物理冶金信息指导机器学习的镍基单晶高温合金蠕变寿命预测

蠕变寿命是影响镍基单晶高温合金材料服役寿命和力学性能的关键材料参数。因此,如何准确有效地预测合金的蠕变寿命具有重要现实意义。尽管多年来许多研究学者已经建立起多种蠕变寿命的预测模型,但是由于不同温度应力下的蠕变机制复杂且蠕变过程涉及长时间的显微组织演化,已有模型尚难以实现有效预测。对此,采用物理冶金原理指导下的数据挖掘结合机器学习这一研究策略,通过文献调研建立起了高温低应力下的镍基单晶合金的高质量蠕变数据集,在物理冶金原理指导下对原始数据进行挖掘,提高了原始数据的内在质量,并基于Pearson系数和随机森林平均精确度降低值分别对原始数据特征进行了相关性分析和重要性评估,表明所建立的数据集符合基本的物理冶金学机制,同时阐明了引入的三维物理冶金信息对于蠕变寿命预测的重要意义。随后,基于机器学习方法在数据挖掘后的数据集上对合金的蠕变寿命进行了预测,并根据平方相关系数(R~2)、平均绝对误差(MAE)和过拟合程度评估了不同的机器学习模型。结果表明,支持向量回归(SVR)模型在本研究中具有较好的泛化能力且不容易过拟合,同时结合了物理冶金信息的机器学习模型拥有更好的预测准确性和泛化能力。最终成功地建立起了高温低应力下镍基单晶高温合金成分、工艺以及引入的物理冶金参数和蠕变寿命之间的关系,能够实现对镍基单晶高温合金蠕变寿命的有效预测,并有望应用于基于合金服役条件的成分工艺的反向设计。

热处理工艺对2A12合金微观组织与尺寸稳定性的影响

采用冷热循环热处理工艺(改变的T7热处理工艺)来调整2A12铝合金显微组织从而提高其材料的尺寸稳定性。结果表明:该热处理方法与常见T6工艺、T4工艺对比,其铝合金的抗拉强度、屈服强度、微屈服强度都明显高于T6工艺15%,更优于T4工艺。显微组织观察表明:经过深冷循环处理的铝合金材料的体积收缩使得材料内部产生了大量的位错和亚晶等,铝合金晶粒没有明显再结晶回复,同时强化相已完全转化为S’相,相比T6工艺析出相析出更完全、分布更加均匀,从而提高其各种力学性能和尺寸稳定性。采用无负载条件下测试尺寸稳定性的结果表示:在相同条件下,T7工艺下比T4工艺下的尺寸稳定性提高了30%。

特殊钢的高通量计算与设计

高端制造等行业对特殊钢的性能需求日益提升,这对特殊钢的研发和更新换代速度提出了极高的挑战。基于传统试错法的研发方式虽然可在部分问题上避开未知物理机理的限制,但同时也会导致设计所需时间和成本的大量消耗。因此,特殊钢的研发方式需要逐渐从传统试错法向计算设计到实验验证模式转变。“材料基因组计划”自问世以来,在诸多材料体系的设计上都发挥了显著的作用,但在传统结构材料尤其是钢铁材料上,由于其合金体系的复杂性、工艺流程的长链条、组织的多样性以及性能的多目标需求,使其成为材料基因工程的难点。但正基于上述特点,传统结构材料也为材料基因工程提供了发挥的空间,世界各国纷纷开展特殊钢方面的高通量计算与设计。通过对基于材料基因思想的特殊钢研发进展的综述,评价了针对特殊钢的材料基因工程发展现状及未来方向。介绍了美国西北大学Olson团队以及Questek公司通过多尺度集成计算平台研发的飞机起落架用超高强不锈钢、荷兰代尔夫特大学通过“基因”设计理念结合高通量遗传算法设计的高性能耐热钢、印度CSIR国家冶金实验室通过多种本构模型结合人工神经网络进行的高性能管线钢设计等。特殊钢的高通量计算与设计研究不但可以促进特殊钢的更新换代,更会为我国乃至世界金属材料的高速发展提供支撑与保障。

多级时效处理对Al-4.74Zn-2.13Mg-1.20Cu合金性能的影响

对Al-4.74Zn-2.13Mg-1.20Cu合金进行了几种不同的多级时效处理,采用显微硬度仪、拉伸实验、扫描电镜以及透射电镜等研究了Al-4.74Zn-2.13Mg-1.20Cu合金在峰时效下多级时效过程中的力学性能变化以及合金内部析出相的转变。结果表明,120℃×24 h为合金的峰时效工艺参数;双级时效可明显改善合金的电导率,但使合金强度、硬度降低;三级时效既可使合金达到峰时效下的力学性能,又可以提高合金的电导率,三级时效(120℃×24 h+180℃×1 h+120℃×24 h)下合金的综合性能最好。双级时效使合金内部晶粒粗大,随三级时效时间的减少,合金内部析出相尺寸也减小。

淬火温度对C61齿轮钢显微组织和力学性能的影响

研究了不同淬火温度对齿轮钢C61显微组织和力学性能的影响。结果表明:淬火温度为950℃时,试验钢C61的力学性能达到最佳,其抗拉强度、屈服强度、伸长率以及断面收缩率分别为1162 MPa、1154 MPa、12.1%和50.82%。随着淬火温度的升高,试验钢的强度、硬度逐渐下降,伸长率、断面收缩率先升高后下降;钢中的碳化物也随着淬火温度的升高逐渐溶解,并于950℃时几乎全部溶解;当淬火温度较低时,显微组织中马氏体板条较小,随着温度的升高,马氏体板条尺寸增大、粗化导致C61钢强度、硬度降低;另外,试验钢的断裂行为由韧性断裂逐渐转变为准解理断裂。

奥氏体化温度对轧态C61钢显微组织和力学性能的影响

采用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪及拉伸试验等研究了不同奥氏体化温度对轧态C61钢的显微组织和力学性能的影响。结果表明:奥氏体化温度为950℃的热处理工艺能使轧态C61钢获得良好力学性能,其抗拉强度、屈服强度、伸长率以及断面收缩率分别为1376 MPa、997 MPa、13.8%、62.5%。随奥氏体化温度升高,试验钢的断裂机制从韧性断裂转变为韧性+准解理断裂,奥氏体化温度为950℃时,断口组织均匀且韧性最好。当奥氏体化温度较低时,显微组织中马氏体板条较细小,随着温度的升高,马氏体板条束宽度增大,导致轧态C61钢强度、硬度降低。奥氏体化温度对钢中残留奥氏体含量有所影响,在1000℃时残留奥氏体最多、硬度最低。

高Co-Ni二次硬化钢的设计准则与时效工艺分析

通过对已有高Co-Ni二次硬化钢实验结果的分析,提出了基于纳米级奥氏体层的相变诱导塑性(TRIP)效应和纳米级M_2C碳化物析出的强韧化机理,并根据Aer Met100钢大量已有的实验数据,建立了综合考虑奥氏体相变摩尔体积增量、奥氏体层稳定性、奥氏体层厚度、奥氏体平衡含量、M_2C尺寸、M_2C平衡含量、成本控制等多个因素的设计准则。通过控制时效工艺,将高Co-Ni二次硬化钢中的M_2C相尺寸控制在1~5 nm,奥氏体层厚度控制在10~20 nm。M_2C和奥氏体的平衡含量被分别控制在19.5%和3.8%。根据设计准则分析了新型高Co-Ni二次硬化钢M54的时效工艺制度,模拟设计结果与显微组织实验观察结果基本吻合。设计得到的新型高Co-Ni二次硬化钢具有较好的强度(2021 MPa)和韧性(115 MPa·m1/2)。

亚规则溶体模型在金属基复合材料界面反应中的应用（英文）

金属基复合材料的界面反应是影响复合材料综合性能的重要因素之一。通过使用亚正规溶体模型来分析固液体界面反应的热力学研究。这一计算模型是用来揭示基体合金中加入的新合金元素对金属基复合材料界面反应的影响。结合实际研究中碳纤维增强铝镁合金复合材料,向基体合金中增加镁元素分析对Cf/Al-Mg复合材料界面反应的影响,并得出结论:合金中随着镁元素增加,可抑制碳纤维增强复合材料界面处脆性相Al4C3的生成。

Al-Mg合金在2D-石墨纤维织物上的润湿性及铺展动力学分析

采用固位液滴法分析了不同Mg含量(3.2%,4.5%,6.5%,8.5%,10%,13%,17%,质量分数,下同)的Al-Mg合金在M40石墨纤维织物上的润湿行为。详细讨论了镁含量对合金润湿性和铺展行为的影响。在Al-Mg/石墨织物体系中,初始接触角由3.2%Mg的115°降低到17%Mg的88.5°。最终接触角由3.2%Mg的96.7°下降到17%Mg的71°。由于M40多孔石墨织物的表面微观结构与碳板具有明显的区别,在M40多孔石墨织物上测得的初始接触角均低于在致密碳板上测得的结果。由于Al-Mg合金表面张力的降低,初始接触角和最终接触角随着Mg含量的增加而减小。根据Dezellus方程,对实验结果进行数据拟合,得到了铺展行为的动力学常数k值。同时,采用Miedema模型计算了理论k值。实验和理论结果均显示,随Mg含量的增加k值无显著变化。此外,k的理论计算值与实验结果基本吻合,证明了Miedema模型对Al-Mg/石墨织物体系中动力学常数计算的适用性。

低应变预变形对变温马氏体相变行为的影响规律及作用机制

以321型不锈钢为实验材料,利用伪原位观察技术研究了300~4 K连续冷却过程中低应变预变形对变温马氏体相变行为的影响规律及作用机制。结果表明,在连续冷却过程中,低应变预变形提高了马氏体相变开始温度和最终的马氏体转变量,同时也加速了整个连续冷却过程中的马氏体相变。通过伪原位观察揭示了预变形引入的滑移带能有效地提供温度诱发ε-马氏体相变的形核质点,促进ε-马氏体转变,进而提高连续冷却过程中α’-马氏体相变的形核质点数量,促进α’-马氏体相变,完善了预变形引入的位错缺陷直接提供α’-马氏体相变的形核质点,促进α’-马氏体相变这一理论。此外,通过对滑移带缺陷的形核行为和形核优先性分析,揭示形变引入的滑移带与温度诱发的缺陷奥氏体具有相同的形核行为,但预变形引入的滑移带具有更高的形核优先性。同时对预变形试样中α’-马氏体的晶体学特征分析发现,滑移带能有效地改变α’-马氏体的变体选择,进而改变α’-马氏体的相变织构。

Fe-C-Ni体系膨胀应变能对马氏体转变的影响

为探究马氏体转变膨胀应变能对马氏体转变起始温度(M_(s))的影响以及实现对M_(s)的准确预测,采用热膨胀相变仪测定了Fe-C-Ni合金的膨胀曲线,通过三切线法得到M_(s)与奥氏体转变起始温度。采用OM观察和XRD技术分析了成分对马氏体转变后组织和晶格参数的影响规律。通过考虑C成分与Ni成分交互作用,修正了马氏体转变膨胀应变能模型。以马氏体转变化学驱动力(同成分bcc相与fcc相的Gibbs自由能差)与非化学驱动力(奥氏体的剪切应变能、奥氏体的膨胀应变能、马氏体的缺陷储能和奥氏体与马氏体的界面能)之和为0作为判据,计算了Fe-C-Ni体系的M_(s)。结果表明,C含量与Ni含量的增加会促进转变后bcc相的晶格膨胀,Ni含量的增加会使形成的马氏体的板条变细小。在C含量(原子分数)小于1.0%,Ni含量(原子分数)小于20%的Fe-C-Ni合金中,计算得到膨胀应变能在非化学驱动力中的平均占比为41.3%。使用修正后的模型计算Fe-CNi体系的M_(s),预测误差为4.1%。

淬火温度对渗碳齿轮钢C64显微组织及力学性能的影响

通过硬度、拉伸、冲击测试,以及光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)等分析手段研究了C64钢在不同温度淬火过程中的显微组织和力学性能的变化。结果表明:当淬火温度低于950℃时,C64试验钢的显微组织中板条马氏体较为细小;当温度高于950℃时,板条马氏体急剧长大。随着淬火温度的升高,碳化物开始逐渐溶解,950℃时几乎全部溶解。钢的强度、硬度随着淬火温度的升高呈现下降的趋势;钢的伸长率、断面收缩率、冲击吸收能量随着淬火温度的升高表现出先升高后下降的趋势,并在950℃时达到最大值。试验钢最佳淬火温度为950℃,能够获得组织均匀、细小的板条状马氏体组织。此时,试验钢的抗拉强度为1122 MPa,屈服强度为1106 MPa,伸长率为11.40%,断面收缩率为25.20%,冲击吸收能量为191.0 J,能达到强韧化的最佳匹配。

综述:钢中亚稳奥氏体组织与疲劳性能关系

随着金属材料常规力学性能研究的不断深化与完善,疲劳、蠕变等长时间服役性能越来越成为制约金属材料发展的瓶颈问题。钢铁材料是最重要的工程结构材料之一,为阐明其疲劳失效机理,关于钢铁材料显微组织与疲劳性能关系的研究更是领域内长久以来的热点和难点问题。随着钢铁冶炼技术的日新月异,对于疲劳性能的组织影响因素研究也逐步从夹杂物向亚稳奥氏体、析出物等特征组织因素转变。因此,为进一步分析疲劳性能的组织影响因素研究的可行方向,本文着重综述了先进钢铁材料中亚稳奥氏体组织对疲劳性能的影响规律,总结了相关学者针对低周疲劳、高周疲劳等不同服役条件提出的亚稳奥氏体对疲劳性能的影响机制,并进一步以已有实验结果为数据支撑,通过支持向量机、BP神经网络等机器学习算法对亚稳奥氏体组织特征与疲劳性能关系进行了定量化评估,初步形成了亚稳奥氏体含量/稳定性与疲劳寿命的定量关系,为钢铁材料疲劳性能的机理研究提供基础与方向性指导。

基于深度学习的带钢表面缺陷检测在小样本数据集的应用

随着人工智能技术的发展,深度学习已经逐步应用于带钢表面缺陷检测,但是模型训练所需的海量样本及其标注极大地增加了工作量,限制了其广泛应用。将SSD深度学习网络应用至带钢常见缺陷的识别,经过系统的参数优化过程,最终仅在包含1 022个训练样本的小数据集下成功建立了高精度缺陷检测模型,并取得了87.8%的缺陷识别精度。同时,该模型对通卷带钢采集图像检测耗时不足20 s,具有较高的检测效率,为其后续工业推广应用奠定了基础。

轧制及回火工艺对吉帕级超高强钢板组织性能的影响

通过微合金化化学成分设计,结合控轧控冷技术,以相变强化作为主要强化机制,研发出一种强度达吉帕级的非调质钢板。研究发现,随着终轧温度的提高,钢板马氏体组织中的变形带逐渐消失,其强度及塑性降低。终轧温度为860℃及采用中温回火,钢板拉伸强度达1136MPa,伸长率为13.8%,同时屈强比达0.93。钢板冲击韧性随终轧温度的升高呈现先降低后升高的变化趋势,终轧温度为890℃时,钢板韧性达到最佳,且韧脆性转变温度小于-40℃。

磁场与晶粒尺寸协同作用对马氏体形核及变体选择的影响

以SUS321不锈钢为实验材料,探究了300~4 K连续冷却过程中,磁场作用下晶粒尺寸对变温马氏体相变行为的影响规律及作用机制。结果表明,相同的晶粒尺寸下,马氏体开始转变温度、最终转变量均随磁场强度的增加而增加。在相同的强磁场强度下,随着晶粒尺寸的增加,存在最为明显的促进马氏体生成的临界晶粒尺寸,加速整个连续冷却过程中的马氏体相变。组织观察表明:磁场作用能有效促进温度诱发ε-马氏体相变的形核质点的形成,进而提高连续冷却过程中α’-马氏体相变的形核质点数量,促进α’-马氏体相变。从相变机理方面进一步完善了前人提出的磁场加速马氏体相变的表象研究结果。此外,通过对组织形貌和晶体学特征分析,揭示磁场作用虽然促进温度诱发ε-马氏体相变的形核质点的形成,但是对γ→ε-马氏体变体选择影响不敏感,而晶粒尺寸对其敏感性较高。在磁场作用下,随着晶粒尺寸增大,ε变体的各向异性逐渐转变为各向同性,各项同性的ε-马氏体的形核质点长大过程中加速硬碰撞,使得晶粒尺寸较大时,马氏体相变受到抑制。ε变体进一步相变时,ε→α’-马氏体变体选择对晶粒尺寸和磁场敏感性均不高。

稀土La和Ce偏析对α-Fe锌致液态金属脆影响的第一性原理研究

基于第一性原理计算研究了稀土元素La和Ce偏析对Zn引入α-FeΣ5(310)[100]晶界稳定的影响及其作用机制。研究发现2种稀土元素均能稳定地偏析到晶界处,且La偏聚晶界比Ce偏聚晶界更稳定,态密度的分析发现偏聚在晶界处的稀土原子与周围的Fe原子成键进而维持稳定性;固溶形成能的计算结果发现稀土偏聚及晶界上的空位形成均提高了Zn在晶界处的固溶形成能,增加了Zn的固溶难度。结合Zn的固溶形成能及固溶后晶界能的计算结果可以发现晶界处偏聚的稀土元素通过抑制Zn向晶界内部渗入来提高晶界稳定性,且Ce-Zn间强烈的成键作用使得Zn渗入后Ce固溶晶界比La固溶晶界更稳定。