CN110373534A - 一种减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，属于提高固体部件使用寿命技术领域，解决了现有技术中的无法在保证固体部件强度基本不变的情况下避免或减缓固体部件的裂纹的产生和扩展的问题。该减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法为将固体部件置于静磁场和/或静电场内。本申请的方法可用于减缓固体部件裂纹产生和扩展。

Description

一种减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法

技术领域

本申请涉及一种提高固体部件使用寿命的方法，尤其涉及一种减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法。

背景技术

固体部件在使用过程中会出现裂纹，裂纹尖端会在扩张应力的作用下，逐渐扩展，从而导致整个固体部件的破坏。通常情况下，塑性较好的固体部件具有更好的抗裂纹扩展能力。通常情况下，固体部件材料的塑性与其强度是成反比的，提高固体材料的塑性一般来说可以采用如下两种方法，一是减少材料的强化元素含量，二是通过热处理使材料的晶体结构转变为更易变形的晶体结构，显然地，上述两种方法均会导致固体部件材料强度的降低，使其无法保证强度要求。此外，采用上述两种方法还需要昂贵的材料或者复杂的制造工艺(例如，合金的超高纯冶炼)，从而大大增加固体部件的生产成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本申请旨在提供一种减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，解决了现有技术中的无法在保证固体部件强度基本不变的情况下避免或减缓固体部件的裂纹的产生和扩展的问题。

本申请的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本申请提供了一种减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，方法为将固体部件置于静磁场和/或静电场内。

在一种可能的设计中，固体部件为金属部件。

在一种可能的设计中，固体部件为发动机或燃气轮机。

在一种可能的设计中，固体部件分为运动部件和静止部件；运动部件位于静磁场中，在转动时不切割磁力线或者在转动时切割磁力线但不形成电流闭合回路；静止部件位于静磁场和/或静电场内，静止部件内部不产生电流。

在一种可能的设计中，固体部件为运动部件，在运动部件的工作过程中施加静磁场，在运动部件不工作时，不施加静磁场。

在一种可能的设计中，固体部件为静止部件，在静止部件的工作过程中施加静电压，在静止部件不工作时关闭静电压。

在一种可能的设计中，静磁场强度为0.1T～6.0T。

在一种可能的设计中，静电场强度为120～180V。

本申请还提供了一种静磁场在固体部件中的应用，静磁场用于减缓固体部件裂纹的产生和扩展。

本申请还提供了一种静电场在固体部件中的应用，静电场用于减缓固体部件裂纹的产生和扩展。

与现有技术相比，本申请有益效果如下：

a)本申请提供的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法中，对固体部件施加静磁场和/或静电场。在静磁场和/或静电场的作用下，固体部件中原子的中性部分(原子核)处于万有引力时空区间，原子的电性部分(电子)处于静磁场力时空区间和/或静电场力时空区间，由于万有引力的作用力较弱，静磁场力的作用力较强，因此，静磁场力时空区间和/或静电场力时空区间的弯曲程度会远远大于万有引力时空区间，也就是说，由于静磁场和/或静电场的施加，使得原子的电性部分与中性部分的时空区间发生了不同步弯曲。对于固体部件来说，其材料晶体结构是依靠相邻两个原子中的电子形成化学键(电子交换对)维持的，施加静磁场和/或静电场后，等于电子的时空区间被施加额外的弯曲，虽然，构成固体材料的原子的空间位置没有改变，但是由于其电子的时空区间被施加该额外的弯曲，因此该固体的原子的电子的活动范围减小，原子之间的化学键被延长，也就相当于原子之间的距离被拉长，这样该固体在受力变形时，其原子在其晶格位置上的弹性位移量相对增加，从而使该固体在受力变形时的弹性变形量相对增加，也就是可恢复的变形量增加，因此能够增大产生永久变形或断裂时所受的力，提高固体部件的抗裂纹扩展能力。

b)本申请提供的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，在裂纹产生后，裂纹扩张应力较少，传递不到裂纹尖端，这就降低甚至消除裂纹尖端的应力集中，进而降低甚至避免裂纹扩展的风险。

c)本申请提供的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，与高温下固体材料的塑性提高不同，高温下固体材料的塑性提高是由于其构成原子的平均平动动能提高、原子在其晶格位置上的稳定程度下降造成的，通过在裂纹尖端产生微区塑性变形，改变裂纹尖端的尖锐程度来缓解扩张应力在裂纹尖端造成的应力集中，从而减缓裂纹的扩展风险，但是，此时，该固体部件已经产生了一定的损坏，即裂纹尖端的微区塑性变形，而塑性变形是永久变形，这种永久变形在该固体材料制成的零部件中累积将会缩短其使用寿命。对于上述减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，只是相当于固体部件的原子间距增大了，原子在其晶格位置上的稳定程度没有改变，从而能够在保证固体部件的温度和强度基本不变的基础上提高固体部件的弹性变形能力，这就从根本上减缓甚至抑制了固体部件的裂纹的产生和扩展，延长固体部件的使用寿命。

本申请所依据的机理和其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

具体实施方式

下面具体描述本申请的优选实施例。

本申请提供了一种减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，使固体部件位于静磁场和/或静电场内，静磁场和/或静电场用于减缓固体部件裂纹的产生和扩展。具体来说，静磁场可以由静磁场发生器产生，静电场可以由静电场发生器产生。

需要说明的是，上述静磁场不是以产生吸引力或排斥力为目的上述静电场不是以产生电流为目的，两者均是以产生叠加在一起的强相互作用场与弱相互作用场的各自感受体的时空区间弯曲不同步为目的的。所述固体部件的构成原子和其电子的行为因此而不同于常态，导致该固体部件材料的物理参数发生变化。

与现有技术相比，本申请提供的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法中，对固体部件施加静磁场和/或静电场。在静磁场和/或静电场的作用下，固体部件中原子的中性部分(原子核)处于万有引力时空区间，原子的电性部分(电子)处于静磁场力时空区间和/或静电场力时空区间，由于万有引力的作用力较弱，静磁场力的作用力较强，因此，静磁场力时空区间和/或静电场力时空区间的弯曲程度会远远大于万有引力时空区间，也就是说，由于静磁场和/或静电场的施加，使得原子的电性部分与中性部分的时空区间发生了不同步弯曲。对于固体部件来说，其材料晶体结构是依靠相邻两个原子中的电子形成化学键(电子交换对)维持的，施加静磁场和/或静电场后，等于电子的时空区间被施加额外的弯曲，虽然，构成固体材料的原子的空间位置没有改变，但是由于其电子的时空区间被施加该额外的弯曲，因此该固体的原子的电子的活动范围减小，原子之间的化学键被延长，也就相当于原子之间的距离被拉长，这样该固体在受力变形时，其原子在其晶格位置上的弹性位移量相对增加，从而使该固体在受力变形时的弹性变形量相对增加，也就是可恢复的变形量增加，因此能够增大产生永久变形或断裂时所受的力，提高固体部件的抗裂纹扩展能力。

同时，在裂纹产生后，裂纹扩张应力较少，传递不到裂纹尖端，这就降低甚至消除裂纹尖端的应力集中，进而降低甚至避免裂纹扩展的风险。

需要强调的是，采用减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，与高温下固体材料的塑性提高不同，高温下固体材料的塑性提高是由于其构成原子的平均平动动能提高、原子在其晶格位置上的稳定程度下降造成的，通过在裂纹尖端产生微区塑性变形，改变裂纹尖端的尖锐程度来缓解扩张应力在裂纹尖端造成的应力集中，从而减缓裂纹的扩展风险，但是，此时，该固体部件已经产生了一定的损坏，即裂纹尖端的微区塑性变形，而塑性变形是永久变形，这种永久变形在该固体材料制成的零部件中累积将会缩短其使用寿命。对于上述减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，只是相当于固体部件的原子间距增大了，原子在其晶格位置上的稳定程度没有改变，从而能够在保证固体部件的温度和强度基本不变的基础上提高固体部件的弹性变形能力，这就从根本上减缓甚至抑制了固体部件的裂纹的产生和扩展，延长固体部件的使用寿命。

与传统的抑制固体材料裂纹尖端扩展的原理相比，传统原理是固体材料裂纹在扩张应力下，裂纹尖端的尖锐程度随着裂纹尖端的微区塑性变形而迅速下降，进而使裂纹尖端应力场的应力集中程度迅速下降，也就是说该裂纹尖端由于塑性变形变圆了。因此，这也就是说虽然裂纹尖端的应力集中降低了，裂纹的扩展风险减小了，但是该固体材料其实已经产生了一定的损坏，即：裂纹尖端的微区塑性变形，而塑性变形是永久变形，这种永久变形在该固体材料制成的零部件中累积将会缩短其使用寿命，这也是为什么某些重要零部件都有人为规定到期必须更换的使用时限的原因。而本申请的原理由上面的介绍可以看出是弹性变形，没有任何塑性变形。因此对该固体材料不产生任何损坏，就此而言，某些重要零部件，到期不坏也要换的模式可能即将成为历史。

示例性地，上述固体部件为金属部件，例如发动机(航空发动机或者航天火箭发动机)、燃气轮机等。在航空发动机或者航天火箭发动机的相应固体材料裂纹尖端扩展风险或者危害比较大的部位，在其运行时间段内施加强静磁场和/或静电场，该部位万一出现裂纹，其尖端扩展风险将会大大降低。

根据固体部件的工作状态，可以将固体部件分为运动部件和静止部件，其中，运动部件是指固体部件在工作过程中一直或大部分时间处于运动状态(转动或震动等)；静止部件是指固体部件在工作过程中一直或大部分时间处于静止状态。对于运动部件来说，可以使其位于静磁场和/或静电场内，该运动部件需要在转动时不切割磁力线或者在转动时切割磁力线但不形成电流闭合回路，对于静止部件来说，可以在不产生电流的条件下，使其位于静磁场和/或静电场内。为了更清楚地说明运动部件和静止部件，举例来说，上述运动部件可以为燃气轮机的转子动叶片，静止部件可以是燃气轮机的机匣导向叶片。

值得注意的是，在实际应用中，固体部件裂纹的产生和扩展主要发生在运行过程中，因此，从节能的角度考虑，可以在运动部件的工作过程中施加静磁场，在运动部件不工作时，不施加静磁场。也就是说，该静磁场随着固体部件的张应力施加而施加，随其张应力撤除而撤除。施加静电压的情况也是如此。例如：燃气轮机点火就施加静磁场，燃气轮机熄火就撤除静磁场。而对于静止部件就可以在运行时施加静电压，停止运行时关闭静电压，并且该静止部件如果是临时或短时停止运行也可以不关闭静电压，因为在该静止部件中没有电流，因此也就没有功率消耗。

为了能够进一步有效控制裂纹的产生和扩展，上述静磁场发生器产生的静磁场强度可以为0.1T～6.0T；静电场强度可以控制在120～180V。这是因为，静磁场或静电场强度过小，对固体部件中原子在其晶格位置上的弹性位移量增加不明显，无法有效地降低或避免裂纹产生以及裂纹扩展的风险，而静磁场或静电场强度过大，对静磁场发生器的要求较高，价格昂贵，不利于生产和实际应用，因此，静磁场发生器产生的磁场强度应该控制在0.1T～6.0T范围内，静电场发生器产生的静电场强度应该控制在120～180V范围内。

此外，需要说明的是，考虑到磁场强度过大会导致固体部件的构成原子的电子活动范围变得太小，以致于固体部件转变为液体或气体，从而丧失使用性，因此，上述静磁场发生器产生的静磁场强度也应该控制在0.1T～6.0T范围，静电场发生器产生的静电场强度也应该控制在120～180V范围内。这是因为对于一定材料的固体，磁场强度大于一定值时，固体部件会在温度没有改变的情况下变为液体，如果进一步增大该磁场强度，在温度没有改变的情况下，固体部件的构成原子的化学键甚至断开，直接气化。为了避免上述情况的发生，磁场强度不是越高越好，对于一定的固体材料必须控制磁场强度在一定范围以内，而不同的固体材料该范围是不同的，这样能够在有效降低或避免裂纹产生以及裂纹扩展的风险的基础上，保证固体部件不至于液化或气化，提高上述裂纹减缓装置使用的安全性。

本申请还提供了一种静磁场在固体部件中的应用，该静磁场可以用于减缓固体部件裂纹的产生和扩展。

与现有技术相比，本申请提供的静磁场的应用的有益效果与上述减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

本申请还提供了一种静电场在固体部件中的应用，该静电场可以用于减缓固体部件裂纹的产生和扩展。

与现有技术相比，本申请提供的静电场的应用的有益效果与上述减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

对比例一

对比例一中，固体部件未处于静磁场或静电场中，采用拉-压周期循环应力疲劳断裂试验，5个对比样(对比样1、对比样2、对比样3、对比样4和对比样5)的断裂寿命进行测试，参见表1。

表1对比例一中5个对比样所施加的静磁场强度以及断裂寿命

实施例一

本实施例将固体部件(Ni基高温合金)置于静磁场中。采用拉-压周期循环应力疲劳断裂试验，5个磁场样(磁场样1、磁场样2、磁场样3、磁场样4和磁场样5)的断裂寿命进行测试，参见表2。

表2实施例一中5个磁场样所施加的静磁场强度以及断裂寿命

由表2可以看出，固体部件被施加了静磁场的拉-压周期循环应力疲劳断裂寿命试验结果中，除了磁场样1没有达到10⁷的应力循环周次就发生了断裂之外，其它4个磁场样都是超过了10⁷的应力循环周次之后，在没有发生断裂的情况下结束试验的。

显然地，相比于对比例一中未施加静磁场或静电场的对比样来说，实施例一的磁场样的循环次数明显增加，从而证明了对固体部件施加静磁场能够提高固体部件的使用寿命，减缓裂纹的产生和扩展。

实施例二

本实施例将固体部件(Ni基高温合金)置于静电场中。采用拉-压周期循环应力疲劳断裂试验，5个电场样(电场样1、电场样2、电场样3、电场样4和电场样5)的断裂寿命进行测试，参见表3。

表3实施例二中5个电场样所施加的静电场强度以及断裂寿命

由表3可以看出，固体部件被施加了静电场的拉-压周期循环应力疲劳断裂寿命试验结果中，除了电场样1没有达到10⁷的应力循环周次就发生了断裂之外，其它4个电场样都是超过了10⁷的应力循环周次之后，在没有发生断裂的情况下结束试验的。

显然地，相比于对比例一中未施加静电场或静电场的对比样来说，实施例一的电场样的循环次数明显增加，从而证明了对固体部件施加静电场能够提高固体部件的使用寿命，减缓裂纹的产生和扩展。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，其特征在于，所述方法为将固体部件置于静磁场和/或静电场内。

2.根据权利要求1所述的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，其特征在于，所述固体部件为金属部件。

3.根据权利要求2所述的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，其特征在于，所述固体部件为发动机或燃气轮机。

4.根据权利要求1所述的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，其特征在于，所述固体部件分为运动部件和静止部件；

所述运动部件位于静磁场中，在转动时不切割磁力线或者在转动时切割磁力线但不形成电流闭合回路；

所述静止部件位于静磁场和/或静电场内，所述静止部件内部不产生电流。

5.根据权利要求4所述的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，其特征在于，所述固体部件为运动部件，在运动部件的工作过程中施加静磁场，在运动部件不工作时，不施加静磁场。

6.根据权利要求4所述的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，其特征在于，所述固体部件为静止部件，在静止部件的工作过程中施加静电压，在静止部件不工作时关闭静电压。

7.根据权利要求1至6所述的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，其特征在于，所述静磁场强度为0.1T～6.0T。

8.根据权利要求1至6所述的减缓固体部件裂纹产生和扩展的方法，其特征在于，所述静电场强度为120～180V。

9.一种静磁场在固体部件中的应用，其特征在于，所述静磁场用于减缓固体部件裂纹的产生和扩展。

10.一种静电场在固体部件中的应用，其特征在于，所述静电场用于减缓固体部件裂纹的产生和扩展。