钢-铝混合驾驶室材料-结构轻量化设计

为了得到更为完善的商用车驾驶室轻量化设计,提出了钢-铝混合驾驶室材料-结构一体化轻量化方法。首先基于灵敏度分析、等刚度近似理论与等强度理论建立了性能驱动的材料选择方法,并针对钢制驾驶室初步设计了钢-铝混合材料方案。然后通过折衷规划法的拓扑优化识别了驾驶室关键传力路径,并加强了相关结构。其次考虑驾驶室零件厚度、截面尺寸设计参数,建立了驾驶室质量、刚度及模态性能的径向基函数的代理模型,并采用多目标粒子群优化方法对驾驶室进行多目标优化设计。优化结果表明,在满足驾驶室刚度、模态和碰撞性能的要求下,驾驶室质量减轻了12.8%。该方法对钢-铝混合驾驶室轻量化有实际的工程指导价值。

船用钢/铝爆炸焊过渡接头的疲劳试验

为了测试船用钢/铝爆炸焊过渡接头的疲劳性能,基于有限元方法,以钢/铝过渡接头为研究对象,重点研究过渡接头结合界面的疲劳强度,设计由3种材料组成的爆炸焊过渡接头试样,并结合数值仿真,对过渡接头试样在试验载荷下的受力进行分析,得到应力集中和容易疲劳失效的位置。结合试验研究,开展不同应力等级下过渡接头的疲劳试验,获取试样疲劳断裂数据,结合数值仿真和试验研究得到爆炸复合过渡接头整体应力分布和失效部位。通过疲劳试验发现试样断裂面均出现在铝合金和纯铝的界面处;通过试样疲劳循环次数拟合得到了名义应力的S-N曲线。该研究成果可用于指导船用爆炸复合结构的疲劳寿命预报,为船舶轻量化设计提供参考。

铝/钢电磁脉冲焊接IMCs性能的计算与试验分析

采用第一性原理计算了铝/钢电磁脉冲焊接极窄焊缝Fe-Al金属间化合物(intermetallic compounds,IMCs)的不同晶面的热力学稳定性、表面能和电子功函数值,并结合界面微观形貌的扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等测试方法,分析了焊缝可能存在的IMCs及其对界面腐蚀性能的影响.结果表明,第一性原理计算结果与试验数据基本吻合,计算得到铝/钢IMCs形成能和结合能均为负值,且满足热力学稳定结构,其形成能力强弱顺序为Fe_(2)Al_(5),FeAl,FeAl_(3),Fe_(3)Al和FeAl_(2),稳定性强弱顺序为Fe_(2)Al_(5),Fe_(3)Al,FeAl,FeAl_(3)和FeAl_(2),其中Fe_(2)Al_(5)的形成能为-9.379 eV/atom,结合能为-13.612 eV/atom,是焊缝最稳定的相;电子功函数值对应的耐腐性由弱到强顺序为Al,FeAl_(2),FeAl_(3),Fe_(2)Al_(5),FeAl和Fe_(3)Al;能谱仪(energy dispersive spectroscope,EDS)分析表明,焊缝主要存在Fe_(2)Al_(5),FeAl_(3)和少量FeAl_(2),椭圆环形焊缝还存在FeAl,直形焊缝还有Fe_(3)Al;焊缝FeAl_(3)的电子功函数较小,在盐雾腐蚀介质中充当阳极,易被腐蚀,并随着腐蚀周期增长,焊缝主要相Fe_(2)Al_(5)充当阳极,并由直形焊缝向椭圆环形焊缝快速腐蚀扩展,至整条焊缝失效.

铝脱氧钢中Al_(2)O_(3)夹杂物与Al_(2)O_(3)-C质水口耐材的粘附机理研究

铝脱氧钢连铸过程中的水口堵塞一直是困扰生产的难题,弄清水口堵塞的形成机理对解决该问题非常重要。研究首先在实验室制备了含有单一、量多的Al_(2)O_(3)夹杂物的钢液,然后与Al_(2)O_(3)-C质耐材棒反应不同时间,研究了钢中Al_(2)O_(3)夹杂物与耐材棒的粘附行为,在此基础上探讨了铝脱氧钢连铸过程水口堵塞的形成机理。研究发现,耐材棒与钢液反应一段时间后,在耐材棒表面由内向外逐渐形成两层Al_(2)O_(3),第1层致密平滑,厚度较薄;第2层松散粗糙,厚度较厚。水口堵塞的形成机理为,耐材插入钢液一段时间内,因温度升高,耐材表面区域的SiO_(2)、Al_(2)O_(3)与C反应生成的SiO、Al_(2)O气体向钢液扩散,在耐材表面分别与钢液中的[Al]、耐材中的SiO_(2)反应生成Al_(2)O_(3);耐材棒表面的SiO_(2)也会与钢液中的[Al]反应生成Al_(2)O_(3);三者共同作用形成第1层致密的Al_(2)O_(3)。第1层Al_(2)O_(3)层形成后,钢液中的Al_(2)O_(3)夹杂物易于在其上面附着,形成第2层松散的Al_(2)O_(3)。随着时间的延长,Al_(2)O_(3)层变厚,水口堵塞逐渐形成。第1层Al_(2)O_(3)形成机理以化学反应为主,增长缓慢;第2层以钢中夹杂物粘附为主,增长较快。

铝钢材料激光焊接组织与性能调控机制研究

铝钢材料的激光焊接因其优异的结合性能和广泛的应用前景,受到越来越多的关注。文章系统研究了铝钢材料激光焊接的基础理论和关键技术,深入分析了焊接参数的选择与优化、焊接接头的微观组织与力学性能、焊接缺陷的预防与控制以及焊接接头的耐腐蚀性能,并提出了针对性的调控机制,旨在为铝钢材料的高效激光焊接提供理论依据和技术支持。

铝钢双金属液固复合铸造研究现状

随着资源短缺、环境污染等问题日益凸显,节能减排成为全世界追逐的目标,汽车工业中用轻质铝合金代替传统的钢或铸铁的趋势越来越明显。铝钢双金属兼具铝合金和钢或铸铁的性能优势,是极具潜力的缸体、活塞等发动机零部件材料。双金属复合铸造因具有工艺简单、结构受限小等优点而被广泛关注。铝钢液固双金属复合铸造的主要挑战包括基体表面易氧化、Al对Fe润湿性差和界面处形成硬脆金属间化合物,导致双金属结合性能不理想。近年来,研究人员在提高铝钢液固复合铸造双金属界面结合强度方面开展了大量研究。本文对常用的铝钢液固复合铸造工艺及其质量影响因素进行了概括,并总结了近年来铝钢液固复合铸造双金属界面相组成和演变过程的研究现状,最后对铝钢液固复合铸造在提高界面结合强度方面的研究进展进行了综述。在此基础上,本文对铝钢双金属液固复合铸造未来研究和发展方向进行了总结和展望。

Cu和Ni中间层对铝/钢异种金属搅拌摩擦搭接焊接头界面微观组织及剪切性能的影响

采用搅拌摩擦搭接焊(FSLW)对添加Cu和Ni中间层的6061-T6铝合金和QP1180钢进行焊接,研究接头微观组织及力学性能。结果表明, FSLW可以成功制备出成形性良好的Al-Cu-Fe及Al-Ni-Fe接头, Cu粉和Ni粉均与基体结合良好。Cu粉阻隔了Al-Fe之间的元素扩散,接头金属间化合物(IMCs)种类为Al Cu和Al_(3)Cu_(2),无Al-Fe IMCs生成;Ni粉无法完全阻隔Al-Fe之间的反应, IMCs种类为Al_(3)Ni_(2)和Al Fe_(3)。Al-Ni-Fe接头中产生的IMCs与基体之间的平均错配度低于Al-Cu-Fe接头中IMCs与基之间的平均错配度,表明Al-Ni-Fe接头中产生的IMCs与基体之间的结合强度优于Al-Cu-Fe接头中产生的IMCs与基体之间的结合强度,因此Al-Ni-Fe接头剪切强度(7.86 k N)优于Al-Cu-Fe接头剪切强度(4.62 k N)。

钢/铝双金属固-液复合工艺研究

研究冲击射流固-液复合法制备钢/铝复合材料,预先对钢基体表面预处理,在浇铸过程中改变钢基体的移动速度,使得铝液与钢基体产生不同程度强化换热作用。利用SEM、XRD、EDS及导热仪检测分析钢/铝复合层的组织形貌、成分及导热性,用万能力学试验机测量其剪切强度。实验结果表明,随着钢基体移动速度升高,铝液对钢基体冲击射流换热量减小,复合界面由Fe/Al金属间化合物组成,钢基体表面镀锌层起到了润湿、漫流、保护作用,有效提升了钢/铝之间结合强度。在浇铸温度810℃,钢基体移动速度为12 mm/s时,测得结合强度为19.1 MPa,测得最高热导率为88.23 W/(m·K)。

送丝速度对铝/钢激光熔钎焊接头组织与性能的影响

采用ER2319焊丝进行了6061-T6铝合金/Q235镀锌钢光纤激光熔钎焊接,分析了送丝速度对接头成型、显微组织与力学性能的影响。结果表明:当激光功率为1.2 kW,焊接速度为1.2 m/min时,送丝速度在1.2~3.0 m/min范围内均可获得有效接头。接头的抗拉强度随着送丝速度的增加呈现先上升后减小的趋势,当送丝速度为2.4 m/min时平均抗拉强度达到最大值,为116.15 MPa。当送丝速度为1.8、2.4 m/min时,接头的上下表面的金属间化合物层可控制在10μm以内,而对接界面处的金属间化合物层厚度随着送丝速度的改变变化不明显,对接界面的IMC层主要由FeAl、FeAl_(2)、Fe_(4)Al_(13)相组成。接头的断裂形式为典型的解理断裂模式,而位于润湿铺展在钢表面的铝合金处则为韧性断裂。

铝/钢异种金属焊接接头腐蚀行为及其影响因素综述

铝/钢异种金属焊接接头结合了两种材料优异的性能,在各行各业具有较为广泛的应用.由于铝、钢两种金属之间理化性能的巨大差异以及极小的固溶度,导致铝/钢接头容易出现脆性金属间化合物、气孔等缺陷,严重影响着接头的力学性能.然而,随着铝/钢接头越来越广的应用范围和复杂多样的应用环境,接头的耐腐蚀性能也得到了更多的关注.对近些年铝/钢异种金属焊接接头的耐腐蚀方面研究工作做了系统的汇总,旨在从接头腐蚀机理出发,提升接头的耐腐蚀性.综述了接头腐蚀形式规律,并从焊接工艺、腐蚀环境、微观组织和金属间化合物等影响因素的角度出发,详细地讨论了腐蚀行为与各因素之间的关系及影响机理.同时,指出了接头腐蚀机理,从各影响因素方面提出了改善接头耐腐蚀性能的措施,减小铝/钢接头实际服役过程中腐蚀所带来的影响.

90 t转炉冶炼低碳含铝钢脱氧合金化实践

针对90 t转炉冶炼低碳含铝钢时合金收得率低的问题,分析了影响合金收得率的主要原因,采取优化转炉终点钢水中的氧含量,优化复合脱氧合金配比,调整渣料组成并合理使用挡渣塞后,降低了脱氧铝的消耗,合金收得率提高至87.4%,整体合金成本降低7元/t以上。

高铝钢炼钢过程夹杂物演变规律研究

为探究高铝钢炼钢过程夹杂物的形成与演变机理,在“转炉→LF精炼→RH真空处理→板坯连铸”工艺生产高铝钢的全流程进行系统取样,结合各工序工艺特点和热力学计算,揭示了高铝钢中夹杂物在炼钢过程中的演变行为。研究结果表明:高铝钢中Al_(2)O_(3)夹杂物在转炉炉后即发生转变,其演变路线为:Al_(2)O_(3)→MgO-Al_(2)O_(3)、CaO-Al_(2)O_(3)系夹杂物→CaO-MgO-Al_(2)O_(3)系夹杂物。在高铝钢钢液条件下,高铝钢在冶炼中无需进行钙处理即可将大部分镁铝尖晶石夹杂物改质为CaO-MgO-Al_(2)O_(3)系夹杂物。

含铝强化奥氏体钢在550℃液态铅铋中的腐蚀行为

先进铅冷快堆和加速器驱动次临界系统商业化的关键材料问题是结构材料与铅基冷却剂之间的相容性问题,结构钢材料需要在高温液态铅铋共晶中具有优异的抗腐蚀能力.含铝强化奥氏体钢(alumina-forming austenite steel,AFA钢)因其表面可以形成Al_(2)O_(3)膜而在极端环境中具有良好的耐蚀性能.本文研究了降低Ni元素成分和高温预氧化对AFA钢耐铅铋腐蚀性能的影响,利用扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪、X射线衍射技术,对AFA钢在550℃液态铅铋饱和溶氧条件下腐蚀600 h的氧化层形貌及结构进行表征.结果表明:降低合金中Ni含量和高温预氧化处理都会促进样品表面形成保护性Al_(2)O_(3)氧化膜,进而降低腐蚀层厚度,提升材料耐铅铋腐蚀性能.

稀土处理铝脱氧钢的研究进展

在钢中添加稀土能改善钢材的洁净度并提高钢材性能。综述了近些年稀土处理铝脱氧钢的研究进展。概述了含稀土钢的发展历史与现状,归纳总结了稀土加入钢液后,对钢液洁净度、夹杂物改性、显微组织与力学性能、耐腐蚀性与耐氧化性四个方面的影响。其中重点阐述了稀土处理对钢中夹杂物的影响,包括夹杂物的改性机理、演变规律、尺寸、密度及分布状况等方面。此外,从电渣重熔和渣-钢反应两方面介绍了稀土渣的相关研究。最后对所述内容进行了总结与展望,以期为稀土处理钢的相关研究和应用提供一些参考。

新型前处理工艺在钢铝混合材料上的应用

通过扫描电镜(SEM)、电感耦合等离子体发射光谱仪、循环交变盐雾试验机等设备就后处理技术在钢铝混材表面处理上的应用进行研究。结果表明:车身上的冷轧板、镀锌板经过新型前处理工艺处理后表面形成均匀致密的磷化膜;铝板经过新型前处理工艺处理后,其表面形成钝化膜;随着铝材在钢铝混合材料中占比的提升,磷化渣产生量逐渐降低;当处理材料仅为铁材时,磷化渣量为2.5 g/m^(2),当所处理的材料全部为铝材时,磷化渣量低于0.5g/m^(2);新型前处理工艺处理钢铝混材时,磷化液中离子浓度均保持稳定水平;3种板材的漆膜附着力测试结果均符合标准要求;冷轧板经过1000 h盐雾检测后,单边扩蚀小于2 mm,漆膜未发生起泡和剥离;铝板和镀锌板经过1008h循环交变测试后,单边扩蚀宽度小于2mm,漆膜未发生起泡和剥离。

铝/钢铆接辅助搅拌摩擦焊搭接接头组织与力学性能分析

目的利用搅拌摩擦焊技术对4mm以上厚度的铝/钢板材进行搭接焊接时,容易出现沿厚度方向温度梯度变化大、工艺窗口急剧变窄等问题,难以获得高质量的焊接接头。针对以上问题,采用铆接辅助搅拌摩擦焊的方法,以提高4mm以上厚度铝/钢板材搭接接头的力学性能。方法采用铆接辅助搅拌摩擦焊的方法实现了7mm厚6061铝合金板和8mm厚Q345钢板的搭接;研究了下压量对接头焊核晶粒尺寸、抗剪切力和显微硬度的影响,并分析了接头界面显微组织。结果随着下压量的增大,各接头焊核晶粒尺寸均呈现先减小后增大的趋势,其中矩形槽焊核晶粒尺寸由11.1μm减小至9.6μm后又增大至12.7μm,不开槽焊核晶粒尺寸由11.7μm减小至10.2μm后又增大至12.4μm。金属间化合物(IMC)层厚度随下压量的增大而增大,接头抗剪切力呈先增大后减小的趋势,当下压量为0.3mm时,矩形槽接头和不开槽接头抗剪切力均达到最大值,分别为17600N和15700N,并且在下压量为0.3mm时矩形槽接头和不开槽接头焊核区平均显微硬度均达到最大值,分别为81.1HV和76.8HV。结论在焊接速度为100mm/min、搅拌头转速为600r/min、轴肩下压量为0.3 mm时,利用铆接辅助搅拌摩擦焊可以提高搭接接头的力学性能,能够有效解决以往4mm以上厚度板材搭接接头力学性能较差的难题。

6016铝合金与CR1180T高强钢电阻铆焊技术研究

采用中频逆变铆焊专机对1.5 mm 6016铝合金、2 mm CR1180T高强钢和16Mn铆钉进行铝∕钢异种金属电阻铆焊试验,设计铆钉帽空隙与铆钉柱体积比分别为1.15,1和0.85,通过优化铆钉结构、穿刺阶段及焊接阶段焊接参数,分析焊接参数及铆钉结构对焊点形貌及焊点力学性能的影响。研究表明,铆钉帽空隙与铆钉柱体积相等时,可获得填充效果较好的焊接接头,铆钉帽体积小于铆钉柱时,极易产生焊接飞溅;铆钉帽体积大于铆钉柱时,挤压出的铝合金难以填满铆钉帽。最优的穿刺参数为5830 N-15 kA40 ms,焊接参数为5000 N-16 kA-100 ms,采用最优参数获得的铝∕钢异种金属铆焊接头平均拉剪力为7.401 kN,平均延伸率为8%,其达到母材延伸率的53.7%。

镀钴对铝/钢电磁脉冲焊接头性能的影响

在Q235钢板待焊面的表面电镀一层钴金属薄膜,再采用电磁脉冲焊接(MPW)技术对1060铝板/Q235钢板进行焊接,运用扫描电子显微镜(SEM)观察、能谱分析(EDS)、显微硬度测试及拉伸性能分析等手段对其焊接接头界面形貌、微观组织及力学性能进行了研究,并与Al/无镀层钢接头进行了对比。结果表明,铝/无镀层钢电磁脉冲焊接焊缝由中间未焊接区及两侧连接区组成,具有直缝、小波及大波形界面形貌,波形界面的过渡区宽度约为6μm,过渡区存在FeAl_(3)脆性金属间化合物,拉剪强度为122.22 MPa。镀钴钢/铝焊接界面的材料成形良好,形成明显的大波形连接界面,过渡区宽度约为8μm,镀层钴元素有效阻碍了铁元素向过渡区扩散,避免了铝铁金属间化合物的生成,增大了波形界面,有效提高了接头的力学性能,拉剪强度为137.78 MPa,提高了12.7%。

铝-钢非对称双束电子束焊温度场数值模拟研究

为了研究铝-钢异种金属电子束焊温度分布情况,基于有限元MARC软件建立了6061铝合金/Q345钢异种金属非对称双束电子束搭接焊的数学模型,模拟了不同电子束能量分配率对铝-钢异种合金焊接的作用和焊接接头处的温度场分布。通过计算模拟得到了不同电子束能量分配率的温度场分布云图、试件表面特征点的热循环曲线及电子束能量分配率对熔宽的影响。结果表明,随着电子束能量分配率增大,焊缝横截面模拟得到的熔化宽度减小,双束最高温度之间的差值越来越大,其中能量分配率为6∶4时熔化宽度和双束温度场均匀,为最佳。

新型铝-钢复合材料制备工艺研究

采用爆炸焊接技术直接实现铝合金与钢材的有效连接,从而生产出新型铝-钢复合材料。爆炸焊接后复合材料外观完整,表面无烧灼、褶皱等缺陷,渗透检测结果显示:铝合金与钢材料结合良好,无分层、裂纹等缺陷。对复合材料进行微观组织和力学性能检测,以评估复合材料的结合质量,试验结果显示:铝合金与钢材料界面呈现波状结合,均匀无分层,但是波峰前端有断续的熔化块,个别熔化块内部有裂纹。力学性能检测结果显示:复合材料的平均剪切强度为74MPa,达到标准要求。弯曲试验结果表明:复合材料界面未出现分层和裂纹,结合质量良好。因此,这种新型铝-钢复合材料可以满足工程使用需求。