热处理数值模拟技术的研究进展

制造业的发展可提升一个国家的综合竞争力,其中金属材料发挥了重要作用。而热处理作为改善金属材料使用性能的重要基础工序,存在影响因素多、研发周期长的问题。因此,优化工艺,缩短周期,提高效率和质量是十分必要的。传统的热处理工艺,多凭经验而定,具有一定的盲目性、成本高和效率低等缺点。计算机与热处理技术的结合打破了这一瓶颈,使热处理过程“可视化”—可以观测到工艺参数对组织、性能的影响,使工艺优化有据可依,节省了大量能源及时间,缩短了研发周期,提升了生产效率。此外,还可实现对热处理相变机理的研究,深入分析相变对使用性能的影响。目前,在热处理模拟方面,应用较多的模拟方法主要有有限元法、蒙特卡罗法、元胞自动机法和相场法,它们在模拟中各有千秋。有限元法以耦合多场的优势侧重于探索热处理工艺参数的影响,目的是优化热处理工艺,解决工程实际应用问题。后面三种方法主要是针对相变机理的研究,其中蒙特卡罗法和元胞自动机法更多用来模拟相变过程中的形核位置及晶粒长大现象;相场法多模拟相变的介观形貌,探究相变的演变过程机理。本文对这几种模拟方法在热处理方面的应用现状进行了总结介绍,并对比了这几种方法的优缺点,为研究人员选用模拟方法提供参考依据。重点分析了有限元法在热处理数值模拟中的应用,在此基础上对热处理数值模拟的未来发展进行了展望,指出基于有限元算法的跨尺度多场耦合集成计算将是未来发展方向之一。

氧化石墨烯含量对电沉积镍-氧化石墨烯复合镀层结构及性能影响

为改善纯电镀Ni层性能,通过向镀液中添加不同含量的氧化石墨烯(GO),利用电沉积技术在Q235钢表面制备了Ni-GO复合镀层。通过激光共聚焦扫描显微镜(LCSM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜/能谱仪(SEM/EDS)对复合镀层的形貌、物相结构及成分进行了表征,并借助维氏显微硬度计、多功能材料表面性能试验仪及电化学工作站分析了复合镀层的硬度、耐磨性及耐蚀性。结果表明:当镀液中GO含量为200 mg/L时,Ni-GO复合镀层表面平整致密,GO在镀层中分散效果良好。相对于基体和纯Ni镀层,最佳GO含量制备的Ni-GO复合镀层显微硬度为420.1 HV0.1,摩擦系数(0.52)较低,具有良好的抗摩擦磨损性能。Ni-GO复合镀层在3.5%NaCl溶液中具有较小的自腐蚀电流密度(9.339×10^(-6)A/cm^(2)),表现出良好的耐蚀性。

脉冲条件下Ni-纳米TiC复合镀层制备及结构表征

为研究纳米TiC浓度和占空比对复合镀层的表面形貌、沉积速率和显微硬度的影响,用单脉冲复合电镀技术在Q235钢表面电沉积Ni-纳米TiC复合镀层,用扫描电子显微镜、倒置金相显微镜、X射线衍射仪和维氏显微硬度计分析,确定制备复合镀层的最佳工艺条件。结果表明:随着镀液中纳米TiC浓度和占空比的增加,复合镀层沉积速率和显微硬度均呈先上升后下降的趋势,当镀液中纳米TiC的质量浓度为8 g/L、占空比50%时,复合镀层中纳米TiC复合量最佳,此时,沉积速率为40.32×10-6m/h,显微硬度为360.8HV0.1,是基体硬度的2.5倍。最佳工艺条件下制备的复合镀层表面较致密,物相镀层由晶态的Ni和TiC相构成。

脉冲偏压对TiAlCN薄膜结构与力学性能的影响

利用多弧离子镀-磁控溅射复合技术通过改变脉冲偏压在Si片与SS304基体表面制备了TiAlCN薄膜,研究了不同脉冲偏压对薄膜结构和力学性能的影响。薄膜成分、表面形貌、相结构及力学性能分别利用能量弥散X射线谱(EDS)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和纳米压痕仪等设备进行表征。结果表明,随着脉冲负偏压的增加,薄膜中Ti元素的含量先减小后增大,而Al元素有相反的变化趋势。适当增大脉冲偏压,薄膜表面颗粒、凹坑等缺陷得到明显改善。物相分析表明TiAlCN薄膜主要由(Ti,Al)(C,N)相,Ti4N3-x相和Ti3Al相组成。薄膜平均硬度与弹性模量随脉冲负偏压的增加先增大后减小,在负偏压-200 V时达到最大值分别为36.8 GPa和410 GPa。

基于双向脉冲电沉积下的Ni-纳米TiC复合镀层结构及耐磨性能

为探究第二相TiC颗粒对Ni基复合镀层组织结构及耐磨性能的影响,利用双向脉冲电沉积技术在Q235钢表面分别制备了纯Ni镀层、Ni-微米TiC复合镀层及Ni-纳米TiC复合镀层。通过FESEM、XRD、EDS对镀层的表面形貌、物相及成分进行了表征,并对比研究了镀层的表面粗糙度、显微硬度和耐磨性能。结果表明:加入TiC颗粒后,镀层表面由胞状结构转变为菜花状结构,同时基质金属镍的沉积取向行为发生了变化。Ni-纳米TiC复合镀层的平均晶粒尺寸为24.9 nm,约为Ni-微米TiC复合镀层的1/3。与Ni-微米TiC复合镀层相比,Ni-纳米TiC复合镀层具有更小的表面粗糙度(R a=3.500μm)和更高的表面硬度(820.5HV 0.1)。磨损试验结果表明,复合镀层的磨损机制是轻微的磨粒磨损和粘着磨损混合,TiC颗粒延缓了基质镍镀层的磨损速率。其中,Ni-纳米TiC复合镀层的平均磨损速率为5.6 mg/(cm 2·min),约为Ni-微米TiC复合镀层的1/2,表现出对基体更为优异的耐磨性能。

特厚板厚度方向形变传递规律的仿真分析

基于Gleeble热压缩试验、有限元方法对一种HSLA钢特厚板轧制过程中厚度方向变形向心部传递的规律进行了仿真研究。首次从有限元角度定量揭示出特厚板生产中高温、低速、大压下量的轧制规范机理。仿真所用材料本构模型由Gleeble试验数据结合Arrhenius方程所构建,研究了轧制速度、压下量、轧制温度以及板坯厚度对特厚板厚度方向应变分布的影响规律。结果表明,轧制速度小于1 m/s时(平均应变速率小于0.33 s-1),有利于变形向钢板心部传递,削弱截面效应;压下量越大,钢板等效应变越大,且厚度方向最大等效应变出现的位置向心部偏移;轧制温度对等效应变的分布影响不显著,但是高温轧制有利于减小轧机负荷;板坯越厚,变形分布不均匀性越显著。当板坯厚度为500 mm时,截面的最大、最小等效应变差达到0.2。生产中,在设备允许的情况下,建议特厚板的轧制采用高温、低速、大压下量规范。