激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

目的研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法对原始态合金分别进行600、700、800、900℃退火处理,利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果随着退火温度的升高,原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应,基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa,弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81,均小于2,均表现为正压痕尺寸效应。结论激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应;3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应,Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系,其拟合结果更接近于试验结果,计算的硬度值也最为准确。

(0001)面氧化锌单晶微纳米尺度划痕特性实验研究

目的对(0001)面ZnO单晶微纳米尺度划痕特性进行实验研究,为ZnO单晶器件性能提升及ZnO单晶精密加工工艺优化等提供必要的科学依据。方法采用Berkovich金刚石压头棱向前和面向前2种划痕方式,在不同划痕速度下对(0001)面ZnO单晶进行了纳米划痕实验,分析了划痕速度和划痕方式对其微纳米尺度划痕特性的影响。结果当划痕速度从2μm/s增加到100μm/s时,棱向前划痕方式下的深度从352.9 nm降到了326.9 nm,面向前划痕方式下的深度从352.7 nm降到了289.9 nm;棱向前划痕方式下的切向力从4.15 mN降到了3.93 mN,面向前划痕方式下的切向力从5.12 mN降到了4.45 mN;棱向前划痕方式下的摩擦因数从0.21降到了0.19,面向前划痕方式下的摩擦因数从0.25降到了0.2;棱向前划痕方式下的残余划痕深度从162.2 nm降到了138.4 nm,面向前划痕方式下的残余划痕深度从148.3 nm降到了129.9 nm;棱向前划痕方式下的残余划痕两侧塑性堆积高度从23 nm降到了17 nm,面向前划痕方式下的残余划痕两侧塑性堆积高度从18nm降到了11nm。结论随划痕速度的增加,(0001)面Zn O单晶的划痕深度、切向力、摩擦因数、残余划痕深度及划痕两侧塑性堆积高度均在下降。在相同划痕速度下,棱向前划痕方式下的划痕深度、残余划痕深度及划痕两侧塑性堆积高度都比面向前划痕方式下的要大,而棱向前划痕方式下的切向力和摩擦因数都比面向前划痕方式下的要小。

表面纳米化对316L不锈钢干摩擦性能的影响

目的研究表面纳米化316L不锈钢干摩擦磨损性能,以获得合理的喷丸时间,提高316L不锈钢的使用寿命。方法采用普通喷丸强化方法对316L不锈钢进行表面纳米化处理,利用洛氏硬度计测量了纳米化前后材料表面洛氏硬度;利用激光共聚焦显微镜观察了纳米化前后材料表面三维形貌,测量了材料表面的粗糙度;利用扫描电子显微镜观察了表面纳米化处理后横截面的金相组织;利用材料表面性能综合测试仪在干摩擦条件下进行了摩擦磨损实验,测量了材料的摩擦系数;利用扫描电子显微镜观察了磨痕表面形貌,分析了材料的磨损机理。结果与未纳米化试样相比,喷丸时间为15 min时,表面硬度提高9.7%,而表面粗糙度降低17.6%,干摩擦系数降低17.3%;喷丸时间为30 min时,表面硬度提高34.1%,粗糙度降低35.1%,干摩擦系数降低28.8%。未纳米化试样呈现典型的粘着磨损和磨粒磨损机制,而纳米化处理后试样则主要呈现疲劳磨损和磨粒磨损机制。结论表面纳米化处理后试样表面硬度随处理时间的增加而增加,粗糙度随处理时间的增加而降低,干摩擦系数随处理时间的增加而减小。喷丸处理时间较短时以疲劳磨损为主,处理时间较长时以磨粒磨损为主。

单个弹丸撞击316L不锈钢引起的变形场

运用金属材料表面纳米化试验机对单个弹丸撞击316L不锈钢表面进行了撞击实验;采用激光共聚焦显微镜观察了弹坑的三维形貌,测量不同振动频率下弹坑的直径及离面位移;采用云纹干涉法对弹坑周围的面内应变场进行测量,并分析振动频率及撞击方式对弹坑尺寸、塑性应变大小以及塑性应变区范围的影响;采用有限元方法对单个弹丸垂直撞击试件表面的应变场进行数值模拟,与实验结果进行比较,分析了弹坑周围残余应力的分布。结果表明:随振动频率的增加,弹坑直径和离面位移都增加,频率在50~55 Hz,弹坑直径有突变,离面位移和振动频率呈线性关系;振动频率越大,塑性应变越大,塑性应变分布范围均大于弹坑直径的2倍;同一振动频率下弹丸垂直撞击比倾斜撞击的塑性应变大,而塑性应变分布范围相差不大;面内残余应变场的数值模拟结果和实验结果吻合较好,最大误差小于10%。

镶嵌粒子周围应变场的实验和数值模拟研究

采用电子束云纹法对陶瓷粒子嵌入316L不锈钢表面后粒子周围应变场进行了实验测量,分析了镶嵌粒子周围应变场的分布规律;运用LS-DYNA对嵌入粒子周围及内部应变场进行了有限元模拟,并与实验结果进行比较;同时对2个粒子嵌入情况进行了有限元模拟,分析了粒子之间的距离对应变场及残余应力场的影响。结果表明:距嵌入粒子边缘距离越小,塑性应变越大,随着距离的增加,塑性应变逐渐减小,最后趋于零,x方向的最大塑性应变为10.75%,y方向的最大塑性应变为11.33%;实验结果和数值模拟结果吻合较好,最大误差为10.8%;粒子之间的距离越近,对应变场及残余应力场的分布范围影响越大,而对最大残余应力值的影响较小。

“工程力学”课程教学改革探讨

文章首先分析了“工程力学”课程教学改革的思路,然后从导入阶段、新授阶段、互动反馈阶段、课程总结与布置课后作业阶段四个阶段入手阐述了“工程力学”课程教学改革的实践。

风沙环境下钢结构涂层的冲蚀磨损力学性能研究

针对钢结构涂层耐久性受风沙侵蚀和劣化问题,在研究风沙环境特征和钢结构涂层力学性能的基础上,利用接触理论和LS-DYNA有限元分析程序分析了涂层受冲蚀时的最大接触动力、最大接触半径、最大接触应力,并分析了应力场分布规律和屈服极限风沙流速度。分析结果表明:最大接触动力、最大接触半径、最大法向动应力随冲蚀速度和角度的增加而增大,当冲蚀速度、角度分别为35m/s、90°时,其达到最大值4.09×10-2N、4.24×10-5m、1.08×107Pa;最大切向动应力随冲蚀角度的增加而减小,当冲蚀速度为35m/s时,冲蚀角度为5°和90°时对应的应力分别为9.36×107Pa和0;得到了涂层表面和内部应力场,在对称轴z=0.56a处,剪应力最大值1max 0τ=0.277 p,剪应力最大值点即是材料接触流动的起始点,因此可预计塑性流动将在涂层表面下方开始发生;当垂直冲蚀时涂层材料不屈服的极限射流速度为18m/s。

颗粒高速撞击并嵌入金属表面的三维动力学有限元模拟

颗粒与钢板的高速撞击并镶嵌过程属于高度非线性问题,数值模拟技术为其侵彻过程求解提供了有效的解决方法.本文应用LS-DYNA显式动力学分析软件对陶瓷颗粒高速撞击并镶嵌到316L不锈钢表面的过程进行三维动力学有限元模拟,分析了颗粒撞击并逐步嵌入靶板的相互作用过程;研究了粒子嵌入过程中不锈钢板的应力、应变、位移随时间及位置的变化规律.结果表明,颗粒撞击并嵌入靶板以后,其最大屈服应力、最大有效塑性应变以及最大位移都出现在与颗粒接触的地方.在颗粒作用范围内,离颗粒越远的地方,其屈服应力、有效塑性应变及位移越小.

风沙环境下钢结构表面涂层冲蚀行为与侵蚀机理研究

风沙环境的侵蚀和劣化作用严重影响着基础设施的安全耐久性.本文根据风沙环境特点,利用气流挟沙喷射法对钢结构涂层进行冲蚀试验,研究了涂层在风沙环境下的冲蚀磨损特性、冲蚀行为和侵蚀机理.结果表明:涂层磨损量随沙剂量和冲蚀速度的增加而增加;侵蚀机理为在低角度冲蚀下,涂层主要受微切削作用,而在高角度冲蚀下,主要受冲蚀挤压变形作用,由于涂层强度低而韧性较好,其在低角度冲蚀下的磨损更为严重.

改进Oliver-Pharr法在铁电单晶纳米压痕中的应用

为解决传统Oliver-Pharr法无法给出接触刚度随压入深度的连续变化关系问题,考虑塑性压痕与周围弹性基体间残余接触应力之间影响,引入虚拟载荷,提出改进Oliver-Pharr法.该方法可连续确定接触刚度,不需要对压头的面积函数进行预先校正.将该方法应用到PIN-PMN-PT铁电单晶纳米压痕实验数据分析中,计算了其接触刚度、弹性模量及硬度,并与连续刚度测量法的测量结果进行了比较.研究结果表明:该方法的计算结果与连续刚度测量法的测量结果吻合度高,改进Oliver-Pharr法有效可行.

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金纳米压痕蠕变研究

目的研究原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的室温压痕蠕变特性。方法利用光学显微镜观察原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的显微组织。基于纳米压痕技术结合恒载荷法,测量原始态和退火态合金在室温下的最大压痕深度、蠕变位移和蠕变速率敏感指数等压痕蠕变参数,并分析两种状态下合金的蠕变机理。结果原始态合金的显微组织几乎全为α相,退火态合金的显微组织为网篮组织。荷载分别为200、300、400 mN时,加载阶段原始态合金的最大压痕深度比退火态合金的最大压痕深度分别提高43%、42%、34%;保载阶段,原始态合金的蠕变位移比退火态合金的蠕变位移分别提高129%、128%、139%。原始态合金的蠕变速率敏感指数m值分别为0.054、0.050、0.046,退火态合金的m值分别为0.041、0.032、0.022,相同荷载下原始态的m值均大于退火态的m值。结论退火处理形成的网篮组织,使退火态合金的蠕变速率敏感指数m值降低,从而使其蠕变抗力增强。原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的蠕变机理均为位错蠕变。

退火处理对AZ31B镁合金组织及力学性能的影响

利用金相显微镜、扫描电镜以及单轴拉伸试验研究了具有双峰晶粒尺寸分布的轧制态AZ31B镁合金退火过程中退火温度及保温时间对再结晶组织和力学性能的影响。结果表明,在150℃退火后静态再结晶发生不完全,保温480 min在室温下沿轧制方向上的抗拉强度可达276 MPa,屈服强度可达176 MPa,提高了镁合金的强度。而在300℃退火后可以改善镁合金的塑性性能。轧制态AZ31B镁合金板材经300℃退火60 min后伸长率最高(27.3%),此时平均晶粒尺寸为9.1μm。在450℃退火后,晶粒发生粗化且晶界粗糙度明显增加。随着退火温度的升高,断裂类型从准解理断裂向韧性断裂转变。

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金纳米压痕尺寸效应分析

在微纳观尺度下分析纳米压痕的尺寸效应,可以为研究激光选区熔化合金材料的力学性能提供较为客观的试验依据。使用准静态法对激光选区熔化制备的原始态和退火态Ti-6Al-4V合金进行了纳米压痕试验,并根据Meyer模型和比例试样阻力模型对Ti-6Al-4V合金的载荷和接触深度进行了函数拟合。结果表明:最大载荷分别为200、300、400mN时,原始态合金的硬度分别为3.64、3.71、3.94GPa,退火态合金的硬度分别为7.48、7.43、6.84GPa;拟合结果表明原始态合金呈逆压痕尺寸效应(RISE),退火态合金呈正压痕尺寸效应(ISE);比例试样阻力模型在退火态可以很好地预测合金的硬度;晶界是否连续是原始态和退火态合金产生两种不同类型压痕尺寸效应的主要原因。

纳米压痕不同加载速率下碳纤维增强树脂基复合材料力学性能响应

利用纳米压痕技术对加载速率从0.05~8 mN/s不同情况下碳纤维增强树脂基复合材料富树脂区域与碳纤维的力学响应进行了研究,得到了硬度、模量、接触刚度以及压痕深度随加载速率的变化趋势,并给出硬度与应变率之间的定量关系。结果表明,当加载速率在0.05~2 mN/s范围内,富树脂区的模量、接触刚度和压痕深度随加载速率的增加而减小,同时,富树脂区及碳纤维的硬度与应变率均呈幂指数关系,其应变速率敏感性指数分别为0.113、0.029。加载速率在2~8 mN/s范围内,富树脂区的模量、接触刚度和压痕深度随加载速率的增加而增加,而富树脂区及碳纤维的硬度均随应变率的增加而减小,且和应变率均呈线性关系。

AFM轻敲模式对Si基SiO_(2)薄膜粗糙度的研究

SiO_(2)薄膜作为集成电路绝缘层、光学薄膜器件以及微机电系统薄膜的重要组成部分,在器件制造中起着重要的作用。为了分析Si基SiO_(2)薄膜的粗糙度,利用原子力显微镜对Si基SiO_(2)薄膜表面进行测试,将得到的表面形貌首先进行平均滤波和图像均衡化处理,再从表面形貌、粒径累积占比、二维傅里叶分析、栅格分析和层次分析等角度分析其粗糙度。结果表明:Si基SiO_(2)薄膜二维与三维表面形貌分布相对平缓,少量突出尖端出现,突出峰的高度为3.20 nm;粗糙度与粒径累积正相关,粒径累积分布变化越集中,越均匀,表面粗糙度越小,其表面平均粒径是3.85 nm;二维傅里叶变换表示薄膜表面梯度变化,暗处较多说明表面梯度较低,粗糙度较小;其表面栅格分布规则,表面粗糙度较小;Si基SiO_(2)薄膜的平均高度为1.36 nm,高度累积占比50%,高度相对较低的表面粗糙度较小。最后得出Si基SiO_(2)薄膜的表面平均粗糙度为0.167 nm。从以上几个角度能够实现对材料表面的粗糙度的测量。为日后研究材料表面的粗糙度具有一定的参考依据。

一种基于纳米压痕技术估算残余应力的计算模型

通过分析纳米压痕实验中压头的压入过程,推导了残余应力在此过程中所作的功,根据能量守恒原则,建立了压痕功和残余应力功之间的关系,并推导出了基于能量法的残余应力计算公式。使用此公式估算材料残余应力并与已有Suresh模型、Lee模型和X射线衍射法的结果进行比较,结果表明,在固定压头载荷或压痕深度的纳米压痕实验中,能量法模型计算结果大于Suresh模型、Lee模型的计算结果,随着压头载荷或压痕深度的增加,能量法的计算结果与Suresh模型、Lee模型的变化趋势基本一致。当固定压头载荷时,能量法计算结果的平均值约为实际施加应力值的1.5倍,使用能量法计算选区激光熔化Ti-6Al-4V合金铺粉面的残余应力,计算结果约为X射线衍射测量结果的1.5倍。

偏微分方程广义分量解的对称方法

本文对已知的微分算子,构造一个在该微分算子下不变的有限维线性空间,利用此空间的基得到了具有三个或三个以上自变量的偏微分方程的广义分离变量解.

线性振动的神经网络建模

本文利用人工神经网络对两自由度线性振动系统进行了神经网络建模,并通过所建立的神经网络模型对该系统进行了预测。分别利用MATLAB和BP网络作为平台和训练工具。以两自由度悬臂梁的受迫振动为例,将一段时间内的激励力作为网络的输入参数,对应于该段时间内由振动产生的挠度作为网络的输出参数,然后利用BP网络进行训练。将网络模型预测结果与精确解进行对比,误差甚小。该结果表明:所建立的神经网络模型合理、有效,可利用其对该类问题进行预测并应用于工程实践中。

构造几何图形 妙解代数问题

数形结合是重要的数学思想之一,是连接几何与代数的桥梁.在中学数学解题中,数形结合思想有着广泛的应用,而构造图形解决代数问题是数形结合思想中“以形解数”的一种典型方法.本文例析妙用斜率公式、距离公式和余弦定理构造几何图形解决代数问题.

柴油抗磨剂蓖麻酸丙三醇单酯的制备及最佳条件

在加入柴油抗磨剂后,能够使柴油发动机工作中的自身摩擦损失减少,以达到增加发动机的功率,减少能量损耗的目的,且符合绿色环保的要求。一般地,柴油抗磨剂大致可以分为酸型和酯型抗磨剂。其中,酸型抗磨剂虽然能起到有效的减少摩擦作用,但普遍酸值过高,会影响发动机的正常工作,更甚者会损坏发动机。因为酸性抗磨剂大致上是各种脂肪酸的混合物,其在低温下会在柴油中析出,影响低温储存安定性。从这点看,酯型柴油抗磨剂的低温性比酸型的要好,而且对发动机增加的润滑度的比酸型抗磨剂的好,并且在储存和运输方面也比较方便。总的来说,酯型柴油抗磨剂对柴油起的润滑效果要优于酸型抗磨剂。