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。

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。

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。

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.

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。

基于元胞自动机方法与欧拉多相流技术的激光沉积IN718组织形貌模拟

为研究激光沉积过程中沉积层微观枝晶外延生长及转向机制,基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法相结合,建立了激光沉积IN718二维熔化凝固模型;获得了沉积层温度场、流场以及微观凝固组织的演变过程,对比了模拟与实验所得沉积层枝晶外延生长区厚度,分析了顶部枝晶转向的机制。结果表明:温度场与流场相互影响,模型对沉积层厚度预测误差约为7.0%。沉积层顶部和中部晶体织构取向不同,枝晶的生长方向更偏向于局部热梯度方向,在沉积层顶部,局部热梯度的方向接近水平方向,枝晶的生长方向与局部热梯度偏角较小,因此,形成平行于激光扫描方向的枝晶区。

Cu_(50)Ni_(50)合金凝固过程中的空位捕获

通过分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟,研究了Cu_(50)Ni_(50)合金在不同温度下凝固及其退火过程的空位捕获.结果发现:凝固过程中的空位捕获效应,即被捕获空位浓度的过饱和现象非常明显;随着凝固温度的降低,空位浓度显著上升,与平衡浓度随温度的变化规律正好相反;Cu_(50)Ni_(50)存在一个特征温度T∗,在T>T∗浅过冷温度下,凝固速度随着凝固温度的降低快速增加,在T<T∗深过冷温度下,凝固速度随着凝固温度的降低缓慢下降,表明空位浓度并不是界面生长速度的单值函数;作为合金元素,Cu比Ni更倾向于形成空位原子(vacancy atom,VA).

面内双轴载荷下T形焊接接头的疲劳失效行为

船舶中的“十字”和“T形”焊接接头在服役中会受到复杂的多轴疲劳载荷作用,易在焊缝等薄弱区域失效。通过设计的T形焊接接头和试验装置开展试验,以得到T形接头在不同面内双轴载荷下的疲劳寿命、起裂位置及断口特征;利用有限元方法分析了不同面内双轴载荷条件下T形接头焊趾处的应力分布状态,研究了影响焊趾应力状态的因素;结合修正的W9hler曲线法(modified W9hler curve method,MWCM)预测T形接头的疲劳寿命。结果表明:横向载荷一定时,纵向载荷的增加导致T形接头的疲劳寿命呈指数降低;鉴于T形接头的几何特性,裂纹总是萌生于下焊趾,焊趾过渡圆弧半径对焊趾的应力状态有显著影响,增大焊趾过渡圆弧半径可提高疲劳寿命;T形接头焊趾处的应力较高时,MWCM具有较高的预测精度。

深过冷Co-B合金外源触发形核行为及组织研究

合金的形核机制及其控制方法是凝固理论的重要研究领域之一。触发形核方式可自主控制形核过冷度,对研究形核理论及组织演变具有极大帮助。但熔体具有亚稳性,在实际处理时,外源性杂质引入熔体后将作为触发形核异质点,改变过冷度ΔT和再辉度ΔT_(R),显著影响后续凝固行为,该种现象更为普遍。本文通过玻璃包覆结合循环过热过冷方式,获得两类不同形核模式凝固的Co_(80)B_(20)合金。自发形核模式下,ΔT及ΔT_(R)分别为280和199 K,组织组成为Co/Co_(3)B细小规则共晶。外源性触发形核模式下,ΔT和ΔT_(R)降至122和21 K。组织转变为初生Co枝晶及晶间的Co_(23)B_(6)基体相。外源性杂质将降低f(θ),减小临界形核半径,降低ΔT,使得组织更加不均匀,在实际的熔体处理过程中应予以控制。

相变与变形中的约束

材料加工与成形涉及的相变和变形中,由于热力学或热-动力学变化而产生的使相变/变形发生与发展的物理作用可定义为约束。本文面向微观组织的形成与变形过程,立足于笔者近年来提出的关于热力学稳定性和广义稳定性、热-动力学相关性和热-动力学配分的材料设计理论框架,明确了热力学约束和热-动力学约束的表现形式和作用机制。热力学约束代表相变/变形启动的难易程度,而热-动力学约束从能量变化而言,体现为形核约束长大和长大约束形核,从过程快慢而言,则体现为热力学约束动力学和动力学约束热力学。本文选择代表性相变或变形过程,定量描述了上述约束,基于此,提出主动设计约束的学术理念,旨在通过定量设计材料加工过程而获取力学性能优异的金属结构材料。

金属导热理论的研究进展与前沿问题

金属是人类使用最广泛的材料之一.相对于对金属力学性能的研究,金属导热性能的相关研究较为匮乏.对金属导热机制的理解往往还依赖于一百多年前建立的威德曼-弗朗兹定律.金属导热和电子输运有密切联系,同时又与晶格振动有关.深入理解金属导热机制,不但对材料应用意义重大,而且有利于提高对导热基本理论的认知.本文回顾了金属导热研究的历史,并对最近十几年来金属导热的研究进行了总结,特别是对基于第一原理电子-声子耦合模式分析的金属导热机理的研究进行了综述.此外,本文也对金属导热理论的未来发展方向进行了探讨.

TC17钛合金叶片振动疲劳寿命研究

叶片属于典型的薄壁曲面构件,其服役环境恶劣,在交变应力作用下经过一定循环周次后发生疲劳断裂,严重影响发动机的可靠性和耐持久性。为了研究叶片振动状态下的疲劳性能,采用不同工艺参数加工叶片,测试其表面粗糙度、残余应力、显微硬度,并进行叶片的振动疲劳试验和疲劳断口分析。结果表明:TC17钛合金叶片的危险位置在叶背,距叶尖48.1 mm,距进气边26.9 mm处;叶片的表面粗糙度为0.373μm,表面应力集中系数为1.014,表面残余应力为-319.38 MPa,表面显微硬度为412.53 HV时,获得最高疲劳寿命8.91×10^(5)周次;残余应力对叶片振动疲劳寿命的影响最显著,其次是表面应力集中系数,最后是显微硬度;铣削加工叶片的疲劳失效模式为表面单源起始,疲劳源区有明显的放射线特征,裂纹扩展区有疲劳条带和二次裂纹,瞬断区有韧窝特征,属于韧性断裂。

多尺度实验测试评价高强钢氢脆的研究进展

氢脆是高强钢中普遍存在的现象,也是其研发过程中必须攻克的难题。为了深入理解高强钢的氢脆与其缺陷之间的关系,发展了许多测试评价方法,如宏观尺度的慢应变速率拉伸、线性增加应力、恒载荷拉伸这类力学实验以及检测氢含量的热脱附光谱法和电化学氢渗透法,根据高强钢的塑性损失、最大断裂应力、断裂时间、应力强度因子、氢的俘获能和扩散速率等参数直接进行氢脆敏感性的评价。但宏观尺度的实验无法深入地研究高强钢发生氢脆的机理,通过介观、微观尺度的实验和表征手段,如压痕法、纳米压痕法、微悬臂梁弯曲实验、原子探针技术、氢微印技术、扫描开尔文探针显微镜等,从局部测试高强钢性能变化和准确检测氢被俘获的位置,能够在解释氢脆机理和认识氢与高强钢中缺陷之间相互作用的问题上提供更加准确的依据。本文介绍、对比了上述这些实验方法并调研了多尺度实验测试评价高强钢氢脆的研究进展,总结了高强钢氢脆研究现状和主流的测试评价方法,为深入探索高强钢氢脆提供了思路。

非对称循环弯曲变形再结晶组织的Monte Carlo模拟

利用Monte Carlo方法模拟了非对称循环弯曲变形工艺下的静态再结晶过程,分析了循环道次、退火温度等工艺参数对板材表面及厚度方向上组织演变和晶粒尺寸分布的影响,并基于模拟数据,建立了静态再结晶晶粒尺寸预测模型。结果表明,在450~750℃的退火温度范围内,随着循环道次增加、退火温度升高以及与板材表面距离的减小,静态再结晶晶粒尺寸显著减小。当达到7个循环道次后,板材表面的晶粒尺寸趋于稳定;而在11个循环道次后,厚度方向的晶粒尺寸均匀化,并细化为等轴晶。此外,通过将模拟结果和金相实验得到的再结晶晶粒尺寸进行对比,模型的预测结果和实验数据吻合度高,所建模型的有效性和准确性得到验证。

基于TMCP工艺的FH36船板钢综合强化机理及疲劳裂纹扩展数值模拟

为了有效掌握高强度船板钢的综合强化机理和疲劳裂纹扩展行为,以控轧控冷工艺后的FH36钢为研究对象,利用EBSD、TEM和XRD等分析手段研究了FH36的沉淀相和织构成分;通过测试力学性能和疲劳裂纹扩展性能,定量计算了各强化机制对屈服强度的贡献值;采用新型扩展有限元法模拟了FH36船板钢的疲劳剩余寿命。结果表明:FH36钢中的沉淀相为NaCl型的(Ti,Nb)(C,N),主要的织构成分为{111}<123>、{331}<231>。综合强化机制的新算法可以定量表示为屈服强度的值等于固溶强化贡献值和沉淀强化值以及细晶强化与位错强化平方和的算术平方根值相加,其理论屈服强度值与实际屈服强度很好地符合。经试验验证,新型的数值分析结果的平均误差为3.02%,可以有效预测FH36钢的疲劳剩余寿命和评估疲劳性能。

第一性原理计算研究V_(2)AlX(X=C、N)相的热力学性能

通过第一性原理基于PAW方法研究了V_(2)AlX(X=C、N)相的结构、电子、声子和热力学性质。讨论了V_(2)AlX(X=C、N)相的结构和电子特性;利用晶格动力学的超晶胞方法计算了声子色散曲线,并通过准简谐近似预测高温下V_(2)AlX(X=C、N)相的热力学性质。结果表明:V_(2)AlC和V_(2)AlN具有金属性,且用N原子置换C原子后费米面处的态密度减低。V_(2)AlC和V_(2)AlN都是动力学稳定的。此外,还发现V_(2)AlN相的热力学性质比V_(2)AlC的更优异,且V_(2)AlN的体模量也高于V_(2)AlC。