碳纤维布表面PyC界面相微观结构及均匀性的工艺调控

陶瓷基复合材料力学性能与界面相的微观结构和均匀性有密切关系。本研究在碳纤维布表面沉积PyC界面相,探究沉积温度、丙烯分压、滞留时间和氢气分压等工艺参数对PyC界面相微观结构及均匀性的影响规律。使用多种手段对PyC界面相微观形貌、织构进行表征,并分析了微观结构、均匀性与工艺参数之间的内在关联。结果表明:界面相织构的规整度随沉积温度和丙烯分压的提高而提高,随氢气分压的提高而降低,而受滞留时间影响较小;沉积温度和丙烯分压升高均导致界面相厚度分布更加不均匀,且丙烯分压过高会直接产生炭黑,延长滞留时间有利于提高界面相的均匀性;对于中织构和高织构,随着氢气分压提高,界面相均匀性先降低后增加,而低织构的界面相均匀性受其影响较小。最后,阐明了PyC界面相生长模式,揭示了工艺参数对PyC界面相织构形态及均匀性的影响规律,为PyC界面相的精细调控提供了基础。

不同力学激励形式探索La基非晶合金微观结构非均匀性

非晶合金力学行为与其微观结构非均匀性之间本征关联,是固体力学研究领域至今未能很好解决的重要科学问题之一.单一力学激励形式并不能有效地描述非晶合金微观结构非均匀性,特别是结构与动力学的关联.如何探索非晶合金结构信息,须将诸多因素综合,在不同力学激励下研究非晶合金微观结构非均匀性与变形机理.本研究以La_(62)Cu_(12)Ni_(12)Al_(14)非晶合金为模型体系,利用动态力学分析仪研究非晶合金动态弛豫行为.基于准点缺陷模型,对模型合金体系α弛豫和β弛豫进行了分离.借助于拉伸应变率跳实验,探索非晶合金高温流变行为.确定非晶合金塑性流变过程中弹性、滞弹性以及塑性变形的贡献.本研究从非晶合金动态力学弛豫行为和宏观塑性流变行为出发,尝试揭示微观非均匀性对非晶合金在不同激励形式中缺陷的激活、扩展和融合的物理本质.

混料方式对非均匀硬质合金微观结构及性能的影响

以预烧结高Co细晶球粒(WC-12%Co)以及低Co超粗晶混合粉(WC-8.5%Co)为原料并按质量比3∶7配料制备非均匀硬质合金,采用场发射扫描电镜、金相显微镜、矫顽磁力仪、硬度计、电子万能力学试验机等研究不同混料方式对合金微观结构及性能的影响。结果表明:采用干混及干磨方式混料的合金中形成粗晶WC环绕细晶WC聚集组织的非均匀结构,但同时形成较多Co池,恶化合金性能。采用高强度的湿磨方式进行混料能降低Co池出现的概率,促进Co相及WC晶粒的均匀分布,使合金致密度提高,实现较好的综合力学性能。此外,预烧结细晶球粒中WC晶粒的活性显著降低,可减少球磨活化作用的影响,延缓细晶的长大速度,使湿磨合金保持非均匀结构。

AQ80M镁合金挤压板材微观组织与力学性能不均匀性的研究

通过OM、SEM、XRD、EBSD和拉伸试验,研究AQ80M镁合金挤压板材微观组织及力学性能不均匀性。研究结果表明:AQ80M镁合金挤压板材主要由α-Mg基体和β-Mg17Al12相组成,边部β相分布弥散,再结晶程度比心部的高,心部存在粗大的未再结晶晶粒。经410℃/2 h固溶处理后β相溶入基体,屈服强度下降,断后伸长率上升。从心部到边部多数晶粒的c轴(<0001>轴)从平行于ND方向转变为平行于TD方向,在不同区域沿ND方向拉伸时的变形机制发生变化。沿ED方向拉伸柱面滑移施密特因子(SF)大于0.4的晶粒占比和平均SF比TD和ND方向的高,这是导致AQ80M镁合金挤压板材各向异性的主要原因。边部沿ED方向拉伸基面滑移SF大于0.4的晶粒占比和平均SF比心部的低,柱面滑移SF大于0.4的晶粒占比和平均SF比心部的高,导致边部屈服强度更高。

纳米晶Al-Mg-Si-Cu铝合金的微观结构、力学性能和时效相演变

通过变形前在合金内部引入高密度纳米时效相并随之进行高压扭转变形(HPT),可制备具有纳米晶结构的高强高韧Al-Mg-Si-Cu铝合金。采用X线衍射仪、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和原子探针层析技术分析了峰时效(T6态)与不同圈数(T)高压扭转变形相结合工艺制备的纳米晶6061铝合金的微观结构,并通过硬度与拉伸实验对不同状态合金进行了力学性能测试。结果表明:T6态合金经HPT 5T变形后,硬度由107HV提高至176HV,抗拉强度和屈服强度分别由297 MPa和234 MPa(T6)提升至620 MPa和555 MPa(HPT 5T),并具有12%的均匀伸长率;此时,合金中各微观结构参数(晶粒粒径、微观应变与位错密度)接近峰值;继续变形时,各参数无明显变化;合金中时效相随HPT变形发生“时效相→破碎→球化→细化→回溶→过饱和固溶体→再析出时效相”的动态演变过程。

基于微观结构非均匀性理解非晶态聚苯乙烯的应力松弛行为

研究了非晶态聚苯乙烯材料应力松弛行为与其固有微观结构非均匀性之间的关联,从基本Maxwell黏弹性模型出发,到三参量扩展指数方程,讨论了变形单元特征时间的分布本质及聚合物应力松弛过程中的链段效应.结果表明,非晶态聚苯乙烯应力松弛行为呈现典型非指数特征,单一特征时间的指数衰减形式与有限特征时间的有限谱方法均无法合理描述聚苯乙烯应力松弛行为,这是由于非晶态聚合物微观结构非均匀性所导致的特征时间谱连续分布.此外,本文进一步探究了物理老化导致的应力松弛行为变化,老化导致体系向更稳定能量状态迁移,变形单元难以激活,因而导致应力松弛过程慢化,特征时间延长.

超细硬质合金钴相分布均匀性对PCB铣刀使用性能的影响

将钴质量分数为6%的3种钴相均匀性不同的超细硬质合金棒材制成PCB铣刀,对3种超细硬质合金棒材及PCB铣刀样品进行物理力学性能、显微组织结构和铣刀使用性能的对比,使用ICALIBUR钴相分析软件定量分析硬质合金棒材钴相分布均匀性,研究钴相分布均匀性对PCB铣刀使用性能的影响。结果表明:钴相分布均匀性在物理力学性能上没有体现,只能通过直接的钴相分布检测方法进行检测,钴相分析软件检测显示,钴相质量分数在5%~7%的微区间,样A为50%,样B为66%,样C为80%。制成PCB铣刀后,钴相均匀性较差的样A、样B比钴相均匀性较好的样C寿命低20%以上。钴相分布均匀性差会造成硬质合金棒材制成的铣刀刃局部区域的硬度不均匀,使得铣刀在使用过程中产生磨损不均匀和崩缺现象,导致使用寿命降低。

不同粘结相WC基硬质合金微观结构与性能

以碳质量分数为理论含碳量的WC为硬质相,在1450℃下通过气压烧结制备WC-20Fe,WC-20Ni和WC-20Co硬质合金,通过X射线衍射、扫描电子显微镜、电子探针和力学性能测试研究了不同金属粘结相对烧结硬质合金微观结构和力学性能的影响。结果表明:WC-20Fe合金出现η脱碳相(Fe_(3)W_(3)C),W在粘结相Fe中的溶解度仅有1.915%(质量分数),WC晶粒尺寸最小。WC-20Ni合金渗碳出现石墨相(C),W在粘结相Ni中的溶解度达到10.753%(质量分数),WC晶粒尺寸最大,合金硬度最小。WC-20Co合金为正常两相区组织(WC+γ),具有最高抗弯强度2720 MPa和最大硬度934.41 kg∙mm^(-2)。所有合金断裂模式均为脆性断裂和沿晶断裂,WC-20Co合金断口出现明显的粘结相撕裂。

Al添加对β型TiZrCr合金微观组织及力学性能的影响

通过非自耗电弧熔炼炉制备了TiZr5CrxAl(x=1、2、3和4)合金。采用X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、显微硬度仪和万能材料试验机等研究不同Al含量对TiZr5CrxAl合金相结构、微观组织以及力学性能的影响。结果表明:热轧态TiZr5CrxAl合金的组织均由单一β相组成,并未检测到其他物相;随着Al含量的升高,β相的(110)晶面发生了相分解现象,形成了β′和β″相。在950℃进行轧制变形时,TiZr5CrxAl合金发生了动态再结晶现象,β晶粒逐渐趋于等轴化,同时β晶界处出现了大量细小的等轴组织;当Al含量为2 mass%时,合金的综合力学性能达到最佳,其显微硬度、屈服强度、抗拉强度和拉伸应变分别为309 HV0.2、934 MPa、974 MPa和6.0%。随着Al含量的增加,合金的断口形貌呈现出由韧性断裂到脆性断裂的转变。

均匀化对Al-Zn-Mg-Cu合金第二相与晶粒尺寸的影响

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)表征,研究了均匀化过程中Al-Zn-Mg-Cu合金的微观组织演变。结果表明,铸态合金晶界中存在大量难溶相Al7Cu2Fe及非平衡共晶相Mg(Zn,Cu,Al)2、Al2CuMg相,在经过420℃/8 h的单级均匀化处理后,部分难溶相和非平衡共晶相回溶到基体中,但还存在大量枝晶偏析,继续进行470℃/36 h第二级均匀化后,非平衡共晶组织和枝晶偏析完全消除。合金的平均晶粒尺寸在两个阶段的均匀化中呈现随时间延长而增加的趋势,基体中残留相及共晶组织的面积分数随保温时长增加而减小,第二级均匀化达到36 h时,相面积分数仅为0.34%,表明均匀化已经非常充分。经过均匀化动力学分析,得出在第二级均匀化温度为470℃时,第二相充分回溶所需保温时间约为37 h,与均匀化的实验结果吻合。

均匀化处理对高Zn超高强铝合金微观组织演变的影响

采用金相光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)等,检测分析了高Zn超高强度铝合金铸锭均匀化前后的组织形貌及变化。结果表明,合金铸态中存在严重的枝晶偏析,合金中的相主要是由MgZn_(2)相和T(AlZnMgCu)相组成的可溶金属间化合物,以及由Mn、Fe和Ni三种元素形成的难溶金属间化合物。铸锭均匀化热处理后的结果显示,与7050合金和7055合金等Zn含量较低的铝合金不同,在合金中Zn含量高达9.8%的情况下没有出现T相向S(Al_(2)CuMg)相的转化。分析表明,这一现象与Zn含量及Zn的扩散密切相关,目前知道Zn含量越高,转化过程越困难。

高性能VW73B镁合金微观组织与力学性能研究

随着全球节能减排政策的推进,高性能镁合金因其低密度、高比强度、可持续发展等优势在交通运输领域得到了广泛的应用。本文通过OM,SEM和TEM等手段研究了VW73B镁合金铸态、均匀化态、挤压态以及时效态的微观组织与性能。结果表明:铸态合金由α‑Mg、(Mg,Zn)3RE相、Mg5(RE,Zn)相和LPSO相构成,均匀化处理后,合金中仅存在α‑Mg和LPSO结构相。挤压变形后,晶粒显著细化,分布于晶界处的块状LPSO结构相促进了动态再结晶行为的发生。挤压态合金由未发生动态再结晶的粗晶和细小的动态再结晶晶粒组成,LPSO结构相沿挤压方向呈流线分布。峰时效态合金中存在大量纳米级β'沉淀相和细长针状基面层错,其抗拉强度为416 MPa,屈服强度为344 MPa,断后伸长率为10.0%。VW73B合金优异的力学性能是细晶强化、时效强化、块状LPSO结构相以及层片状LPSO结构相共同作用的结果。

烧结工艺对低粘结相硬质合金性能及微观结构的影响

采用粉末冶金法制备WC-0.5Cr3C2-0.5Co和WC-8.2(W、Ta、Ti)C-1.0Co两种合金粉末,以1 480℃/90 min真空烧结工艺和1480℃/90 min/5MPa低压烧结工艺分别制备出WC-0.5Cr3C2-0.5Co和WC-8.2(W、Ta、Ti)C-1.0Co两种无粘结相硬质合金。利用X射线衍射分析技术研究合金的物相,利用扫描电镜与能谱仪对合金微观组织结构进行观察与分析。结果表明:真空烧结工艺制备的合金晶粒细小、硬度高;低压烧结工艺制备的合金致密度较高、晶粒粗大、硬度降低。此外,Ti原子的存在使WC晶界能各向异性,从而造成W原子在粘结相中的各向异性溶解-析出,导致形成少量的板条状WC晶粒。

钛合金板翅式结构真空钎焊过程温度场均匀性研究

板翅结构具有更高的换热效率与性价比,广泛应用于航空航天、超导、石油化工等领域。同时,高温高压高载荷的恶劣环境要求板翅结构具有更优异的力学性能、更高的安全性与可靠性。因此,针对钛合金板翅结构真空钎焊过程开展温度场均匀性研究,探究加热带分布、升温速率对板翅结构温度场均匀性的影响规律与机理,明晰炉膛内温度场分布规律。结果表明,工件温度场均匀性受工件结构的影响显著,炉膛中心区域温度最高,但板翅结构的峰值温度位于板翅结构两侧。当工件受到热辐射的方向性较差时,其温度均匀性更好,因此间隔分布的加热带温度均匀性更优。而升温速率增大时,工件的温度场均匀性变差。其仿真结果为优化钛合金板翅结构钎焊工艺提供了理论基础。

7075-T6铝合金厚板力学性能与微观组织不均匀性的研究

采用金相显微镜、扫描电镜、织构分析和拉伸测试研究了20 mm厚的7075-T6铝合金厚板不同厚度层的力学性能与微观组织的演变规律。结果表明,板材不同厚度层的力学性能与微观组织存在不均匀性。从板材表层到中心层,晶粒形貌呈现出饼状并且厚度逐渐减小,Copper、S、Brass织构强度逐渐增加,而Cube-ND、Goss织构与随机取向织构的强度减弱,Cube织构的强度先增加后降低。由于不同厚度层织构组分与晶粒形貌对强度的影响存在差异,强度从表层到次中心层呈现上升趋势,中心层略微下降;伸长率主要与晶粒形貌相关,从表层到中心层逐渐下降;断裂方式均为混合型断裂,表层穿晶断裂比例较大,中心层以沿晶断裂为主。

影响铁基纳米晶Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9合金微观结构相及软磁特性的因素

通过三个实验的对比研究得出结论,退火温度Ta、退火加热速度、外加磁场的强度、外加磁场的频率以及纳米晶合金材料的工作温度等外界条件都是影响纳米晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金微观结构相和软磁特性的因素。其中退火温度是决定性的因素。同时表明,工作温度也是决定纳米晶合金软磁性能优劣和稳定的先决条件。

Co替代Ni对汽车电池用La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金电化学性能的影响

采用磁悬浮熔炼炉制备了铸态La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金,研究了Co含量对La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金相结构和电化学性能的影响。结果表明,不同Co含量的La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金主要由LaNi_(5)相、Ce_(5)Co_(19)相、Pr_(5)Co_(19)相和CeNi_(2)相组成,La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金中x值增大(Co含量增加)会促使Ce_(5)Co_(19)相向Pr_(5)Co_(19)相转变,且当x=1.05时储氢合金中LaNi_(5)相含量最小。随着x值增大,储氢合金的放氢平台先减小后增大、最大储氢量先增大后减小、第100次充放电后的容量保持率(S_(100))先增大后减小,当x=0.15时储氢合金的最大放电容量和S_(100)取得最大值,分别为352.39 mA·h/g和81.29%。随着La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金中x值从0.65增加至2.25,储氢合金电极的交流阻抗逐渐增大,交换电流密度逐渐减小,氢扩散系数先增大后减小并在x=1.05时取得最大值,电流密度为300、600、900 mA/g时的高倍率放电性能均逐渐减小。结果表明,交换电流密度是决定La_(0.8)Mg_(0.2)Ni_(3.8-x)Co_(x)储氢合金电极高倍率放电性能的关键因素。

基于微观结构非均匀性的非晶合金力学行为

非晶合金弛豫/晶化、玻璃转变、塑性变形等热力学和动力学行为都与其固有的结构非均匀性密切相关.但是,由于淹没在亚稳的长程无序结构中,探究非晶合金的结构非均匀性十分困难.尤其,非晶合金微观结构非均匀性与其力学性能之间的本征关联是一个亟待解决的重要科学问题.本文基于多尺度时空下的力学激励阐述非晶合金微观结构非均匀性特征与演化规律.从实验、理论和数值模拟方面出发,梳理了非晶合金微观结构非均匀性与弛豫机制和力学行为之间的关联.最后,针对非晶合金微观结构非均匀性与其物理/力学性能研究的方向提出了建议和展望.

(Ni_(45)Mn_(40)Sn_(10)Co_(5))_(100-x)Gd_(x)合金的微观结构、马氏体相变及力学性能

研究了稀土Gd合金化对(Ni_(45)Mn_(40)Sn_(10)Co_(5))_(100-x)Gd_(x)(x=0,0.1,0.2,0.5,2,原子数分数,下同)磁性形状记忆合金的显微结构、马氏体相变及力学性能的影响.结果表明:低Gd掺杂量(x=0.1,0.2)对合金的相组成和显微组织影响甚微;当x(Gd)≥0.5时,合金中有第二相析出;在各成分合金中均观察到一步热弹性马氏体相变,随着Gd掺杂量的增加,单相合金(x=0~0.2)的马氏体相变温度单调上升,双相合金(x=0.5,2)的马氏体相变温度先下降后上升;适当的Gd掺杂量(x=2)能显著提高合金的压缩强度和延展性.

均匀化处理对Fe基中熵合金组织及力学性能影响

采用水冷铜坩埚磁悬浮熔炼-铜模负压吸铸法制备了(Fe_(63.3)Mn_(14)Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8))_(98.5)Y_(1.5)(Y=Cu、Ag)、(Fe_(63.3)Mn_(14)Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8))_(97)Cu_(1.5)Ag_(1.5)中熵合金.通过建立均匀化动力学方程,研究了均匀化温度和时间对力学性能的影响.对(Fe_(63.3)Mn_(14)Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8))_(98.5)Y_(1.5)(Y=Cu、Ag)、(Fe_(63.3)Mn_(14)Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8))_(97)Cu_(1.5)Ag_(1.5)中熵合金分别在873、973、1073、1173、1273 K进行6 h均匀化处理,研究其组织结构和压缩性能的关系.结果表明:通过施加均匀化处理使合金元素均匀分布、偏析显著减少,1173 K均匀化处理后合金具有好的相稳定性,仍为fcc结构.在1173 K时,(Fe_(63.3)Mn_(14)Si_(9.1)Cr_(9.8)C_(3.8))_(97)Cu_(1.5)Ag_(1.5)中熵合金的压缩力学性能最优,其抗压强度及塑性应变分别为3992.4 MPa和35.75%,且实验结果与均匀化扩散动力学方程计算预测相符.