициент динамической вязкости жидкого металла; г - гидравлический радиус, равный отношению площади поперечного сечения канала к ее смоченному периметру. В реальных трещинах Д < к, поэтому г = 0,5Д.
Для плоскопараллельного течения жидкого металла в магнитном поле и переходе из ламинарного в турбулентный режим потока Яе = 770 [3].
В связи с тем, что длина залечивания зависит от времени формирования жидкой фазы, а время связано с термической диффузией вокруг вершины трещины, т. е. т = %2/<а, получим:
-(Hb - Hzo )тл/Т.
(5)
Дифференцируя выражение (5) по времени, получим скорость залечивания:
4,7 j У l
У т
Да2х L2
(Hb - Hzo).
(6)
Сравнивая условие (4) с выражением (6) получим:
(Hb - Hzo) = 0,4
Reпа2L2 х
J%P ж
(7)
Например, для трещины длиной I т = 0,5 10" м в
медной пластине и предельной плотности тока ]у = = 4-108 А/м2 при следующих физических константах: Яе = 770; п = 5,410-3 Н-с/м2; а = 0,6107 См/м; Ь = = 1010 Дж/м3; х = 7-10-5 м2/с и рж = 8,2-103 кг/м3 получим: (Нв - Я7о) = 20 А/м, т. е. напряженность внешнего магнитного поля чуть превышает магнитное поле в вершине трещины, которое определяется плотностью тока на бесконечности и длиной трещины I т , поэтому
генерировать внешнее поле не представляет технических трудностей.
Определим предельную скорость залечивания:
4,7 jll
ylT
Да 2 L2 х
(Hв - Hzo) = 6-10-2 M / с.
(8)
Такая скорость движения расплава между берегами трещин повышает текучесть жидкого металла с малой вязкостью и практически не ограничивает заполнение им формы даже в виде канала очень узкого сечения, каким является полость трещины. Названные условия способствуют равномерной кристаллизации залеченного участка, формированию однородной структуры металла в залечившейся области, уменьшению концентрации механических нагрузок и повышению несущей способности плоских проводников.
ЛИТЕРАТУРА
1. Финкель В.М., Головин Ю.И., Иванов В.М. Залечивание трещин в металлах скрещенными электрическим и магнитным полями // Проблемы прочности. 1983. № 4. С. 53-60.
2. Финкель В.М., Головин Ю.И., Иванов В.М., Киперман В.А. Электротермическая резка листового металла электромагнитным полем // Физика и химия обработки материалов. 1985. № 1. С. 13-19.
3. Кирко И.М. Жидкий металл в электромагнитном ноле. М.: Энергия, 1964. 158 с.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Ivanov V.M., Pluzhnikova T.N., Lanovaya A.V., Zheltov A.I. Crack healing in an energized conductor in an external magnetic field
Mechanism of crack healing in flat energized conductors in an external magnetic field counter oriented to magnetic field at the crack top was suggested. This mechanism consists in current pulse transmission and external magnetic field application.
Key words: electromagnetic field; crack; healing.
=
<
r
