Healing of cracks in plates by strong electromagnetic field

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The problem of a pulsed high-energy electromagnetic field action on an edge crack in a thin plate, reproducing the pioneering experiment of Soviet scientists on the destruction of the crack tip by a strong electromagnetic field, is considered. The numerical simulation is based on the proposed electrothermomechanical model of a short-pulse high-energy electromagnetic field (HEMF) action on a material with a crack. The model takes the phase transformations (melting and evaporation) of the material occurring in the vicinity of defects and the corresponding changes in the rheology of the material in the areas of these transformations into account, as well as the possibility of electric current flowing between the free surfaces of the crack (breakdown due to electron emission). All physical and mechanical properties of the material are considered temperature-dependent. The model equations are coupled and solved together on a moving finite element grid using the arbitrary Euler–Lagrangian method. The processes of localization of the current density and temperature fields, phase transformations (melting and evaporation) at the crack tip, autoelectronic and thermoelectronic emissions between free crack surfaces, and the effect of these processes on crack healing are investigated. The simulation results are compared with the available experimental data on the pulse field action on the edge crack in the plate. The average metal heating rate, temperature gradients and time forming of the crater obtained in the vicinity of the crack tip are in good quantitative agreement with the experimental data. Away from the crack, as well as on the crack sides away from the tip, the temperature rises slightly. The process of modeling the electromagnetic field action, similar to the experiment, was accompanied by melting at the crack tip, as well as metal evaporation. Thus, under the considered current action, a crater is formed at the crack tip, which prevents the further spread of the crack, leading to its healing. It was not possible to obtain similar results using the previously proposed models.

About the authors

Konstantin V. Kukudzhanov

Ishlinsky Institite for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences

Email: kconstantin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9060-2838
SPIN-code: 1402-1901
http://www.mathnet.ru/rus/person169447

Cand. Phys. & Math. Sci.; Senior Researcher

101–1, pr. Vernadskogo, Moscow, 119526, Russian Federation

Alexander L. Levitin

Ishlinsky Institite for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences

Email: alex_lev@ipmnet.ru
ORCID iD: 0000-0003-2077-8808
SPIN-code: 5367-1314
ResearcherId: J-9511-2013
http://www.mathnet.ru/rus/person30893

Leading Programmer

101–1, pr. Vernadskogo, Moscow, 119526, Russian Federation

Umar Kh. Ugurchiev

Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: umar77@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-2072-6354
SPIN-code: 1828-7089
http://www.mathnet.ru/rus/person169448

Researcher

4, M. Khariton’evskii per., Moscow, 101990, Russian Federation

References

  1. Finkel V. M., Golovin Yu. I., Sletkov A. A. Disintegration of a crack tip with a strong electromagnetic field, Sov. Phys. Dokl., 1977, vol. 22, pp. 683–685.
  2. Finkel V. M., Golovin Yu. I., Sletkov A. A. Possibility of braking rapid cracks by pulses of current, Sov. Phys. Dokl., 1976, vol. 21, no. 4, pp. 216–218.
  3. Kudryavtsev B. A., Parton V. Z., Rubinskii B. D. Electromagnetic and thermoelastic fields in a conducting plate with a cut of finite length, Mech. Solids, 1982, vol. 17, no. 1, pp. 110–118.
  4. Parton V. Z., Kudryavtsev B. A., Rubinskii B. D. Crack propagation under the action of an electromagnetic field, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1980, vol. 250, no. 5, pp. 1096–1100 (In Russian).
  5. Cai G. X., Yuan F. G. Stresses around the crack tip due to electric current and self-induced magnetic field, Adv. Eng. Software, 1998, vol. 29, no. 3–6, pp. 297–306. https://doi.org/10.1016/S0965-9978(97)00078-1.
  6. Cai G. X., Yuan F. G. Electric current-induced stresses at the crack tip in conductors, Int. J. Fract., 1999, vol. 96, no. 3, pp. 279–301. https://doi.org/10.1023/A:1018670829822.
  7. Liu T. J. C. Effects of temperature-dependent material properties on stress and temperature in cracked metal plate under electric current load, World Academy of Science, Engineering and Technology. Int. J. Mechanical and Mechatronics Eng., 2010, vol. 4, no. 5, pp. 474–479. https://doi.org/10.5281/zenodo.1072134.
  8. Yu J., Zhang H., Deng D., Hao S., Iqbal A. Numerical calculation and experimental research on crack arrest by detour effect and joule heating of high pulsed current in remanufacturing, Chin. J. Mech. Eng., 2014, vol. 27, no. 4, pp. 745–753. https://doi.org/10.3901/CJME.2014.0414.075.
  9. Gallo F., Satapathy S., Ravi-Chandar K. Melting and crack growth in electrical conductors subjected to short-duration current pulses, Int. J. Fract., 2011, vol. 167, no. 2, pp. 183–193. https://doi.org/10.1007/s10704-010-9543-0.
  10. Ovchinnikov I.V. Influence of electric current on the plasticity of metals, PhD Thesis. Moscow, 1989, 123 pp. (In Russian)
  11. Kukudzhanov K. V., Levitin A. L. Deformation processes of elastoplastic material with defects under electrodynamic loading, PNRPU Mechanics Bulletin, 2015, no. 1, pp. 106–120 (In Russian). https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.07.
  12. Kukudzhanov K.V. Modeling the treatment of high-energy pulsed electromagnetic field of the micro-cracks in a polycrystalline metal, PNRPU Mechanics Bulletin, 2015, no. 4, pp. 138–158 (In Russian). https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.4.09.
  13. Kukudzhanov K. V., Levitin A. L. Modeling the healing of microcracks in metal stimulated by a pulsed high-energy electromagnetic field. Part I, Int. J. Nanomech. Sci. Tech., 2015, vol. 6, no. 3, pp. 233–249. https://doi.org/10.1615/NanomechanicsSciTechnolIntJ.v6.i3.60.
  14. Sivukhin D. V. Termodinamika i molekulyarnaya fizika [Thermodynamics and Molecular Physics]. Moscow, Fizmatlit, 2014, 544 pp. (In Russian)
  15. Pikunov M. V. Plavka metallov. Kristallizatsiia splavov. Zatverdevanie otlivok [Metal Smelting. Alloy Crystallization. The Solidification of Castings]. Moscow, MISiS, 1997, 374 pp. (In Russian)
  16. Pikunov M. V. Metallurgiia rasplavov. Kurs lektsii [Metallurgy of the Melts. A Course of Lectures]. Moscow, MISiS, 2005, 286 pp. (In Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2021 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».