镁合金尾翼类构件径向同步加载工艺研究

目的针对常规挤压工艺成形尾翼类构件飞行时翼片径向产生挠曲变形的问题,提出了一种可调控金属流动的径向同步加载成形方法。方法结合ANSYS、Deform-3D有限元模拟和物理实验,分析径向同步加载的金属流动行为、等效应变和金属流线分布,通过拉伸实验测试成形翼片挤压方向(Extrusion Direction,ED)和横截面方向(Transverse Direction,TD)的力学性能,并通过观察显微组织揭示径向强化机理。结果径向同步加载通过对坯料施加周向压应力促进了金属径向流动,形成了沿径向分布良好的金属流线,有利于提升径向力学性能;采用该工艺试制构件表面质量良好,无宏观缺陷,且形成沿径向分布的宏观流线;翼片径向力学性能显著提升,屈服强度提升了57.8 MPa,抗拉强度提升了80.1 MPa,延伸率提升了1.4%,其强塑性的提升与纤维组织和块状LPSO相的纤维强化密切相关。结论实现了尾翼类构件的径向同步加载整体成形,通过调控金属流动形成径向分布良好的金属流线,提升了成形翼片径向强度,为高性能镁合金尾翼类构件的整体成形提供了理论基础和技术支撑。

股骨颈骨折空心钉内固定后股骨近端骨质疏松的有限元分析

背景:股骨颈骨折空心钉内固定术后由于患肢短期内常常不能负重,且高刚度的内植物对骨折断端存在应力遮挡效应,易导致患肢出现骨质疏松,股骨近端生物力学分布发生变化,术后股骨头坏死发病率较高,目前关于股骨颈骨折术后股骨近端骨质疏松对股骨近端及空心钉生物力学影响的研究较少。目的:通过有限元分析探讨股骨颈骨折术后发生骨质疏松对空心钉内固定治疗的生物力学影响,探究生物力学因素在股骨头坏死进程中的作用。方法:获取1例股骨颈骨折患者股骨CT扫描数据,利用Mimics 19.0、3-Matic、UG 11.0、Hypermesh 14.0、Abaqus软件建立空心钉治疗股骨颈骨折的股骨近端模型,利用Abaqus软件分析1种术后股骨近端无骨质疏松、3种术后股骨近端骨质疏松的有限元模型,测量分析4种模型不同部件的应力、接触压力、位移峰值及云图,对比分析股骨头内部应力变化及分布情况。结果与结论:股骨头及下前空心钉的应力、接触压力随骨质疏松程度变化较大,4种模型的位移峰值随着骨质疏松程度加重而缓慢增长。通过单因素方差分析,结果显示骨质疏松程度对不同部件的应力、接触压力、位移峰值无显著性影响,股骨头内部应力分布随骨质疏松发生相应变化,股骨近端的生物力学环境变化对股骨头坏死有着重要影响。

不同预时效挤压态Mg−Gd−Y−Zn−Zr合金的再结晶行为和强化机制

通过控制预时效时间制备3种不同状态的试样,研究不同预时效状态对挤压态Mg−9.5Gd−4Y−2.2Zn−0.5Zr(质量分数,%)合金的动态再结晶行为(DRX)和性能的影响。结果表明,欠时效挤压(UAE)样品的细晶体积分数为17.4%,而峰时效挤压(PAE)和过时效挤压(OAE)样品的细晶体积分数分别达到89.7%和50.4%。在晶粒内部和晶界处分布的致密、细小的β颗粒相通过粒子激发形核机制显著提高了形核位点和位错密度。然而,致密针状γ'相抑制位错滑移,延迟DRX形核。PEA和OAE样品中细小晶粒的差异归因于原始颗粒相的数量和尺寸的不同,而其拉伸性能的差异归因于不同的显微组织。由于晶界强化和析出强化机制的贡献更大,PAE样品具有更优异的拉伸性能。

镁合金表面热喷涂WC-10Co-4Cr粒子沉积及分布特性

为了探究高速空气燃料热喷涂(activated combustion-high velocity air fuel,AC-HVAF)过程中喷涂粒子撞击基材后的沉积特性。采用AC-HVAF热喷涂技术在AZ80镁合金基体上沉积WC-10Co-4Cr硬质涂层。通过离散沉积实验获得薄层沉积粒子,探讨各种沉积形貌的种类、形成原因、结合机制及射流中粒子的径向和轴向分布。结果表明:在AC-HVAF粒子沉积过程中,嵌入型沉积为主要的沉积形貌,同时包含少量的破碎型与空腔型沉积粒子。在涂层的形成过程中,嵌入型沉积对涂层/基体结合性能起重要作用;空腔型沉积的小颗粒及破碎型沉积的大颗粒是造成沉积效率下降的主要原因。喷涂粒子主要集中在射流中心,越靠近射流边缘,空腔型沉积粒子越多,最终导致AC-HVAF粒子射流呈现出空间分布特征。

基于响应面法的轻质尾翼均匀挤压成形数值模拟及模具结构优化

针对轻质镁合金尾翼正挤压成形金属流动不均匀和力学性能各向异性大的问题,提出一种可调控金属均匀流动的金属蓄料池模具结构。基于Deform-3D有限元模拟分析,采用Box-Behnken响应曲面法以金属蓄料池结构参数:深度h、池壁距尾翼芯部型腔长度D 1、池壁距翼片型腔长度D 2和池壁与翼片型腔之间夹角α为变量,建立出模口金属流速均方差和成形载荷与金属蓄料池结构参数之间的响应关系。响应曲面分析结果表明:最佳的金属蓄料池结构参数为h=7 mm,D 1=13 mm,D 2=6 mm,α=11°。采用优化后的模具结构参数进行模拟验证和物理试验,金属流动不均匀和力学性能各向异性均得到改善,并成功试制出形状尺寸和力学性能指标满足要求的尾翼形零件。

带线铆钉张力带内固定术与钢丝张力带内固定术治疗尺骨鹰嘴骨折的疗效对比

目的:对比用带线铆钉张力带内固定术与钢丝张力带内固定术治疗尺骨鹰嘴横行骨折的临床疗效。方法:选取2015年8月至2019年7月期间吕梁市人民医院收治的30例尺骨鹰嘴骨折患者为研究对象。将其随机均分为铆钉组和钢丝组。采用带线铆钉张力带内固定术对铆钉组患者进行治疗,采用钢丝张力带内固定术对钢丝组患者进行治疗。治疗结束后,对比两组患者手术相关的指标、术后并发症的发生情况及肘关节功能的恢复情况。结果:与钢丝组患者相比,铆钉组患者术中的出血量较少,其切口的长度及手术持续的时间均较短,术后6个月其并发症的总发生率较低,P<0.05。术后3个月,两组患者纽约特种外科医院(HSS)肘关节评分系统的评分相比,P>0.05。结论:采用钢丝张力带内固定术与带线铆钉张力带内固定术治疗尺骨鹰嘴横行骨折均可有效地恢复患者肘关节的功能。不过,采用带线铆钉张力带内固定术治疗该病的创伤性较小,安全性较高。

第二相体积分数对Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金力学性能的影响

采用万能拉伸试验机、SEM、EDS及XRD对固溶处理后的Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金力学性能、第二相形态、化学成分进行了分析,并利用Image-Pro-Plus软件对第二相体积分数进行了统计。结果表明:固溶处理后,合金中仍有大量不同形态、成分的第二相,主要是灰色块状LPSO相、灰色棒状LPSO相和白色点状富稀土相。随着固溶时间的增加,Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金的抗拉强度与伸长率表现出先降低后升高的变化规律。在510℃固溶16 h,合金的抗拉强度与伸长率达到最小值,分别为196.77 MPa、3.8%。510℃固溶10~16 h,LPSO相体积分数不变,富稀土相体积分数增加,富稀土相质地较脆,受力时容易破碎,成为裂纹萌发和扩展的源头,使合金抗拉强度、伸长率均降低。510℃固溶16~19 h,富稀土相体积分数减少,合金的力学性能增加。

镁合金表面AC-HVAF热喷涂Al基涂层中颗粒撞击行为与涂层组织演变机制

目的探究高速空气燃料热喷涂(Activated Combustion-high Velocity Air Fuel,AC-HVAF)过程中喷涂纯铝粒子撞击基材后的状态及铝涂层的组织形态与变化。方法采用AC-HVAF热喷涂技术在AZ80镁合金基体上喷涂纯Al颗粒并且制备Al涂层,通过颗粒撞击实验获得单一撞击粒子,探讨粒子撞击形貌状态、形成原因、结合机制并分析涂层形成原因与转变结果。结果在AC-HVAF粒子撞击过程中,大功率喷枪制备铝颗粒经过短暂高温高压作用后,粉末粒子达到熔融状态,以熔融的方式撞击基体,与小功率喷枪形成的低温喷涂相比,颗粒间不再是单一机械结合。在短暂高温作用下涂层形成大量再结晶,制备的涂层获得了细小晶粒尺寸,并且形成了均匀分布位错密度,喷涂撞击形成了方向统一的织构状态。结论通过大功率喷枪制备的铝涂层在高温高压条件下使铝颗粒以熔融态撞击基体,涂层获得了更高的完整度与致密度;喷涂涂层形成了均匀细小的晶粒组织,且位错密度均匀,在受到喷涂撞击后涂层获得垂直于喷涂方向的丝织构。

Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金材料喷丸强化工艺及摩擦磨损性能研究

目的提高Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金的耐磨性能。方法通过喷丸强化工艺对Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金表面进行处理,在合金表面制备出纳米强化层,随后进行干滑动摩擦磨损试验,探究其喷丸强化后耐磨性能的改变。利用OM、SEM研究合金表层至内部晶粒尺寸及组织特征的变化。利用电子天平秤测量摩擦磨损试验前后质量的损失量。利用维氏显微硬度计测量合金强化层深度方向的硬度分布。利用SEM研究了合金摩擦磨损后的形貌特征,探究其磨损机制。结果对Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金进行表面喷丸处理后,表面分别出现了200~370μm厚的晶粒细化层,其中喷丸气压为0.4 MPa、时间为40 s的试样的细晶强化层厚约为250μm,硬度约为155HV,较原始试样提高了50%左右。结论经喷丸强化后,镁合金表面发生塑性变形,获得纳米晶。晶粒尺寸从表层到内部逐渐变大,呈现梯度变化,喷丸处理后试样磨损质量普遍降低,耐磨性能得到提高,其中气压为0.4MPa、喷丸时间为40s的试样的耐磨性最好。铸态试样的摩擦磨损中,磨粒磨损和黏着磨损发挥主要作用,喷丸强化工艺后,磨损机制发生改变,喷丸时间为60 s时,氧化磨损起主导作用。另外,随着喷丸气压的增大,疲劳磨损由辅助作用逐渐变为主导作用。

预热处理对镁合金热变形组织和性能的影响研究进展

本文主要综述了预热处理对镁合金后续热变形微观组织和机械性能的影响。镁合金主要由基体和第二相(包括时效析出相、长周期堆垛有序(LPSO)相和镁基合金中的增强体等)组成。第二相在镁合金变形过程中发挥着至关重要的作用。结合相关文献最新研究进展,阐述了镁合金经过预热处理后不同大小、分布及类型第二相对变形均匀性、晶粒细化以及强化机理等的影响,为进一步开发高强韧镁合金构件提供了参考。

凸模结构对大截面带筋方筒件挤压力的影响研究

目的解决大截面铝合金带筋方筒构件在反挤压过程中成形力大的难题,实现在3000 t压力机下成功制备内孔为665 mm×665 mm的大截面带筋方筒形构件。方法提出了一种使用新型棱台凸模结构代替平凸模结构的方法,用主应力法得出了棱台凸模结构与平凸模结构的挤压力计算公式,对比分析了2种凸模结构反挤压成形力的大小,并用DEFORM有限元软件模拟分析了不同结构参数下的棱台凸模反挤压过程,最终进行工程试制,验证了反挤压工艺的可行性。结果通过主应力法得出了方筒形件的变形力计算公式,得出棱台凸模结构反挤压成形力小于平凸模结构反挤压成形力,经模拟分析得出在反挤压过程中棱台凸模结构的最优结构参数为棱台斜角15°、棱台高度40 mm,并在3000 t压力机上成功制得内孔为665 mm×665 mm的大截面带筋方筒形构件。结论通过数值模拟分析可知,与采用平凸模结构相比,采用棱台凸模结构时的反挤压成形力降低了约13%,同时减少了挤压变形过程中的金属流动“死区”。经实验验证,在3000 t压力机上成形了内孔为665 mm×665 mm的大截面带筋方筒形构件,实现了省力挤压。

基于Laasraoui-Jonas位错密度模型的GWZK134合金动态再结晶行为研究

采用Gleeble-3500D热模拟试验机进行了单轴等温压缩试验,研究了GWZK134合金在变形温度360~480℃,应变速率0.001~1 s^(-1)条件下的动态再结晶行为,并基于镁合金的密排六方(HCP)结构,建立了改进的Laasraoui-Jonas(L-J)位错密度模型。结果表明:GWZK134合金的动态再结晶体积分数随温度的升高而增大,随应变速率的加快而减小。在变形过程中,动态再结晶由晶界处形核产生,并逐步向周围晶粒扩展,随温度升高或应变速率的降低,压缩条件下剪切应力引起的扁平状晶粒逐渐成为等轴晶。此外,通过模拟仿真结果与试验数据相比较,证明所建立的模型对该合金动态再结晶行为模拟较为准确。

基于响应面法的大型锥筒件内凸缘缩口成形工艺参数优化

目的探究大型锥筒件内凸缘缩口成形的最佳工艺参数。方法首先,根据内凸缘缩口成形的工艺原理,使用三维软件构建内凸缘缩口成形的仿真模型,并用Deform进行仿真成形。在此基础上,以缩口件高度和成形载荷作为内凸缘成形质量的判断依据,基于响应面法得到关于缩口件高度和成形载荷的回归预测模型。分析不同的摩擦因数、挤压速度和凹模锥度对内凸缘成形质量的影响,优化得到最佳的成形工艺参数,最后进行物理试验验证。结果通过响应面法拟合得到了缩口件高度和成形载荷关于3因素的多元非线性模型,模型通过F检验得出的显著性概率P值均小于0.0001,失拟项值均大于0.05,且模型预测值与试验模拟值的关系接近直线,充分说明了该数学模型的合理性。当摩擦因数为0.3、挤压速度为3 mm/s、凹模锥度为9°时,毛坯的成形载荷最小,为90 kN,缩口件高度最低,为1350 mm,与模型预测相比,误差均小于10%。结论优化后的工艺参数使内凸缘成形质量高、表面光滑无缺陷、成形载荷小,为大型锥筒的内凸缘成形工艺提供了参考。

纳米多晶铝压缩塑性力学行为分子动力学研究

目的研究纳米多晶铝在不同温度与应变速率下的力学响应与塑性变形行为以及不同变形条件下的塑性力学行为。方法通过ATOMSK软件构建了晶粒取向随机的纳米多晶铝模型,利用LAMMPS软件在300~700 K温度以及1×10^(9)、5×10^(9)、1×10^(10)、1×10^(11)s^(-1)应变速率下完成了纳米多晶铝的压缩模拟,借助后处理OVITO软件对模拟结果进行了分析。结果随温度的升高,晶界原子所占比例增大,纳米多晶铝的弹性模量逐渐下降,在压缩过程中总位错密度随温度的升高而增大。随着应变速率的增大,材料硬化速率增加,纳米多晶铝表现出更高的屈服强度。当应变速率较低时,位错大量存在于小晶粒之中,且中央大晶粒相较于初始位置旋转了20°。当应变速率达到1×10^(11)s^(-1)时,材料的硬化速率极大提高,且在晶粒内部出现了孪晶。在塑性变形过程中,1/6<112>(不全位错)的数量最多,在位错运动中占主导地位。结论温度升高导致材料弹性模量降低,这主要是由于高温提供了更多能量,晶界原子占比增加。应变速率会影响纳米多晶铝的塑性变形方式,应变速率的增大使其由晶粒旋转变形转变为孪生变形与位错湮灭机制,导致纳米多晶铝硬化速率与屈服强度提高。

基于卷积神经网络的Mg-9Gd-Y-Zn-Zr镁合金力学性能预测

对不同工艺的变形稀土镁合金样品进行了系列拉伸试验,借助卷积神经网络构建模型训练,提出Mg-9GdY-Zn-Zr合金力学性能的预测模型。结果表明,测试集抗拉强度、屈服强度的相对平均误差分别为3.25%和4.77%。随机取3个Mg-9Gd-Y-Zn-Zr合金试样再次验证该模型预测力学性能,误差均小于5%,表明该卷积神经网络模型能够以较高的精度预测力学性能。细晶强化对3个试样强化的贡献分别为68.8、88.4、98.1MPa,位错强化的贡献分别为17.62、22.36、22.06MPa。

多道次喷涂对AZ80镁合金基体组织状态的影响

目的为探究超音速火焰喷涂的高温高速射流对镁合金基体的影响,以形变后镁合金表面纯铜涂层的制备过程为研究对象,研究喷涂过程中镁合金基体的微观组织演化机理。方法采用超音速火焰喷涂(HVAF)工艺在挤压态AZ80镁合金试样表面制备纯铜涂层,对不同喷涂道次下获得的试样进行微观组织观察与显微硬度测试,结合EBSD分析涂层结合面附近基体的晶粒尺寸分布、再结晶状态及织构取向等。结果在高温高速射流作用下,涂层结合面附近的基体发生再结晶,平均晶粒尺寸由50μm细化至15.2μm;随着喷涂道次的增加,β相逐渐回溶,孪晶消失,基体硬度先降低至70HV0.2后恢复到80HV0.2,织构强度逐渐减小至10.042。结论多道次超音速火焰喷涂过程中,由于第二相回溶与再结晶的共同作用,镁合金基体硬度呈现出先降低再升高的趋势;再结晶晶粒以晶界弓出形核与亚晶转变共同形成,并在涂层压应力作用下选择性偏转与长大,逐渐吞并原始变形晶粒;与此同时,亚晶界逐渐转变为大角度晶界,晶粒被再次细化,最终导致涂层结合面处基体产生明显的择优取向。

渗碳20CrMnTi温变形超细晶粒的形成机制

研究了渗碳 2 0CrMnTi钢温变形过程中微观组织演化规律 ,结果表明 :通过温变形 ,渗碳 2 0CrMnTi钢的晶粒由 16 μm～ 2 0 μm超细化到 2 μm～ 3μm ,甚至 1μm以下 ;晶界区域局部变形和晶界滑动控制晶粒的细化 ;而变形参数 。

重型车辆铝合金轮辋挤压成形技术及应用

轻量化是重型车辆节约能源和减少排放的有效措施,是提高车辆性能的重要途径。针对重型车辆传统采用钢制轮辋质量大、难以有效减重的问题,为推进重载汽车轻量化进程,开展铝合金轮辋挤压成形技术及应用研究。系统研究变形温度、变形次数对7A04合金组织与性能影响的基础上,提出7A04合金逐次控制变形技术,在480℃下4次变形,可获得较好的综合力学性能,解决了高强铝合金常规成形塑性差的问题;开发的空心坯料反挤压成形技术,主应力分析表明可减小接触面上正应力,解决了铝合金轮辋成形力大的问题,在12.5 MN挤压液压机上实现10.0-20轮辋的整体成形。7A04合金轮辋替代传统钢制轮辋减重55%以上,已通过实车考核并批量应用,为装备的轻量化提供新的技术途径。

重型车辆传动行动构件轻量化设计研究

重型车辆传动、行动构件数量多,采用铝合金轮毂轮辋代替原钢质构件能有效减少构件质量。针对高强铝合金韧性、弹性模量和疲劳强度低的问题,为满足其力学性能和保证安全性,在数值模拟和试验研究的基础上,建立构件性能、结构尺寸相匹配的等效静力韧度设计准则。在采用新制造工艺及成形方法使构件强度和韧性均提高的基础上应用该设计准则,结果表明新构件的静力韧度能达到原构件的水平。铝轮辋减重效果大于55%,铝轮毂减重大于60%,其安全系数为3.57,大于规定值3。经实际跑车验证,应用等效静力韧度设计准则设计的铝合金传动行动构件满足使用要求,解决了重型车辆轮毂轮辋采用高强铝合金替代同级别强度钢铁的瓶颈,为'以铝代钢'构件设计提供理论依据。

AZ31镁合金温变形对其性能影响的研究

为了研究温变形对铸态AZ31镁合金力学性能的影响,在210-300℃温度范围内对均匀化后的合金进行了不同程度的平面应变压缩,并根据微观组织的演变对其进行了分析．结果表明:随变形温度的升高,在相同的变形程度下晶粒有长大的趋势,其抗拉强度增量下降;在同一温度下变形,强度增量随着变形程度的增加而增大,变形到一定程度时,呈现减小的趋势．在210℃下变形,当ε达到2．07时,其抗拉强度最大可达 305MPa,较铸态提高近50％．表明AZ31合金温变形时,通过形变强化与细晶强化的合理组合,可获得细小均匀的等轴组织,大幅度提高镁合金的强度．