镍基高温合金GH4065A高温疲劳断裂机制研究

针对新一代航空发动机涡轮盘用超低C,N含量的变形高温合金GH4065A,系统表征和定量统计了合金的夹杂物组织。对细晶态和粗晶态试样开展了400℃和650℃不同载荷水平下的疲劳实验。通过对疲劳断裂源组织进行表征分析,研究了合金的疲劳断裂机制。结果表明,合金的夹杂物主要为氮化物。在细晶组织状态下,高温疲劳断裂机制为氮化物(单独和团簇态)起始断裂。高应变幅载荷下(≥0.9%),断裂源主要为试样表面氮化物,极少情况为表面硼化物和氧化物(Al_(2)O_(3)和MgSiO_(3)),且只有Al_(2)O_(3)导致合金过早疲劳断裂;低应变幅载荷下(<0.9%),断裂源为氮化物-解理面型,均在试样近表面/内部。两种不同的断裂方式分别导致高应变幅载荷下400℃疲劳寿命高于650℃疲劳寿命,低应变幅载荷下反之。统计发现,引起疲劳断裂的所有氮化物的尺寸全部达到/超过细晶组织平均晶粒尺寸。在粗晶组织状态下,400℃下疲劳断裂机制为准解理起始断裂。晶粒尺寸的增加极大降低了可能诱发疲劳开裂的夹杂物的有效数量,滑移诱发的解理断裂成为主导断裂机制。

晶体塑性变形机理及其数值模拟方法的研究进展

对晶体塑性有限元数值模拟的应用状况进行了研究,描述了晶体塑性理论、晶体塑性变形机理、硬化机制等算法。同时关注了电子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)技术在晶体学织构测量与分析中的应用优势,采用衍射图案准确掌握晶体结构与取向等信息,为晶体塑性有限元数值模拟提供精确的数据输入。因此,对现有的晶体塑性理论、参数获取方式、衍射图像分析方法进行了总结。目前,晶体塑性有限元数值模拟经过大量的检验,证明了该方法在模拟金属塑性变形机理中的有效性,并广泛应用于探究材料塑性变形机理的研究中。依据系统的晶体塑性有限元数值模拟研究框架开展论述,以期全面了解晶体塑性有限元在加工中的研究进展,为高性能材料设计、优化和实际应用提供新的思路。

多周期动态循环应力下的J-A-N力磁耦合机理模型

目前的力磁耦合J-A模型未考虑钉扎场的畴壁厚度与多周期动态循环应力的影响,导致J-A模型的应力磁化数值偏大,不能准确描述早期疲劳损伤。为此,基于畴壁理论和Burgers位错理论,引入畴壁厚度因子,改进J-A模型的钉扎场方程,进一步考虑循环载荷的应力幅、循环周次N等因素,建立了多周期动态循环应力下的J-A-N力磁耦合机理模型。获得了不同动态循环的应力幅值σa与平均应力σm下的磁化规律:相同循环周次下,σa主要影响应力磁化率,σm主要影响应力饱和磁化大小;σm相同时,随着σa的增大,达到应力饱和状态的速度升高;σa相同时,随着σm的增大,应力饱和磁化强度逐渐减小。为验证J-A-N模型有效性,对45钢三点弯曲试件进行了多周期动态循环应力下的磁场信号检测实验,实验结果与模型结果一致。

服役条件下螺栓弹性应力建模及性能保持研究

为了揭示螺栓连接在长期服役过程中的应力松弛机理,对服役条件下螺栓连接的蠕变机理与性能保持行为进行了系统性分析,结合简化解析方法和有限元分析,对螺栓和法兰在不同服役时间内的应力松弛进行了深入探讨。采用了一种简化的解析方法,以解决螺栓法兰连接中的蠕变应力松弛问题,特别关注法兰和螺栓材料的蠕变松弛。通过与三维数值有限元方法比较,验证了该方法的有效性,分析了不同服役时间对螺栓预紧力衰退的影响。仿真结果显示,仿真模型1 000 h时整体蠕变松弛为45.2%,3 000 h时整体蠕变松弛为50.8%,6 000 h时整体蠕变松弛为63.3%。解析结果显示,解析模型1 000 h时整体蠕变松弛为53.4%,3 000 h时整体蠕变松弛为60.5%,6 000 h时整体蠕变松弛为73.4%。结果表明,服役时间越长,预紧力先快速下降,随后逐渐趋于稳定。总之,通过详细的理论分析和数值模拟,揭示了螺栓连接在长期服役中的应力松弛机理,提供了可靠的预测方法和设计优化方案。

PF-LBM耦合模型下Al-Cu合金的枝晶生长和气泡形成

基于Shan-Chen多相流的格子玻尔兹曼方法模拟复杂多相流系统,探索气泡在液相中的生长和运动.研究了Al-4.0wt.%Cu合金在凝固过程中枝晶与气泡的相互作用,各向异性对凝固组织的影响以及枝晶与气泡共存时溶液密度的变化情况.结果表明:在定向凝固枝晶生长模型中,气泡先在枝晶底部析出,压差导致气泡上升,流动的过程中会与枝晶产生相互作用且会出现气泡合并与消失的情况,在枝晶间密集通道处大气泡会变成蠕虫形状.模拟区域的高长比会影响枝晶和气泡的生长情况,当高长比较小时更容易产生短而小的气泡,高长比较大时更容易产生蠕虫状气泡.在等轴枝晶生长模型中,气泡在枝晶间析出,随着枝晶的生长,气泡同样会发生合并与消失的情况,并且在受到挤压时发生形变.

非固定态下环形材料的磁场突变行为与机理分析

为提高潜艇在水下的稳定性和抗压性,提升海洋作战能力。首先选择高强度HY系列的合金钢材料、环形合金钢的加工方法、加工后的环形材料质量检测以及最终与双壳体潜艇装配,完成双壳体潜艇环形材料制备。然后研究环形材料下壳体内外磁场变化,磁滞回线数学模型,分析环形材料磁场突变机理。发现48A磁场>36A磁场>24A磁场,1-3号点的磁场在3号点的位置最强,24A、36A、48A的电流磁场分别为0.98、2.68、3.82.3-10号点磁场在10号点的位置最低,24A、36A、48A的电流磁场分别为0.07、0.28、0.39,磁化强度影响D6线圈的电流的磁场突变过程为A→B→C→D→E→F→G→P。环形材料的研究不仅可提高材料的综合性能,还可提高海洋作战能力,对海洋安全意义深远。

金属凝固过程的原位观察研究进展

同步辐射成像是金属凝固过程原位观察的先进技术。介绍了同步辐射成像的原理、主要类型及发展。简述了异质形核、界面稳定性、柱状晶向等轴晶转变等金属凝固过程的原位观察,以及凝固组织演化和电磁场对金属凝固过程影响的观察。

非(001)晶面促进激光单晶熔凝过程中柱状晶外延生长

当激光熔池内的柱状枝晶沿着熔池边界外延生长时,其方向并不严格平行于温度梯度,而是选择与基体一致的择优方向生长,因此基体取向可以影响柱状晶的外延生长行为。在使用激光金属成型/沉积技术修复昂贵的单晶部件时,需要考虑这一特性。现有研究已经实现了(001)晶面上的柱状晶完全外延生长进而获得完整单晶。然而由于叶片形状复杂,实际修复过程中可能会遇到的不同取向表面。论文对(001)和非(001)取向表面修复过程中的杂晶形成能力进行了比较研究,通过数值计算获得了控制微观组织的局部凝固变量,并将杂晶晶粒的体积分数作为量化单晶完整性指数。结果表明,与(001)晶面相比,多数非(001)晶面可以促进柱状晶的外延生长,进而获得更好的单晶完整性,实验结果也验证了这一结论。分析显示不同枝晶生长区域的边界是杂晶形成敏感区,两种晶面的差异在于边界数目及其位置。研究结果可以优化修复和制造应用中的沉积方向和激光加工窗口提供指导。

钨纤维增韧钨基复合材料的研究进展

钨纤维增韧钨基复合材料作为一种理想的面向等离子体材料,可以不需要引入其他合金元素,通过充分发挥钨纤维本身的优异性能而提升其韧性。对钨纤维增韧钨基复合材料的增韧机理、增韧相类型、制备方法的研究现状进行了综述,重点介绍了钨纤维表面改性、钨纤维体积分数以及烧结温度对复合材料性能的影响,指出了该复合材料今后的研究方向。

定向凝固Cu-50%Sn包晶合金显微组织演变

随着科学技术的进步,越来越多的包晶合金因其优良性能广泛应用于工业生产领域,比如Fe-Cr-Ni、Ti-Al、Nd-Fe-B合金以及应用于电子封装领域的Cu-Sn合金等。随着电子信息产业向微型化和多功能化方向发展,对集成电路的机械、电子和热性能提出了更高的要求。本文以Cu-50%Sn(原子分数)包晶合金(L+Cu^(3)Sn→Cu6Sn5)作为研究对象,通过布里奇曼定向凝固法,在显微镜下对组织进行观察和测量,研究淬火固液界面的凝固组织随凝固条件改变而产生的变化。生长距离、温度梯度一定时,随着生长速度的增大,初生相Cu^(3)Sn经历了胞状→胞/枝状→枝晶状组织转变,Cu^(3)Sn相的尺寸与间距均随生长速度的增大而减小;生长速度、生长距离一定时,随着温度梯度的增大,初生相Cu^(3)Sn相由块状与枝晶状转变为胞状组织;生长速度、温度梯度一定时,随着生长距离的增大,初生相Cu^(3)Sn由块状与胞/枝状转变为胞状组织,且Cu^(3)Sn相尺寸发生小幅细化。基于上述实验结果,绘制了关于生长速度、温度梯度及生长距离条件下的显微组织选择图,进一步阐明了凝固条件的改变对Cu-50%Sn(原子分数)包晶合金显微组织的影响。

温度和应变幅对亚稳奥氏体不锈钢S321低周疲劳行为的影响

在室温和650℃的环境下对S321、S321H不锈钢进行了0.5%、0.7%、0.9%应变幅下的低周疲劳试验,并在室温下对S321和S321H开展了多个寿命点的疲劳加载历史试验,结合X射线衍射定量分析测算形变诱发马氏体的含量。结果表明:形变诱发马氏体的生成会导致奥氏体钢持续循环硬化,室温下合金在初次硬化后继续二次硬化,而在650℃下没有形变诱发马氏体生成,合金在初次硬化后进入循环稳定阶段。循环过程中,碳含量越低,形变诱发马氏体含量越多,合金的循环硬化程度更高。两种温度下,两种材料的疲劳寿命在低应变幅下都相差不大,应变幅越大,两种材料的疲劳寿命相差越大,因此,可以考虑服役条件为低应变幅时使用S321不锈钢代替S321H不锈钢。

异型坯腹板裂纹产生原因与控制

型钢腹板表面裂纹是型钢的主要缺陷之一,为提高轧制成材率,对裂纹产生机理展开研究,通过优化冷却制度、改进结晶器足辊润滑方式,铸坯裂纹大幅减少,H型钢腹板表面质量合格率显著提高。

金属凝固原理及技术课程混合教学模式的探索与实践

聚焦新工科背景下金属凝固原理及技术课程混合教学模式的探索与实践,深入研究了该混合教学模式的设计理念和实施方案,基于专业课程内容,阐述了混合教学模式的具体实施步骤及在教学实践过程中遇到的问题和解决办法,指出了混合教学模式的评估方法和指标,总结了实践过程中的经验和教训,并对混合教学模式的优势和不足进行反思,展望了其未来的改进空间和发展趋势,旨在为该课程教学质量的提升提供有益参考,推动新工科教育的持续发展。

火电厂锅炉20G水冷壁管失效分析

通过宏观分析、显微组织观察、室温拉伸性能试验、物相分析和成分分析,对某火电厂锅炉20G水冷壁管爆管原因进行分析。结果表明:开裂起源于水冷壁管内壁,爆口及爆口附近壁厚存在明显的腐蚀减薄现象,爆口附近内壁显微组织为铁素体和珠光体,珠光体存在球化现象,沿晶界出现裂纹和氧化物。结合锅炉运行状况,推测水冷壁管在接焊缝两侧积垢聚集区产生局部氧腐蚀和氢腐蚀,是引起爆裂的主要原因。建议控制水质,做好停炉保护工作,减少炉管积垢,加强焊缝连接处壁厚的检测,及时更换不满足厚度要求的管路。

镍基粉末高温合金的热力学相图计算

相图计算可以为多元合金热处理工艺的制定提供重要的参考依据。利用Thermo-Calc软件对三种不同Al、Ti含量的镍基粉末高温合金进行了相图计算,得出三种合金在400~1400℃下平衡相的类型、组成和存在温度范围。研究了不同Al、Ti元素含量对合金相组成的影响规律,结果表明Al、Ti含量的增加会抑制μ相的析出,使μ相的析出温度降低,但会促进σ相的析出,提高σ相的析出温度。

澳大利亚进一步解析“氢脆”机理

澳大利亚悉尼大学国家显微与微分析中心科研团队一项新研究,进一步解析了氢导致钢铁性能下降、发生“氢脆”的机理,同时发现在碳化物增强钢中添加钼(Mo)元素可显著增加其捕获氢的能力。研究成果已发表在《自然通讯》上。“氢脆”是金属中氢引起的材料力学性能下降、塑性下降、开裂或损伤的现象,阻碍了氢在高压下的有效储存和运输,是向氢经济转型的最大障碍之一。

强制流动对Mg–9%Al合金定向凝固组织演化的模拟研究

基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法构建了镁合金凝固组织预测模型,研究了无流动、x方向流动和y方向流动三种条件下Mg–9%Al合金定向凝固过程中的成分和组织演化过程.研究结果表明,无流动作用时镁合金枝晶呈现互为60°夹角生长,并在凝固后期出现与一次枝晶呈60°夹角二次枝晶形貌,凝固组织具有密排六方(HCP)晶体结构特征,验证了该模型的可靠性.由于x方向的流动作用下,与无流动结果相比较,迎流方向枝晶生长较快并出现发达的二次枝晶形貌,研究表明由于枝晶前端排出的溶质受流动影响被运输到枝晶后端区域,从而使前端区域具有更大的过冷度,提升了凝固驱动力.由于y方向流动的存在,枝晶呈现不对称生长,其中部分枝晶生长方向偏转约3°,研究表明迎流枝晶前沿的溶质被运输并富集在其他枝晶生长区域,最终使其发生了生长偏转;进一步分析枝晶生长前沿的流场和成分分布信息发现,枝晶生长过程中流动u1∇c1引起的值在固液界面处的不对称分布是导致枝晶生长发生偏转的主要原因.

金属和合金中的动态应变时效现象

动态应变时效现象是在金属和合金中 ,移动着的溶质原子和运动中的位错发生交互作用时所出现的一种强化现象 .这种交互作用 ,将产生一系列的强化效应 ,使金属和合金在外加载荷作用下所表现出的力学行为发生巨大的变化 .所有这些效应 ,都将在常用的重要工业合金 (如钢、铝合金、铜合金 )最常使用的温度范围内出现 .研究动态应变时效 ,不仅有助于加深对诸如金属中位错的交互作用规律、塑性和强化的微观过程与机理等的理解 ,而且也能帮助我们更好地控制那些常用工业合金的机械性能 .本文结合多年来在这方面所做的系统研究工作 ,总结了动态应变时效现象的一般规律和已有的理论 ,并着重介绍作者参与建立的一种模型及其实验结果 ;

无碳化物贝氏体/马氏体复相高强度钢的组织与性能

阐述了新型Mn-si-cr系无碳化物贝氏体/马氏体(CFB/M)复相钢的组织与合金设计思想;研究了复相钢在空冷条件下的组织及其精细结构,并系统地总结了实验钢经不同温度回火后的力学性能。实验结果表明,复相高强钢在具有优良的强韧性能的同时,又具有较高的延迟断裂抗力和抗疲劳破坏能力,其强韧性的提高归于其独特的组织结构:贝氏体碳化物被薄膜状残余奥氏体所取代,大大改善了复相钢的回火稳定性和疲劳性能,稳定的残余奥氏体薄膜作为不可逆氢陷阱,并显著提高了钢的抗氢脆能力。

304LN表面沉积异质合金过程多组元传输行为数值模拟

目的探究在304LN不锈钢表面上激光沉积Stellite 6合金过程中的多元素传输机制。方法采用流体体积法VOF(Volume of Fluid),建立气-液两相传热传质激光沉积模型。模型中使用改进VOF法对熔池表面进行追踪,结合多组分传输模型与熔凝杠杆原则(Lever Rule),对异质材料熔覆界面的多元素传输进行模拟,采用扫描电子显微镜(SEM)与能谱仪(EDS)观察组织结构和元素分布,对比模拟结果分析多组沉积层宏观形貌和元素分布特征。结果沉积过程中,熔池的流动与材料导热对温度的传输起着重要作用,前端对流不断地将已熔化的基材金属运输至熔池中部,后端对流则将卷积的Fe元素和Co元素进一步混合。最终沉积层的宏观形貌平均误差为2.67%,主要元素Fe、Co、Cr的质量分数误差分别为0.64%、1.27%、0.31%。结论Fe元素浓度整体区域分布相对均匀,但在沉积层底部,Fe元素浓度迅速升高,Co元素浓度随沉积深度加深逐渐降低,Cr元素在沉积层中部富集的分布特性。该优化后的模型可以准确模拟异质合金沉积过程中的温度场、流场与质量传输过程。