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.

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。

中厚钢板分层缺陷的形成机制分析

为降低中厚钢板产生分层缺陷的几率、提高控轧控冷钢材的质量性能,对试验的中厚钢板进行无损探伤,依照探伤图谱选择分层缺陷严重的部位,用扫描电镜等对其金相组织、缺陷形态和微区成分进行分析.结果表明,分层部位的缺陷组织主要为沿轧向分布的铁素体带中条状或片状硫化物是中厚板分层产生的主要原因.当钢中的含硫质量分数降低到0.02%以下、硫化物临界尺寸小于5μm时,可有效防止分层缺陷产生.

热浸镀中硅反应性研究

根据对Zn-Fe-Si三元体系的热力学评估计算和实验研究,体系中Si的化学位随Zn含量的增加而迅速提高,通过高温镀锌实验分析了diffuse-△(δ相+锌液)区域形成的原因,阐述了热浸镀锌中硅反应性的机理,镀层中的Si有向Fe含量高的相(特别是δ/ζ相界附近的δ相)、δ/ζ相界及(相晶界富集的趋势,随时间推移,扩散通道向富Si端移动,切过ζ相与液相两相平衡的共轭线,导致ζ相晶界附近出现的液体容纳Si,形成液体通道,液相穿过ζ相并与外面的锌液连接,液体直接与δ相接触,导致微应力的出现,液体可以沿着微裂纹腐蚀δ相,形成破碎的diffuse-△区域,锌液直接侵蚀基体,镀层生长受界面反应控制,镀层的线性生长导致形成较厚的镀层。

基于人工神经网络的建筑多目标预测模型

为得出一种能快够速且准确预测建筑能耗和室内热舒适状况的方法,提出应用人工神经网络来预测建筑能耗和室内热舒适状况的方法,并通过遗传优化算法对神经网络的连接权进行优化;其次,对影响建筑能耗和室内热舒适状况的主要因素进行分析,并针对这些主要因素建立基于GA-BP网络的建筑能耗和室内热舒适状况的预测模型;结合EnergyPlus模型计算所得出的144组样本数据,训练和测试所建立的住宅建筑能耗和室内热舒适状况的GA-BP网络模型,测试结果表明该模型有较高的预测精度。该预测方法的建立使建筑师在设计阶段能够简单且准确地获得设计建筑的能耗和室内舒适状况,从而使设计向着有利于建筑节能和改善室内热环境的方向发展。

热浸镀Zn-6%Al-3%Mg镀层合金层生长研究

将Q235钢分别在Zn-6%(质量分数,下同)Al和Zn-6%Al-3%Mg合金锌浴中浸镀不同的时间,使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)以及X射线衍射仪(XRD)对样品合金镀层显微进行观察,分析镀层层合金层的相组成及生长过程,研究Mg对合金层生长的作用。通过研究发现,在Zn-6%Al和Zn-6%Al-3%Mg合金镀层中合金界面层组成主要是Fe-Al-Zn化合物,Fe-Al-Zn合金界面层阻碍了脆性Fe-Zn层的形成。Mg加入Zn-6%Al锌池中后促进了界面反应,缩短了合金层出现所需时间,并使合金层的生长更加致密均匀,稳定合金层使其不被液相侵蚀破坏而溶解。Mg的加入阻碍了扩散通道随着时间延长逐渐向两扩散组元成分点连线移动的趋势,减少了锌液进入合金层,稳定了合金层。Zn-6%Al-3%Mg镀层合金层随着时间延长而增厚,合金层的生长呈抛物线规律,主要受扩散反应控制。

热浸镀锌铝的界面反应机理

通过热浸镀和扩散偶试验研究铁基与4种锌铝熔池成分合金Zn-0.2%Al、Zn-5%Al、Zn-25%Al、Zn-55%Al(质量分数)之间的界面反应过程,提出热浸镀锌铝中扩散通道移动对合金层形成的控制机理。结果表明:热浸镀(扩散偶)初期,扩散通道均沿两相区共轭线(tie-line)穿过熔池成分液相与对应的Fe-Al化合物构成的两相区,铁基表面优先形成对应的Fe-Al化合物的连续层状组织。随着热浸镀(扩散)时间的延长,扩散通道具有逐渐向两扩散组元成分点连线移动的趋势,一旦扩散通道切割熔池成分液相与对应的Fe-Al化合物构成的两相区共轭线,初期形成的Fe-Al化合物层失稳破裂,导致镀层合金层(扩散层)快速增厚。

稀土元素在钢中的热力学参数及应用

综合报道了通过采用几种不同的高温金属溶液实验方法,研究所得到的稀土元素在金属溶液冶炼温度范围内分别与硫、氧、氧+硫、碳、氮、低熔点铜、磷、钛、铌、钒等重要元素相互作用规律及有关的一系列热力学参数和温度函数式,并简要地讨论了这些热力学参数在含稀土钢中的应用。

Cu-Al合金内氧化及Cu氧化行为的热力学分析

对Cu -Al合金的内氧化及冷却过程中Cu的氧化行为进行了热力学分析和实验研究 ,据此确立了Cu2 O粉末和氮基气氛共同作为内氧化介质的新工艺。结果表明 ,内氧化区是择优氧化区中上限氧分压下方的一个很小区域 ,其中上限氧分压由下式计算 ,lgPo2 上 =- 176 11T +12 .91;内氧化介质、氧分压和温度是实际内氧化控制的三要素 ;内氧化过程中晶内生成了均匀弥散分布的纳米γ -A12 O3 粒子 ,其平均尺寸和颗粒间距分别为 7nm和 30nm。降温过程中Cu的氧化不容忽视 ,通H2 急冷可明显提高材料性能。

三元系金属熔体中的活度和活度相互作用系数模型

提出计算金属液中活度和活度相互作用系数的模型．据此可以快速、准确地计算出任何三元系金属熔体中除Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ外任何组元的１ｎγ和任何组元间的一级活度相互作用系数ε，ε以及二级活度相互作用系数ρ，ρ，ρ．影响１ｎγ的因素是ｉ（溶质）和ｋ（溶剂）的ｎＷＳ（电子密度）、Φ（电负性）以及ｉ的Ｖ（摩尔体积）值。由模型计算出的１ｎγ值与实验值吻合较好，对铁基合金正负号一致率达９５．７％；影响活度相互作用系数的因素是溶质ｉ和ｊ以及溶剂ｋ的ｎＷＳ，Φ和Ｖ，ε，ε的计算值和实验值基本一致，对液态铁合金正负号一致率达８０％以上．

合金熔体遗传现象的热力学分析

】从热力学角度阐述了在液态无限互溶的合金熔体中微观不均匀结构形成的可能性。当不均匀体尺寸在1 ～10nm 时,在合金熔体中形成相对稳定的原子团簇,可以把它视为传递结构信息的遗传因子,并讨论了从基料到熔体,再从熔体到铸锭遗传规律的形成实质,为分析合金熔体遗传现象产生的原因提供了依据。

Al-Ti-C系中TiC形成的热力学与动力学研究

研究了在用熔体反应法制备Ａｌ－Ｔｉ－Ｃ中间合金过程中ＴｉＣ形成的热力学与动力学．实验结果表明：在８５０℃的Ａｌ熔体中，石墨颗粒周围的 Ｋ２ＴｉＦ６与 Ａｌ发生剧烈的化学反应放出大量的热，在熔体中形成大量的局部高温微区．在这些高温微区内，熔体中的 Ｔｉ或 ＴｉＡ１３达到了与 Ｃ形成 ＴｉＣ的热力学条件，从而在石墨颗粒周围生成大量 ＴｉＣ粒子．根据熔体化学反应的热力学条件，提出了 ８５０℃ 下在 Ａｌ－Ｔｉ－Ｃ中间合金中 ＴｉＣ形成的动力学模型。ＴｉＣ形成的最佳反应时间为 ３－５ ｍｉｎ，此时形成的 ＴｉＣ晶核最有效，制备的 Ａｌ－Ｔｉ－Ｃ中间合金细化效果最佳．

非饱和土边坡抗剪强度的力学参数影响及灵敏度分析

运用非饱和土的双应力变量理论,采用强度折减法详细分析土体各参数对边坡安全系数的影响,并通过灵敏度分析各参数对安全系数的影响。工程算例结果表明:各参数的变化对边坡安全系数的影响基本呈线性规律,其中土体含水率对安全系数影响线最显著;含水率、黏聚力和内摩擦角是非饱和土边坡稳定性分析的重要物理力学参数,为降雨条件下非饱和土边坡加固设计参数选取提供了依据。

Inconel 740H主要强化元素对热力学平衡相析出行为的影响

对700℃等级超超临界电站过热器/再热器管材所用镍基高温合金Inconel 740H进行热力学相计算并研究了主要析出强化元素对其平衡析出相析出行为的影响.结果表明:合金中γ′相和M23C6碳化物稳定温度范围较宽;Al、Ti和Nb 3种元素对γ′相、η相和σ相的析出行为影响较大,而Co元素对其影响不大,其中Al对γ′相和σ相的析出和稳定有促进作用,对η相却有抑制作用,Ti和Nb对γ′相、η相和σ相均有促进作用;C对M23C6碳化物析出量的影响显著,而Cr对M23C6的析出温度影响显著.将Al、Ti、Nb、C和Cr的质量分数控制在一定范围内并适当减小Co的质量分数,可以使Inconel 740H合金的成分范围得到一定的优化.

铝合金与5CrMnMo模具钢界面接触换热系数实验研究

利用自制的接触换热系数测量装置对铸造铝合金和挤压铝合金分别与5CrMnMo模具钢的接触换热系数进行了实验研究.分析了铝合金与5CrMnMo模具钢间的接触换热系数随接触表面温度和载荷的变化,发现接触换热系数与温度并不存在简单的正比关系,而与载荷的指数近似成正比关系,并且在相同的接触条件和测量条件下铸造铝合金与5CrMnMo的接触换热系数普遍要比挤压铝合金的小.

氟碳铈矿热分解动力学研究

采用Harcourt Esson方法对不同来源的氟碳铈矿晶体热分解动力学进行了系统研究,得到的反应机制方程用普适积分法进一步验证,结果显示微山矿热分解为一级反应,不同品位的冕宁、非洲、芒廷帕斯氟碳铈矿热分解反应都是按照三维扩散机制进行的。

含Nb微合金钢动态再结晶行为

用Gleeble-2000热模拟实验机对实验钢进行高温单道次压缩实验,研究了实验钢动态再结晶行为.实验结果表明:实验钢动态再结晶激活能为304.711 kJ/mol;在较高温度和低应变速率条件下实验钢易于发生动态再结晶,随着lnZ的减小,实验钢应力-应变曲线由动态回复型变为动态再结晶型;当lnZ<22.61时,曲线上出现多个峰值,呈间断式动态再结晶型;峰值应力、峰值应变和临界应变与lnZ呈线性关系;动态再结晶开始时间随着应变速率的增大和温度的升高而缩短.

先进高强度汽车钢板的研制

阐述传统相变塑性(transformation induced plasticity,TRIP)钢在成分设计上存在的不足,利用偏聚热力学和动力学设计新型TRIP钢的成分.依据扩散动力学估算TRIP钢经亚临界区等温退火后的最慢冷速,取平衡计算和偏平衡所得T_0温度的平均值作为过时效温度,依据Hillert模型估算贝氏体增碳所需时间,以上述估算所得的参数通过与大量实验室数据对比后均获证实.以热力学探讨TRIP钢热镀锌的条件,进行系列的焊接性能试验,并在上述基础上进行TRIP钢的大生产.以Dumay所提供参数,估算孪晶诱发塑性(twin induced plasticity,TWIP)钢中组元对奥氏体层错能(stacking fault energy,SFE)的影响,以及不同成分TWIP钢的层错能.根据形成六方马氏体所需层错能,设计TWIP钢的成分,经不同处理后获得应变诱发六方马氏体与淬火马氏体,探讨不同方法获得的马氏体对力学性能的影响.所设计钢经处理后,性能最佳者的抗拉强度达1GPa,延伸率为60%,完全满足第三代汽车用钢的要求.

Mo-Si-C系金属间化合物Mo_5Si_3C Gibbs生成自由能估算

根据最小自由能原理和向下凸曲面性质推导出估算三元系和二元系金属间化合物热力学数据的判断式 ,并以 Mo- Si- C三元系为例 ,估算了三元相 T(Mo5 Si3C)的 Gibbs生成自由能。