GH4169惯性摩擦焊界面摩擦及瞬态热过程数值模拟研究

针对GH4169高温合金惯性摩擦焊过程,基于有限元方法研究了界面摩擦机制的转变、摩擦产热和温度场等热过程参量的分布特征及瞬态演化规律。利用试验数据对有限元模型的准确性进行了对比验证。结果表明,焊接初始整个界面均为库仑摩擦区,从0.54 s开始库仑摩擦区逐渐缩小并在9.60 s完全消失,剪切摩擦区从0.31R0(R0为工件半径)处开始形成并逐渐扩展至整个界面。根据模拟结果,提出了描述库仑摩擦区演化过程的解析公式。分析了摩擦机制转变引起的界面热流密度、摩擦应力和温度的耦合关系及变化规律。研究表明,界面上库仑摩擦机制向剪切摩擦机制的转变有利于焊接界面附近温度场的均匀化。

惯性摩擦焊高温区温度特征仿真与实验研究

目的定量分析影响惯性摩擦焊接头质量的关键因素——焊接过程高温区的温度特征。方法选取TC4钛合金为研究对象,综合运用有限元仿真及界面组织观察的研究方法,分析确定惯性摩擦焊过程中高温区的温度特征。针对初始转速分别为1000 r/min及1200 r/min的2种惯性摩擦焊工况开展实验,并建立了热-力耦合有限元仿真模型对惯性摩擦焊过程进行仿真分析。结果仿真得到的温度分布与焊接过程摩擦界面附近的测温结果吻合良好,仿真模型与实验分析结果均表明,与初始转速为1000 r/min相比,初始转速为1200 r/min时的接头的飞边更大,2种焊接工况下仿真得到的轴向缩短量均与实验结果吻合良好,表明了仿真模型对TC4钛合金惯性摩擦焊热-力过程分析的准确性。结论在TC4钛合金圆棒样品惯性摩擦焊过程中,摩擦界面附近存在高温区,高温区内的温度呈现出芯部低、外围高的特点,最高温度约出现在沿半径方向1/2半径处。在初速转速为1000 r/min及1200 r/min的焊接工况下,芯部温度约为720℃与780℃,外围的最高温度分别约为850℃与920℃。接头组织观察结果进一步证实了仿真得到的高温区的温度数值的准确性。

镍基高温合金GH4065A与IN718惯性摩擦焊接研究进展

随着高性能发动机制造材料与连接技术的不断革新,镍基高温合金GH4065A与IN718逐渐受到广泛关注并成功应用。目前,以惯性摩擦焊为主导的高温合金连接技术具有较高的可靠性,是国际公认的发动机制造核心技术之一。本文综述了GH4065A与IN718这2种典型高温合金的惯性摩擦焊技术,结合时效处理方式,对比分析了同质/异质接头的宏观形貌、微观组织、室温/高温力学性能等,重点关注了摩擦热输入对惯性摩擦焊接头各区域在宏微观尺度下的影响规律,总结了同质/异质接头中晶粒尺寸及分布情况,分析了接头各区域所经历的回复与再结晶过程,明确了晶粒长大的诱导机制。基于宏观形貌与微观组织的变化规律,研究了高温合金GH4065A与IN718内部强化相的分布情况,结合室温/高温力学性能变化趋势,阐明了强化相对接头力学性能的影响规律,通过分析拉伸测试后的断口形貌,揭示了接头形成机理与断裂机制,评价了接头连接质量与实际应用可行性,优化了发动机的智能制造过程,进一步推动了GH4065A与IN718镍基高温合金在高端装备制造领域的可靠应用。

GH4065A高温合金惯性摩擦焊接本构模型及热变形行为研究

目的为了更好地描述GH4065A合金在惯性摩擦焊接过程中的塑性流变行为,建立适用于GH4065A高温合金惯性摩擦焊接的材料本构关系,并探究焊接过程中材料的热变形行为。方法采用Gleeble-3800热模拟机对GH4065A高温合金在1000~1150℃温度和0.01~10 s^(−1)应变速率下进行等温热压缩试验,基于实测的流动应力-应变数据,分析不同温度和应变速率下的材料流变特性,对比了GH4065A合金的Johnson-Cook本构模型和Arrhenius双曲正弦本构模型的准确度,并且将建立的Arrhenius本构模型应用到GH4065A的惯性摩擦焊接有限元仿真中。结果GH4065A高温合金在高温下表现出加工硬化与动态软化的复杂相互作用,其流变应力随应变速率的上升而增大,随变形温度的上升而减小。基于Arrhenius模型的有限元模拟结果与IFW试验结果吻合较好,镦粗量的有限元模型的误差为5.6%。结论通过在不同温度和应变速率下对GH4065A高温合金的流变特性进行分析,发现该合金在高温条件下表现出加工硬化和动态软化的双重行为。采用Arrhenius本构模型对GH4065A合金的流变行为进行了描述,并通过有限元仿真验证了该模型的准确性。表明该模型能够有效地预测GH4065A合金在惯性摩擦焊接过程中的热变形行为,为焊接工艺的优化提供了理论支持。

综合实验试题C:扭摆法测量材料的切变模量和内耗

基于葛氏扭摆测量固体材料内耗的实验原理,设计了第9届全国大学生物理实验竞赛综合实验试题C,从命题背景、实验内容和参考答案的角度给出了本届参赛学生的整体表现分析.试题C的实验内容为:通过扭摆法测扭丝的剪切模量及内耗.试题C以简谐振动作为出发点,描述了摆杆在扭丝回复力矩的作用下绕摆杆中心轴做符合简谐振动规律的衰减运动.试题共包含3部分内容:理解实验原理并搭建正扭摆实验装置,以此实验装置为基础搭建出光杠杆测量光路;推导出简谐振动形式下,摆杆的转动惯量与周期的关系并计算出不规则摆杆的转动惯量,利用计算出的摆杆的转动惯量得出扭丝的剪切模量;计算扭丝在特定转动频率下的内耗.

活动支座摩擦效应对墩底地震反应的影响

活动支座被广泛应用于大跨度连续梁桥的活动墩以及斜拉桥、悬索桥的边墩和辅助墩处。本文以布置活动支座的大跨度桥梁桥墩为研究对象,首先探讨了支座摩擦效应对活动墩墩底地震反应的影响,结果表明:对于墩身质量相对较小的活动墩,墩底地震反应随摩擦系数的增加而增加;但对于墩身质量相对较大的活动墩,墩底地震反应随摩擦系数的增加呈现先减小、后增加的变化规律。进一步,本文对墩底地震反应随摩擦系数的变化规律的机理进行了研究,研究发现:地震作用下,当摩擦系数较小时,由于支座摩擦力和墩身地震惯性力持续反向作用,可能导致活动墩墩底反应随摩擦系数的增加而减小。由于影响实际桥梁活动支座摩擦系数的因素多且复杂,按规范给定的摩擦系数计算得到的墩底地震反应可能小于实际的墩底地震反应,导致下部结构的震后修复时间和成本增加或安全性降低。

大容量发电机保护断路器用弧触头系统动力学研究

大容量发电机保护断路器是大型发电机组重要的保护装置,其灭弧室内采用主、弧触头异速的运动装置,弧触头系统采用了新型的五连杆机构,文中分析了该运动装置的弧触头系统的受力特性。针对大容量发电机断路器用弧触头系统高速运动、大动力传动且通过分段连续轨道实现异速的特点,首先采用向量和矩阵相结合的解析法计入惯性力;然后研究各段曲线轨道对滚子作用力的共性关系,建立了计入惯性力的通用矩阵模型;最后采用数值分析的迭代法计入摩擦力,获得了异速弧触头系统的动力学特性。文中介绍的动力学研究模型及分析方法可为大容量发电机断路器系列产品用弧触头系统的受力分析提供理论依据,适用于大容量发电机断路器用弧触头系统的设计及优化。

惯性摩擦焊轮对空心轴疲劳性能分析

通过静强度试验、疲劳强度试验、旋转弯曲疲劳试验以及对其断口微观形貌进行观察等方式,对惯性摩擦焊轮对空心轴疲劳性能进行分析研究。结果表明:在加载134.5 kN·m扭矩的情况下,所检测试件的最大应力为393 MPa,小于规定许用应力;在静强度施加扭矩43.75 kN·m,作动器施加垂直力为87.5 kN,循环加载次数总共为107次情况下,经磁粉探伤检测试件未出现裂纹;试件旋转弯曲中值疲劳极限为387 MPa,观察其疲劳断口微观形貌未发现缺陷,断裂方式为典型的疲劳断裂。

42CrMo/GH4169异种金属惯性摩擦焊工艺

主要采用惯性摩擦焊技术对中碳调质钢42CrMo和镍基高温合金GH4169进行连接成形,借助光学电子显微镜、扫描电镜、能谱分析仪、显微硬度仪及电子拉伸试验机研究不同惯量条件下的焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明,当惯量为168 kg·m^(2)时,42CrMo和GH4169惯性摩擦焊接头飞边成形较好,去除飞边后无明显缺陷;焊缝界面两侧区域均发生动态再结晶,且观察到了5μm厚的不均匀金属间化合物(Ni-Fe-Cr,Ni_(3)Al)和碳化物层(NbC,TiC),这就使得焊缝界面处的显微硬度峰值达691 HV1.0;通过接头拉伸性能试验,168 kg·m^(2)惯量下的试样室温拉伸和高温拉伸(540℃)断裂位置均发生在42CrMo母材侧,断口形貌观察为典型的韧性断裂,室温抗拉强度达1062.5 MPa,高温抗拉强度达687.5 MPa,均与42CrMo母材相当,这说明了界面处形成的金属间化合物和碳化物层促进了接头界面材料的冶金结合,有效的提高了焊接接头的力学性能。

热处理工艺对FGH96合金惯性摩擦焊组织与显微硬度的影响

采用惯性摩擦焊接方法进行了FGH96高温合金焊接,借助光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度仪对焊态和热处理态FGH96惯性摩擦焊接头组织和显微硬度进行了研究.结果表明,焊缝中心区内发生完全动态再结晶,再结晶晶粒细小,晶粒尺寸为4.6μm±0.3μm,且二次γ′相完全溶解,导致硬度低于母材组织.随着远离焊缝,二次γ′相含量逐渐增加,距焊缝1.5 mm后γ′相体积分数基本保持不变,但γ′相形貌由球形逐渐向立方体转变,导致硬度逐渐增加.经热处理后,焊缝区域内二次γ′相的含量与形貌变化规律与焊态相似,但热处理后基材晶粒尺寸从11.4μm±0.3μm增大至13.5μm±1.0μm,是导致热处理后基材硬度较焊态较低的原因;另外热处理后三次γ′相的析出是导致热处理态焊缝硬度高于焊态的原因.

FGH101高温合金惯性摩擦焊接头的显微组织与力学性能

采用惯性摩擦焊工艺实现了FGH101高温合金的连接,研究了FGH101高温合金惯性摩擦焊接头的显微组织及力学性能。结果表明:焊接接头成形良好,几乎无飞边;接头焊核区(WNZ)为细小等轴晶组织且基本没有γ’强化相,热力影响区(TMAZ)中粗细晶共存且形貌不规则;焊接接头显微硬度呈典型“M”型分布,焊核区硬度最高但其中心区域存在硬度下降现象,经过热处理后,显微硬度提升不明显;焊接接头室温抗拉强度约为1600 MPa,可达到母材的98.4%,屈服强度约为1178 MPa,可达到母材的98.6%;750℃高温抗拉强度约为1208 MPa,可达到母材的96%,屈服强度约为1037 MPa,可达到母材的96%。

Ti60/TC17异种钛合金惯性摩擦焊接头组织性能研究

采用惯性摩擦焊技术焊接Ti60/TC17钛合金,并对焊态/热处理态接头进行组织和性能分析;焊接过程中,有粘流态金属滴落,两侧金属材料熔合较好,且接头焊缝处飞边形貌呈现不规则曲线状,缩短量达4.2 mm,轴向错边小于0.3 mm;焊缝界面两侧区域均发生了动态再结晶,焊缝区显微硬度值较高,越远离焊缝位置显微硬度值越低;焊态下,焊缝处组织为针状α板条和等轴晶粒组成,两侧热机影响区有明显的流线形貌;热处理后,焊缝处针状α板条细化,次生α相增多,再结晶晶界明显,两侧热机影响区流线形貌消失;通过接头拉伸性能测试,焊态/热处理态试样室温拉伸断裂位置均发生在TC17侧,断口形貌呈典型解理断裂,焊态下,平均抗拉强度为978.5 MPa,达母材的92.06%,热处理后,平均抗拉强度为1076.5 MPa,提升98 MPa,超过母材抗拉强度,这说明热处理有利于将组织内的残余应力释放,同时易于析出针状α相,进而提高接头力学性能。

用阿特伍德机精确测量重力加速度

阿特伍德机是普通物理力学部分的一个常见模型,涉及刚体定轴转动过程中转动角速度、角加速度等物理量的相关计算。本文利用PASCO转动传感器搭建了一个简单的阿特伍德机装置,在考虑到滑轮转动惯量对实验影响的情况下测出重力加速度为g=9.618±0.051m/s^(2),之后本文进一步考虑转动轴承摩擦力矩的影响,使用改变装置释放条件的方式对摩擦力矩进行修正,测得重力加速度为g=9.791±0.028m/s^(2)。搭建的装置和实验方法具有通用性,可作为大学物理实验的内容提高学生实践动手能力和理实结合能力。

摆动阀脉冲器转动惯量和粘滞摩擦系数测量方法

转动惯量和粘滞摩擦系数可以用于分析和求解电动机的机械运动方程,对于摆动阀转子运动轨迹控制的优化及摆动阀脉冲器本身机械结构参数的优化具有十分重要的意义。基于电机运动平衡方程,提出了一种通过电动机在有限角度空间内做周期性摆动来测量转子转动惯量和粘滞摩擦系数的方法,克服了传统的电动机需要在连续旋转状态下才能测量转动惯量的局限。

LD2铝合金与不锈钢惯性摩擦焊及高低温循环试验

采用惯性摩擦焊实现了LD2铝合金/0Cr18Ni9不锈钢异种金属的高质量连接,通过焊后加工的方式获得接头强度可达铝合金母材的96%.对获得的优质铝/钢接头进行工艺研究,对比分析了高低温循环试验前后接头界面组织、密封性、承压力及硬度等性能.结果表明,采用优化焊接工艺可获得无缺陷铝/钢异种金属焊接接头,界面金属间化合物层厚度约为500~600 nm,且分布均匀、连续;焊接接头发生了元素扩散,界面形成了富硅的FeAl_(x)相;接头断裂形式以韧性断裂为主的混合断裂;密封性和承压能力良好;高低温循环试验后的接头界面显微组织、密封性和承压能力基本无变化;高温循环后,时效强化导致铝合金侧的硬度值较初始和低温状态提升约10%.

小微挠性陀螺电机轴承预紧力控制技术

针对陀螺电机轴承预紧力难以准确控制,预紧力施加不准确会影响电机质量,进而影响陀螺精度和寿命。基于小微挠性陀螺电机的结构特点,进行预紧力受力分析,阐述其与液浮陀螺电机的不同特点。提出适用于该类型陀螺电机的轴承预紧力控制技术,包括基于定扭矩、定推力的预紧力粗调方法,基于摩擦力矩、惯性时间的预紧力精调方法,以及选配和手工研磨相结合的内、外轴套高度差调整方法。工程实践表明,该技术可以保证轴系零件和装配位置的尺寸精度和形位精度;摩擦力矩、惯性时间在满足工艺技术指标的同时还具有较高的一致性;通过该技术生产的陀螺电机故障率不超过4%。技术有效、可靠,能够保证电机具备优良的性能。

超大直径、超大截面惯性摩擦焊研究应用

惯性摩擦焊是一种具有环保、节能、省材、高效的新型焊接技术,具有工艺简单、质量好,劳动条件好,生产率高,耗电量少,易实现机械化和自动化等优点。以电解铝阳极钢爪(Q235)∅170 mm圆钢和120×160×1220 mm方钢为研究对象,结合惯性摩擦焊的优点,根据摩擦焊原理和惯性摩擦焊方案,确定以阳极钢爪为基础的超大直径、超大截面的惯性摩擦焊工业应用工艺参数、工装夹具,通过惯性摩擦焊工艺应用,实现了超大直径、超大截面摩擦焊接,实现了阳极钢爪的生产工艺迭代升级,使阳极钢爪满足“强度高,寿命长,成本低,力学性能、导电性、抗氧化性和耐腐蚀性好”等使用要求。

阻力对下滑时间影响的动力学分析

本文主要讨论了滑动摩擦、风阻对物体沿斜面、圆弧和最速降线等轨道下滑时间的影响,定量分析了下滑时间与阻力相关参数的依赖关系,以及圆弧轨道半径最速优化的相关问题.最速降线是基于物体在无阻力条件下得到的最快下滑轨道,而考虑滑动摩擦力和风阻的数值结果表明,下滑时间与摩擦系数、风阻表达式、始末位置连线的斜率都有关,当风阻大小与速度平方成正比时,圆弧或直线轨道在一定条件下更快.另一方面,以圆盘和球壳为例,定量讨论了滚动和质量分布对下滑时间的影响,滚动下滑总时间与物体沿光滑轨道下滑总时间的比值决定于圆环和球壳的质量密度分布函数和内外半径之比,与半径的绝对大小无关.

GH4169高温合金惯性摩擦焊接头晶粒分布特征

GH416 9镍基高温合金的显微硬度、组织和性能对热加工工艺很敏感 ,工艺控制不当 ,将会产生粗晶、混晶现象 ,影响持久缺口敏感性、冲击韧性等性能。试验发现在GH416 9高温合金惯性摩擦焊管接头中 ,沿轴向焊合区附近具有超细晶%D细晶的晶粒分布特征。根据GH416 9合金动态再结晶的特点 ,结合惯性摩擦焊过程的特有热变形条件 ,本文对上述现象进行了分析 ,研究结果表明 ,GH416 9合金惯性摩擦焊接过程中温度、应变、应变速率是造成焊接区细晶和超细晶组织的根本原因。GH416 9合金惯性摩擦焊接头焊合区中热变形金属的动态再结晶过程进行的相当剧烈而充分 ,其晶粒组织呈细小均匀的等轴晶特征 ,尽管存在着晶粒组织的不均匀性 ,但未发现粗晶和混晶现象。

TC4钛合金惯性摩擦焊接头温度场分析

通过对惯性摩擦焊过程摩擦机理的分析 ,讨论了TC4钛合金惯性摩擦焊工艺参数与焊接过程界面摩擦扭矩及能量转换的关系 ,采用热电偶对TC4钛合金惯性摩擦焊焊接过程接头温度分布进行了测试 ,焊接接头沿径向温度梯度很大 ,中心温度接近80 0℃ ,边缘达 136 0℃。通过显微组织分析验证了测量结果 ,焊缝中心为细小的等轴组织 ,沿径向晶粒长大飞边为针片状组织。