材料概论课程的改革与实践

材料概论是一门专业基础课程,努力提高教学水平,积极推进该课程的教学改革,对于学生后续专业课程的学习、考研、就业有着深远的影响。结合材料概论教学实践,可从优化教学内容、拓展前沿科学进展、双语教学、师生角色互换等方面推进该课程的改革。

螺纹丝锥表面处理研究进展

丝锥是内螺纹加工的一种专用刀具,与车刀、铣刀等传统刀具不同,其加工属于半封闭、多切削刃成形加工方式。丝锥加工通常是机加工中的最后一道工序,丝锥质量的好坏直接影响了内螺纹的加工质量和加工效率。概述了市场上典型丝锥的类型、加工主要失效方式与失效机理,并查明丝锥刃口机加工缺陷及严重的黏结磨损和磨粒磨损是诱导丝锥切削性能与寿命显著降低的主因。因此,对丝锥进行表面处理也是行业的研究热点。在表面处理技术方面,重点分析了丝锥刃口钝化技术对丝锥刃口几何特征形态和加工性能的影响规律;同时也探讨了PVD技术类型及特点;在丝锥涂层方面,重点分析了氮化物涂层、含碳膜涂层和特征润滑膜涂层;在丝锥基体预处理方面,重点介绍了激光微织构图案对涂层结合力及刀具摩擦特性的影响规律;在涂层设计方法,重点介绍了常规氮化物、碳化物涂层和高熵合金氮化涂层的力学、物理和化学性质,以及涂层类型与丝锥切削性能和加工质量之间的关联性。最后,总结了单一表面处理技术在丝锥性能提升方面存在的问题,并提出了丝锥钝化+基体激光微织构+PVD自润滑涂层的复合技术方案。

Al/Cr原子比对AlCrTiSiN多元复合刀具涂层微观结构及切削性能的影响

AlCrTiSiN多元复合涂层能显著改善刀具的表面特性,可大幅提高刀具的切削性能,延长刀具使用寿命。在高速钢样品和铣刀表面通过多弧离子镀制备AlCrTiSiN多元复合涂层,并研究了Al/Cr原子比对AlCrTiSiN多元复合涂层微观结构及切削性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪、划痕仪和球盘摩擦磨损试验对涂层的微观结构和力学性能进行研究,并通过切削试验对涂层刀具的寿命进行测试。研究结果表明:当Al/Cr比为0.4时,AlCrTiSiN涂层物相由fcc-AlCrN,fcc-Al Ti N,hcp-Al N和非晶态Si_3N_4相组成,涂层呈现(200)AlCrN择优取向;随Al/Cr比由0.4降低至0.2时,涂层物相由fcc-AlCrN,fcc-Al Ti N,hcp-Cr2N和非晶态Si_3N_4相组成,(200)AlCrN择优取向消失。随Al/Cr比由0.4降低至0.2时,AlCrTiSiN涂层硬度和结合力增加,摩擦因数和磨损率降低,与另两组相比,AlCrTiSiN-3涂层具有较好的抗摩擦磨损性能,其涂层刀具具有相对较高的切削寿命。

氮气分压对AlCrTiSiN超晶格涂层微观结构及力学性能的影响

超晶格涂层因具有优异的力学性能及抗氧化性能在刀具涂层工业中备受关注。采用多弧离子镀技术在高速钢表面制备了AlCrTiSiN涂层,研究了氮气分压对AlCrTiSiN涂层微观结构及力学性能的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜研究了AlCrTiSiN涂层的微观结构;利用纳米压痕仪、划痕仪和磨损仪研究了AlCrTiSiN涂层的力学性能。结果表明:不同氮气分压的AlCrTiSiN涂层均由(Cr,Al)N相、(Ti,Al)N相和(Cr,Al)2N相以及非晶态的Si相和Si3N4相组成。与氮气分压为4Pa的涂层相比,氮气分压为2或3Pa的涂层具有更高的硬度、抗载荷能力和涂层-基体结合强度,以及更低的摩擦因数及磨损率。此外,45钢和铸铁切削试验表明:AlCrTiSiN涂层刀具较AlCrN涂层刀具有更好的切削性能,无涂层刀具具有最差的切削性能。

Fe-Mn-Al-Si系TRIP/TWIP钢激光焊接接头的微观组织研究

采用光纤激光器对两种锰含量分别为20wt.%和29wt.%的Fe-Mn-Al-Si系TRIP/TWIP钢进行激光焊接。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、电子背散射衍射仪(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)对接头的显微组织进行研究。结果表明:靠近熔合线的焊缝组织以柱状晶为主,而焊缝心部为细小的等轴晶且出现大量AlN纳米颗粒;焊缝组织的孪晶界比例比母材的大幅度降低,但仍然达到了15.8%;熔合线宽1μm,富Fe、Mn而贫Al、Si;焊缝在凝固过程中,先形成γ-奥氏体,当遇到应力集中时发生局部ε-马氏体的相变来缓解应力,避免裂纹形成。

牙轮失效分析研究

研究在使用过程中钻井牙轮提前断裂的原因.牙轮的材料为20Ni4Mo,热处理工艺为气体渗碳再进行780℃淬火+低温回火.利用化学分析、金相检验、硬度计及扫描电镜等方法对20Ni4Mo渗碳钢制矿用牙轮的断裂原因进行了分析.结果表明:牙轮断裂的主要原因为渗碳及热处理工艺不当,另一原因是牙轮基体存在硫化物等非金属夹杂物.为了检验牙轮的淬火工艺,将20Ni4Mo钢原材料分别在780和850℃进行淬火实验,结果证明780℃淬火工艺不合理.

20钢渗氮表面500℃盐浴渗铬层微观组织结构研究

20钢经离子渗氮后在500℃下进行盐浴渗铬,采用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜及高分辨透射电镜研究渗铬层的组织结构,并选取1 h,5 h和12 h不同渗铬保温时间的样品来探讨渗铬时间对渗铬层的组织结构的影响.结果表明,在500℃下盐浴渗铬能获得铬的化合物层,其表面相主要为CrN,β-(Cr,Fe)2(N,C)1-x相,且随着渗铬时间的延长β相增多且出现Cr7C3相.在500℃下粒径复合盐浴渗铬12 h得到的化合物层晶粒细小并存在纳米晶.化合物层中CrN晶粒较完美可长大至几百个纳米,而Cr7C3相晶粒内出现许多孪晶或层错.

TWIP钢的孪晶及其对Hall-Petch关系的影响

采用背散射电子衍射、透射电子显微镜和拉伸实验等研究了退火温度对冷轧态Fe-25Mn-3Al-3Si TWIP钢微观组织及力学性能的影响,并分析了Hall-Petch关系.结果表明,完全再结晶组织由等轴晶和退火孪晶组成,再结晶晶粒平均尺寸随退火温度的升高单调增大,∑3晶界面积分数随退火温度升高而呈现波动增加,850℃退火1h后∑3晶界面积分数达到44%.拉伸过程中强度与晶粒大小都服从Hall-Petch关系,但孪晶界影响Hall-Petch关系斜率K(ε)的大小.TWIP钢K(ε)-ε关系不同于一般钢材常温下的K(ε)随ε增加单调上升,TWIP钢K(ε)随着ε的增加逐渐增大,然后出现平台,最后下降.

T92钢管在650℃下蠕变断裂后的显微组织研究

采用透射电子显微镜和能谱仪分析了T92钢在650℃下分别经过140 MPa(断裂时间344.6 h)、120 MPa(断裂时间1 283 h)和100 MPa(断裂时间4 383 h)蠕变断裂后的微观组织变化.研究结果表明:随着蠕变断裂时间的延长,碳化物析出数量增多、尺寸变大;蠕变过程中,在基体中有缺陷的地方常有金属间化合物Laves相析出,且它的长大速率超过碳化物和碳氮化合物,经4 383 h的蠕变断裂后,其颗粒尺寸可长大到900 nm;钢样品中的微结构发生了明显变化,大量的马氏体板条发生了变形、分解和回复,但仍有一部分马氏体板条保留了原来的形貌.

混凝土输送管失效分析及改进工艺研究

采用显微硬度计和显微镜对磨损失效的混凝土输送管进行力学性能测试及显微组织表征。结果表明:输送管连接处相对于其他位置更易受到强烈的磨粒磨损而失效。对输送管连接处进行电火花沉积WC及堆焊Co表面强化处理后,输送管连接处的表层组织细小、均匀,其耐磨性能得到较大提高。

磷酸铝铬封孔处理对热喷涂WC-12Co涂层耐蚀性的影响

以磷酸铝铬溶液和Cr_2O_3粉末为原料制备了一种封孔剂,并对WC-12Co热喷涂涂层进行封孔处理。利用XRD、SEM、EDS以及TG-DSC分别对磷酸铝铬的物相、封孔前后涂层表面形貌、固化特性和耐热性能进行检测分析。利用动电位极化电化学测试和热震试验分别对封孔前后涂层的抗腐蚀性和固化后的磷酸铝铬层的抗热震性能进行研究。结果表明:磷酸铝铬的固化温度在250℃左右,在700℃内体系无任何热效应发生,材料具有良好的耐热性能。固化后涂层表面致密,磷酸铝铬对涂层孔隙具有良好的填充作用,明显降低了涂层的孔隙率。封孔后的涂层具有较高的自腐蚀电位和较小的腐蚀电流密度,涂层耐蚀性显著提高。在450℃下进行热震试验,当热震次数一定时(热循环100次),添加填料的磷酸铝铬层的剥落面积低于未添加填料的磷酸铝铬层,表现出较高的抗热震性能。

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°。

汽车车架用高强度钢板最小弯曲半径及冲压回弹规律研究

为解决QP-700新型高强度钢板在车架冲压成型过程中极易产生回弹而影响成型精度的问题,对比研究了在冲压成型过程中不同厚度的高强度钢板回弹和失效的情况。研究结果表明,QP-700新型高强度钢板回弹量随板材的厚度增加而减小,随弯曲半径的增加而增大。推导出QP-700高强度钢板最小弯曲半径的经验公式r_(min)=1.7t+4.6,该钢板最小相对弯曲半径为2.2。综上所述,通过冲裁试验可为高强度钢板的冲压成型提供理论指导。

机械磨擦制备的Fe-20Mn-3Al-3Si钢表面相变强化层

采用表面机械磨擦处理(SMGT)在Fe-20Mn-3Al-3Si钢的表面制备梯度相变强化层,并研究了该强化层的微观组织和硬度.结果表明,在SMGT过程中,Fe-20Mn-3Al-3Si钢的表层非常容易发生γ→ε→α马氏体相变.SMGT相变受晶粒取向和外力的共同影响:在小载荷SMGT下,晶粒的{111}或者{110}晶面越靠近试样的表面越容易形成片条状组织;在大载荷SMGT下,表层晶粒严重细化,次表层中片条组织最多,然后片条组织数量逐渐减少.室温车削形成的强化层厚度大于400μm,硬度在表面最高(450 HV),然后随深度增加而逐渐下降至基体硬度(约220 HV).另外,SMGT强化层的热稳定性高,经400℃,1 h退火后其微观组织和硬度基本不变.

Cr12MoV模具钢冲头失效原因及改进措施

疲劳断裂和崩刃是Cr12MoV模具钢冲头在服役过程中的主要失效方式,为此,对失效冲头的硬度、显微组织和失效形貌进行了测试和观察。研究发现马氏体基体中析出的粗大的或者连续分布的碳化物导致了应力集中,进而导致冲头的疲劳性能和断裂韧性下降。对冲头进行调质处理,碳化物明显细化,且弥散分布,提升了冲头的使用寿命,此时冲头的失效方式主要为磨粒磨损。为了进一步提升冲头的寿命,在调质处理后的冲头表面采用真空阴极弧离子镀的方法沉积了AlCrTiSiN涂层。与调质处理的冲头相比,沉积AlCrTiSiN涂层冲头的寿命延长了50%左右,这主要是因为AlCrTiSiN涂层具有高的硬度和低的摩擦因数。

切削过程中高强合金钢浅表层性态强化研究

切削浅表层显微结构状态对机械构件力学性能和服役寿命有重要影响。为获得性能优良的切削表层,综合应用理论计算和测试分析的研究手段,对不同切削速度下高强合金钢浅表层微观结构演变和力学性能强化的内在关联展开研究。结果表明:中高切削速度能够相对最大程度实现高强钢切削表层梯度微观结构的形成,由表及里分别为致密纳米等轴晶所在的回复层,高密度亚结构聚集的流变层和晶粒残留畸变状态的畸变层。中高切速下平均晶粒尺寸相对最小(392.1nm),同时位错密度相对最高(1.0725×10^(12)cm^(-2)),变形应变、位错和小角度晶界等亚结构均高度集中于流变层。经性能测试发现,中高切速实现了高强合金钢切削浅表层硬度、表面质量和韧性的同时提升,这是上述中高切速带来的微观结构变化所形成的细晶强化和位错强化综合作用的结果。