晶体学取向对多晶体材料微结构力学行为的影响

现代材料设计和制备,对材料性能的要求愈来愈高,对寿命估测准确程度的要求也日益严格。基于材料细观尺度层次的性能预测并以此控制材料的宏观性能,是解决这一问题的一个有效途径。利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出三维多晶体材料微结构的代表性体积单元,通过C语言、Python脚本混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,使之用于多晶体材料微结构几何模型的建立、材料属性与晶粒取向的赋值、边界条件的定义以及有限元网格的划分,自主开发软件AutoORI对其生成的INP文件进行一系列修改实现晶体学取向的自动替换从而预测其晶体学取向对其微结构力学行为的影响。

08F钢离子软氮化扩散层中γ'-Fe_4(C,N)形态及晶体学取向关系

利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究了08F钢离子氮碳共渗扩散层中的γ'-Fe4(C,N)相的形态及其晶体学取向关系。结果表明,扩散层中的γ'-Fe4(C,N)相具有针状、片状和带状三种相貌。γ'-Fe4(C,N)相内部又分为层错型和非层错型两种,且含层错的γ'-Fe4(C,N)占多数。另外,γ'-Fe4(C,N)与α-Fe晶体学取向关系符合近似的N-W和K-S关系,即当[1 11]α//[101]γ'或者[100]α//[110]γ'时,则{110}α//{111}γ'+1.6°;当{110}α//{111}γ',则[1 11]α//[101]γ'+0.9°。

焊接熔池凝固过程联生结晶晶体学取向对线性不稳定动力学的影响

为了研究焊接熔池凝固过程中联生结晶的晶体学取向对线性不稳定动力学的影响规律,采用定量相场模型,耦合熔合线附近枝晶生长的瞬态条件,对不同晶体学取向的联生结晶生长过程进行数值模拟,同时采用考虑界面能各向异性的线性不稳定动力学解析模型对该系列联生结晶过程的界面演化进行预测。线性生长失稳波长的相场模拟结果和解析计算结果与试验结果吻合良好。不同晶体学取向的联生结晶的生长结果表明,晶体学取向偏角越大,界面越稳定,界面失稳临界时间越长。由于焊接熔池瞬态凝固条件的瞬变性,以及线性生长阶段界面波长选择放大机制的随机性,使晶体学取向偏角越大界面失稳波长越大的规律无法显现。因此焊接熔池中熔合线附近联生结晶的界面失稳胞晶间距与初始晶体学取向相关性不明显。

X65抗酸管线钢氢致开裂的晶体学表征

采用电子背散射衍射方法(EBSD)对X65MS抗酸管线钢氢致开裂(HIC)的晶体学特征进行了研究,结果表明,{111}//ND取向晶粒和回复、再结晶晶粒具有良好的抗HIC性能,而{101}//ND取向晶粒和变形晶粒具有较高的HIC裂纹敏感性;此外,低值的局部取向错配角(KAM)和大角度晶界(HAGBs)对HIC裂纹萌生和扩展具有抑制作用,而高值的KAM和小角度晶界(LAGBs)则易于HIC裂纹的萌生和扩展。

锆合金中的氢化物相及氢化物取向

作为核反应堆的燃料包壳,锆合金在水侧腐蚀的同时还因吸氢而产生氢化物,从而导致基体脆化和氢致延迟开裂等问题。本文综述了锆合金中的氢化物相和氢化物取向。重点讨论了γ相和δ相与锆及锆合金的晶体学取向关系,分析了织构、加工Q值、应力和退火温度对氢化物取向的影响,以及氢化物取向对锆合金力学性能的影响。同时概括了目前研究中存在的氢化物取向机理不明确、氢化物应力再取向机理存在争议等问题,指出了影响锆合金中氢化物取向的因素、氢化物与锆基体的晶体学取向关系、氢化物应力再取向机理等研究尚需进一步完善,此外,对于国产新型高性能锆合金氢化物的研究也有待深入开展。

过共晶铝硅合金中铝硅共晶相取向关系

许多文献得出了亚共晶铝硅合金共晶相存在一定的晶体学取向关系,但是过共晶合金中铝硅相的取向关系并没有文献明确给出。本实验在借鉴亚共晶铝硅合金的共晶相取向关系:(220)Al∥(111)Si〔111〕Al∥〔011〕Si,研究了过共晶铝硅合金的共晶相取向关系。通过标定过共晶铝硅合金两相区衍射斑点指数,确定了过共晶相的取向关系。结果表明过共晶铝硅合金共晶相具有与亚共晶铝硅合金共晶相相同的晶体学取向关系。

超低碳贝氏体钢埋弧焊焊接接头韧化机理分析

对超低碳贝氏体钢埋弧焊焊接接头焊缝区显微组织进行分析,发现焊缝区韧性与针状铁素体的含量存在一定的关系.对焊接接头组织进行扫描电子显微镜观察和能谱分析.结果表明,焊缝区针状铁素体以Al2O3夹杂物为核心多维形核呈放射状生长;利用EBSD对焊接接头组织进行晶体学取向研究,结果发现,焊缝针状铁素体晶粒取向并不完全随机分布,在某些晶体学方向上存在取向择优;各针状铁素体之间呈大角度晶界;从同一夹杂物上长出的针状铁素体,沿同一方向背向生长的针状铁素体具有相同的取向,可能因为它与奥氏体具有一定的晶体学取向关系.

镁铝锌钇合金微结构的电子显微研究

添加适量稀土元素钇后,镁铝合金高温力学性能会得以改善。本文利用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM),对693 K保温24 h的Mg-9.0wt.%Al-2.2 wt.%Zn-6.1wt.%Y铸态合金样品的微结构进行了研究。实验结果表明,显微组织相组成是基体α-Mg、晶界处γ-Mg17Al12、晶胞内的Al2Y、τ-Mg32(Al,Zn)49及-Al5Mg11Zn4相。确定了-Al5Mg11Zn4相与α-Mg基体间的取向关系是(10 10)α//(106),[51053]α//[010]。

ULSI中Cu互连线的显微结构及可靠性

观察了ULSI中大马士革结构的Cu互连线的晶粒生长和晶体学取向 .分析了线宽及退火对Cu互连线显微结构及电徙动的影响 .Cu互连线的晶粒尺寸随着线宽的变窄而减小 .与平坦Cu膜相比 ,Cu互连线形成微小的晶粒和较弱的 (111)织构 .30 0℃、30min退火促使Cu互连线的晶粒长大、(111)织构发展 ,从而提高了Cu互连线抗电徙动的能力 .结果表明 ,Cu的扩散涉及晶界扩散与界面扩散 ,而对于较窄线宽的Cu互连线 ,界面扩散成为Cu互连线电徙动失效的主要扩散途径 .

Cu-25Cr合金触头材料中Cu/Cr相界面的特性(英文)

用透射电子显微镜(TEM)的选区电子衍射、衍衬及X射线能谱分析了真空熔铸Cu-25Cr合金触头材料和烧结CuCr25粉末合金触头材料中Cu/Cr两相界面及其显微组织。一些细小的Cr二次枝晶与Cu基体有择优取向关系,即(110)Cr∥(111)Cu和[011]Cr∥[112]Cu,间距约6nm的单列错配位错分布在Cr/Cu两相的半共格界面上,这表明Cu-25Cr合金材料中Cr/Cu两相的界面具有更好的协调性。与Cu-25Cr合金材料相反,CuCr25粉末合金烧结材料中Cu/Cr粒子之间形成的是非共格界面,且有少量的Al2O3和Cr2O3等夹杂物聚集在松散的Cu/Cr颗粒间的界面上。据此,本文讨论了CuCr触头材料中Cu/Cr两相间的界面结构对材料机械性能、断裂特性及电接触性能的影响。

大马士革镶嵌结构对Cu膜微结构及应力的影响

通过TEM、SEM、XRD和EBSD,观察了Cu互连线和平坦Cu膜的微观结构。采用薄膜应力测试分布仪和二维面探测器XRD,测量了平坦Cu膜和Cu互连线的应力,计算了Cu薄膜热应力的理论值。凹槽侧壁成为互连线新的形核区域,并且在平行于侧壁的方向形成较弱的(111)织构。与平坦膜相比,互连线晶粒尺寸明显变小(、111)织构较弱,且存在大量Σ3和Σ9晶界。平坦膜和互连线分别表现出压应力和张应力。降温过程产生的热应力为互连线的主要应力。

激光焊接Ti-6Al-4V钛合金塑性行为的原位SEM/EBSD分析（英文）

选用原位SEM/EBSD显微术分析研究了Ti-6Al-4V钛合金的焊接区域的变形行为。研究发现,由于焊接时高的焊接温度(在β相变点之上)和急剧的冷却速率,导致β→α'马氏体相变的发生。SEM观察发现,在焊缝区只存在有针状的α'马氏体形貌,而在焊接第一热影响区和第二热影响区,针状α'相逐渐发生球化,形成了明显的显微组织梯度过渡。在对焊接区域进行SEM/EBSD下的原位拉伸实验后发现,该区域的塑性变形可划分为两个阶段。变形的第一阶段,滑移变形或孪生变形均有可能发生,这取决于晶粒的初始晶体学取向是否可通过旋转来匹配<120>//TA(拉伸方向);而在变形的第二阶段,只发生滑移变形。

ABAQUS二次开发在材料微结构计算中的应用

基于Voronoi图基本原理,通过编写Python语言在ABAQUS中构造出三维多晶体微结构几何模型。利用ABAQUS/CAE内嵌的GUI插件开发辅助工具RSG对话框构造器,定制合理的参数对话框,编写内核Python程序开发出材料微结构前处理建模插件Polycrystal Toolkit,利用该插件可以快速构造微结构几何模型并赋予晶体学取向。采用该方法建立的有限元模型结合大型仿真软件ABAQUS分别对2种任意取向下的圆柱多晶体进行扭转变形模拟。结果表明:通过编写Python语言生成的Voronoi多晶模型可以很好地描述实际多晶体变形过程中内部变形的不均匀性,验证了模型及插件的有效性,为以后织构演化行为的研究提供了有利的建模基础。

TC4F合金低周保载疲劳损伤机制及断裂行为研究

研究了具有双态组织的Ti-6Al-4V-0.55Fe(TC4F)合金在室温下低周疲劳及保载疲劳的组织特征和断裂机制,分析了合金在总应变幅为Δεt/2=1.20%,保载时间为0.05、10、20和30 s的低周疲劳循环应力-应变响应行为,并研究了疲劳变形后合金的组织演变。发现相邻晶粒的晶体学取向差对TC4F合金疲劳裂纹萌生有重要影响。一方面,无论是α/α相界还是α/β相界,晶界两侧晶粒的晶体学取向差越大,越易萌生裂纹;另一方面,α相内产生的孪晶导致孪晶界相邻晶粒较大的取向差,从而也可在α相内部萌生裂纹。随着疲劳保载时间的增加,导致α相中更多的柱面滑移系激活,位错滑移使相界面产生应力集中,进而使得疲劳寿命降低。最后讨论了不同保载时间下的疲劳裂纹扩展方式。

Development of 3D crystallographic orientation measurement for grain deformation analysis in aluminum alloy

Development of inhomogeneous deformation is an interest matter in material engineering. Synchrotron radiation tomography provides 3D distribution map of local strain in polycrystalline aluminum alloy by tracking microstructural features. To perform further deep analysis on development of inhomogeneous deformation, crystallographic grain orientation is necessary. Three-dimensional X-ray diffraction technique was developed. A new crystallographic orientation measurement method was described in 3D space, utilizing grain boundary tracking （GBT） information.

氢含量对再结晶Zr-Sn-Nb管材氢化物微观结构及取向的影响（英文）

虽然已有较多锆合金氢化物的研究,但对于较高氢含量中锆合金氢化物的研究较少。首先对Zr-Sn-Nb管材在400℃下气相渗氢,通过保温不同时间获得具有3种不同氢含量(147、340、1480μg/g)的渗氢样品。随后采用OM、SEM、TEM和EBSD表征技术,研究了Zr-Sn-Nb管材中氢化物的微观结构与基体的晶体学取向关系。结果表明:氢含量影响管材中氢化物的取向,α-Zr基体与氢化物之间存在(0001)_α//{111}δ和{1017}α//{111}δ2种取向关系。EBSD分析表明,氢化物从一个基体晶粒向另一个基体晶粒生长时取向会随着基体晶粒取向的变化而变化。部分锆基体晶粒内同时有晶内氢化物和晶间氢化物,而只有晶内氢化物与锆基体有晶体学取向关系。

3种铸造镍基高温合金热疲劳行为研究

研究了3种铸造镍基高温合金在不同温度下的热疲劳行为,利用OM和SEM对合金的组织和热疲劳裂纹形貌进行了观察.结果表明:3种合金的热疲劳裂纹均萌生于V型缺口尖端处,应力诱导下氧化孔洞的产生、聚集和相互连通是裂纹萌生的主要方式,晶界、碳化物及共晶促进了裂纹的萌生和扩展.IN738和DZ444合金的热疲劳裂纹分别沿晶界和枝晶间扩展,DZ445合金的裂纹扩展方式随着温度升高由沿枝晶间扩展转变为沿晶体学取向扩展.高温氧化和热应力的交互作用是热疲劳的主要损伤机制,各合金在较高温度(950℃)下发生的微观组织演化促进了热疲劳性能的降低.

镍基单晶高温合金冷热循环过程中圆孔周围裂纹萌生与扩展行为

选用第二代镍基单晶高温合金,制备了平行于定向凝固方向且分别沿(100)面和(110)面的2组板式试样,采用电火花方法在试样中心垂直于板面加工孔径为0.5 mm的圆孔.采用室温到1100℃的冷热疲劳实验,研究了冷热循环过程中不同晶体学平面的板式试样上圆孔周围裂纹萌生及扩展行为.结果表明,位于不同晶体学平面的板式试样中,电火花方法加工圆孔周围产生了一薄层再铸层,再铸层最厚处约15 μm.板式试样所在晶体学平面对圆孔周围裂纹萌生及扩展行为影响显著.冷热循环80 cyc后,(110)面试样中,裂纹在与枝晶生长方向垂直的孔边产生,之后迅速沿与枝晶生长方向呈45°角扩展.而对于(100)面试样,即使经过200 cyc冷热循环后孔边也未观察到裂纹,造成此差异的本质原因是单晶高温合金晶体结构的各向异性导致的热应力差别与微观组织特征共同作用的结果.

钒对高强度汽车大梁钢组织细化的影响

利用Gleeble-3500热模拟试验机、扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射技术等手段研究V对700 MPa级高强度汽车大梁钢组织细化的影响.在冷却速度2~7℃·s-1时,显微组织为针状铁素体＋粒状贝氏体组织.V添加提高粒状贝氏体体积分数,细化粒状贝氏体组织,并明显降低粒状贝氏体中M/A岛的尺寸.与无V钢相比,含V钢中大角度晶界比例提高18.2%,对提高钢的韧性有利.由于C含量过低,在实验钢中未观察到单独的VC析出,由此推测V主要固溶在基体中,以合金化方式促进钢的贝氏体相变,使组织得到有效细化.