基于热处理工艺的拖拉机发动机铝合金组织性能研究

采用不同时长的热处理工艺,对拖拉机发动机铝合金组织性能进行了对比分析。结果表明:热处理后,铝合金性能得到了较大程度的提高,若优先考虑材料性能,则应该采用180℃×4 h的单级热处理时效;若优先考虑工艺效率和成本,则可以采用150℃×1 h+170℃×1 h的双级热处理时效。

可降解锌基合金在骨缺损修复重建中的应用及研究热点和不足

背景:锌基合金医用植入材料有优异的力学性能、完全可降解性、良好的生物相容性,主要用于骨科植入物、心血管支架、胆管支架、气管支架、神经导管等。目的:综述可降解锌基合金应用于骨缺损修复的研究进展,展望锌基材料可期研究方向与成果。方法:检索PubMed、Web of Science、万方及中国知网数据库,选择各数据库建库至2023年6月收录的各类可降解锌基合金用于骨植入材料研究的相关文献,对生物可降解锌基合金的基本特性进行概述,对锌基合金促进骨组织修复作用进行梳理和归纳总结,讨论当前的研究热点与不足。结果与结论:①锌基合金具备良好的生物相容性,以锌基合金为基体材料,借助支架结构构建技术和涂层优化工艺将有效提高锌基合金的骨传导性,并且使其降解产物具备高效骨诱导性,以调控成骨、破骨细胞的基因表达,促进骨缺损后的修复重建;②然而在锌基合金优化的研究中,涂层工艺相对不足,增材负载技术尚缺乏;③锌基合金拥有良好的机械、生物特性,通过特殊工艺可增加材料的骨传导性、骨诱导性以有效提高其促进骨修复重建能力,并有望进一步实现个性化移植材料的研发。优化涂层与增材负载等技术融合于锌基合金的研究有待进一步探讨。

Ta-W/Hf合金的结构稳定性及力学性质的第一性原理计算

Ta-W/Hf合金具有高熔点、高密度、高延展性等性质,在核电、武器装备等关键零部件中发挥着重要作用,本研究基于密度泛函理论的第一性原理方法,构建不同掺杂含量下的Ta-W/Hf合金模型,计算Ta-W/Hf的晶格常数、结合能、弹性常数、弹性模量、泊松比、维氏硬度、电子态密度等性质参数,分析W、Hf掺杂元素对Ta合金稳定性及力学性能的影响.结果表明:Ta-W合金的晶格常数、弹性常数、体模量、杨氏模量、剪切模量均随着W含量的增加而增加;然而Ta-Hf合金的相关性质参数变化趋势则相反.同时,结合能及电子态密度结果表明Ta-W合金的稳定性与W含量呈正相关;Ta-Hf合金的稳定性随着Hf含量的增加而降低,但Hf的添加对Ta合金的各向异性趋势变化影响显著,且Hf可以明显提高Ta合金的韧性.

形状记忆合金在辅助器具和康复设备中的应用

背景:随着科技的不断进步,新技术和新方法的引入将为形状记忆合金在辅助和康复领域的应用带来更多的可能性和新的突破。目的:通过综述形状记忆合金在辅助器具和康复设备中的应用现状,讨论它们的主要方法、技术和结果,归纳总结并提出建议,希望形状记忆合金能够不断优化,为辅助和康复设备的发展带来更多新的变革。方法:通过计算机检索万方、Pub Med和Web of Science数据库,以“形状记忆合金,应用进展,正畸,矫形,假肢,康复,特性,植入,力学性能,镍钛记忆合金,驱动”为中文检索词,以“Shape memory alloys,Application,Orthodontics,Orthopedic,Prosthetics,Rehabilitation,Properties,Implant,Drive,Progress,Prostheses”为英文检索词,最终纳入91篇文献进行综述。结果与结论:(1)形状记忆合金具有耐腐蚀性、耐磨性、生物相容性、抗疲劳性和抗扭结性等特性,相比其他传统材料(不锈钢、钛合金、钴铬合金等)具有更低的弹性模量且无生物毒性,适合作为假体长期植入体内。由于其具有形状记忆效应和优异的力学性能,遂主要作为驱动元件或作为连接设备和人体的桥梁应用于假肢、矫形器和康复设备中。(2)使用形状记忆合金驱动元件能够减轻设备质量、消除噪声、容易操作、便于携带和更好地辅助关节运动等,比起使用气动、液压和电气驱动方法的设备优势明显。(3)另外形状记忆合金在变形时能够产生恒久、稳定的应力,相比不锈钢、钛合金和铝合金矫形器具有更高的材料回收率且不用频繁更换调整,所以在矫治畸形方面更具实用价值。(4)目前形状记忆合金在矫形器中应用最多,在镫骨假体中的临床应用效果最好。而由于技术及成本等的限制,形状记忆合金在假肢和康复设备中的应用较少,且缺乏对应用效果的大样本研究。(5)虽然形状记忆合金在辅助和康复领域得到了一定的发展,但仍存在许多问题:对形状记忆合金进行精准控制很难;形状记忆合金的冷却速度慢;无法对其变形速度进行控制;缺乏对不同性状形状记忆合金的对比研究和专家共识;形状记忆合金成本高,价格贵。(6)未来应注意开发新型形状记忆合金,增加对比性研究,采用新技术、新方法(如4D打印等)解决目前存在的问题,从而研发出高性能的辅助器具和康复设备。

Cu-Fe合金凝固过程中结构变化研究

采用分子动力学模拟方法研究了Cu_(100-X)Fe_(X)(X=1%、3%、5%)合金在冷却速率为2×10^(10)K/s条件下合金凝固过程.研究表明,Fe含量为1%时,随着合金温度的降低Fe原子始终保持均匀分布的状态,未出现Fe原子聚集现象,晶体结构是以FCC为主的Cu基体,Fe原子以固溶形式存在于基体中.Fe含量为3%时,随着合金温度的降低Fe原子有聚集趋势,但BCC晶体结构占比较小,晶体结构仍是以FCC为主的Cu基体.Fe含量为5%,随着合金温度的降低Fe原子发生明显聚集,最终形成以FCC、HCP晶体类型为主镶嵌Fe原子的Cu基体.研究了Fe团簇的形成过程,结果表明,Fe团簇的形成、长大是一个连续的过程,该过程受形核生长机制控制,不同阶段形成Fe团簇的大小和数量受Fe-Fe原子相互作用力、Fe原子的扩散能力以及Fe团簇与Cu基体间的界面能三个因素共同影响.

铜银纳米合金团簇结构转变的原子模拟

采用基于嵌入原子方法势的分子动力学方法对熔融Cu_(n)Ag_(53-n)(n=0~53)和Cu_(n)Ag_(54-n)(n=0~54)合金团簇的降温凝结过程进行模拟.通过结构相图、自由能、原子化能、形状因子、对分布函数、熵和直观可视化的原子堆积结构等多种计算分析手段,在原子尺度上探究温度、组分和初始构型等对小尺寸Cu-Ag合金团簇在降温凝结中的结构转变以及热力学量的影响.模拟结果表明,在室温下含有少量Cu原子的二元合金团簇可以形成的核壳式二十面体几何结构,同时Cu原子取代Ag原子也有助于合金团簇的稳定.组分的改变和温度的降低使堆积结构由无序变为有序,同时伴随着原子势能、形状因子、熵的振荡下降,低温阶段熵值下降明显.

铜锶二元掺杂硅酸钙涂层改性钛合金的促成骨和抗菌效应

背景:钛合金作为骨科植入物时缺乏生物活性,可导致种植体松动和假体周围感染,因此,研究一种兼顾促成骨和抗感染复合功能的钛合金表面改性方法具有重要意义。目的:研究铜、锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金的理化性质,评估其促成骨和抗菌方面的潜能。方法:采用球磨、造粒方法制备含有氧化铜、氧化锶及硅酸钙的复合粉末,采用大气等离子喷涂技术在钛合金(Ti6Al4V)表面制备铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层,对复合涂层进行表征。将钛合金浸提液、硅酸钙涂层改性钛合金浸提液、铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金浸提液、铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金浸提液分别与MC3T3-E1细胞共培养,检测材料的生物安全性与促成骨性能。将金黄色葡萄球菌(或大肠埃希菌)分别与钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金、铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金、铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金共培养,扫描电镜、平板计数法检测材料的体外抗菌性能。结果与结论:(1)扫描电子显微镜下可见铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层粗糙表面存在大量的纳米结构,该复合涂层成功喷涂在钛合金表面,在体外可缓释Sr^(2+)和Cu^(2+),并且Sr^(2+)的释放浓度大于Cu^(2+);(2)CCK-8和细胞活死染色结果显示,铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金具有一定的细胞毒性,硅酸钙涂层与铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金具有良好的生物相容性;碱性磷酸酶与茜素红染色结果显示,相较于钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金,铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金表现出更优的促成骨性能;(3)扫描电镜观察、细菌涂布和细菌计数法结果表明,相较于钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金,铜掺杂硅酸钙复合涂层与铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金能有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的生长,表现出抗菌潜能;(4)结果表明,铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛片具备良好的生物相容性、促成骨性能与抗菌性能。

合金元素及碳在Fe-Mn-Cr-C合金中的不均匀分布对γ→α′转变的影响

用内转换Mossbauer谱分析了Fe-Mn-Cr-C合金冷变形前后合金元素原子与碳原子的不均匀分布和相组成。发现该合金在固溶处理状态时为两类奥氏体,即无碳奥氏体和含碳奥氏体;经变形诱发出不含碳与合金元素的无碳马氏体(类α-Fe)及含碳与合金元素的合金马氏体。理论计算和试验证实:该合金中奥氏体向马氏体转变是受奥氏体晶胞内共价键中共用电子对的数目(n_A值)大小所控制。合金元素原子与碳原子之间形成结合力较强的C-M_e共价键,这对合金马氏体的形成具有强烈的阻碍作用。

Al-Mg系合金中合金化元素作用及其对力学性能的影响

铝镁合金是轻量化材料应用领域中一种重要的金属材料,属于中高强度铝合金,具有较高的塑性、良好的耐蚀性以及优良的焊接性等优势,目前在航空航天、交通运输和军工制造等领域具有广阔的应用前景。笔者综述了铝镁合金力学性能特点以及用途,介绍了Al-Mg系合金中的强化机制,重点阐述了Al-Mg系合金中主合金化元素Mg及其含量对合金微观组织和力学性能的影响规律及机理,详细论述了Mn、Zr、Ti、Sc、Er、Y等微合金化元素的作用以及对Al-Mg系合金微观组织和力学性能的影响规律。最后,结合Al-Mg系合金当前研究现状,提出了今后值得研究的方向。

TiC对Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)合金非晶形成能力、微观组织及热稳定性的影响

铁基非晶合金存在非晶形成能力低、室温塑性差等问题,极大地限制了其在工程中的应用。基于“近混合焓+有效原子尺寸差”非晶合金成分设计理念设计了Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)全金属组元粉末,采用机械合金化球磨工艺成功制备出非晶态合金粉末,并研究了TiC陶瓷粉末的加入对Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)合金粉末非晶形成能力、微观形貌和热稳定性的影响。结果表明:Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)合金粉末具有较好的非晶形成能力和热稳定性,TiC陶瓷粉末均匀稳定的分布于Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)非晶合金粉末中。添加质量分数15%TiC陶瓷粉末延缓了球磨过程中Fe_(55)Nb_(15)Ti_(15)Ta_(15)合金粉末的合金化和非晶化进程,降低了热稳定性,使得球磨后粉末粒度变小,分布范围变宽。该项工艺可制备出具有较大室温塑性的大块铁基非晶合金原始粉末。

CoCrFeNiW_(x)高熵合金在室温及900℃下的摩擦磨损性能

采用真空电弧熔炼技术制备了CoCrFeNiW_(x)(x=0.25、0.5、0.75及1.0)系列高熵合金,研究了W元素含量对合金晶体结构、显微组织、力学性能以及室温与900℃摩擦学性能的影响.结果表明:合金中W含量较低时形成单相面心立方(FCC)固溶体,W含量较高时会促进金属间化合物μ相的形成,随着W含量提升,合金显微组织由FCC胞状树枝晶(x=0.25)转变为FCC树枝晶及晶间层片状(FCC+μ)共晶组织(x=0.5、0.75),最后转变为FCC基体上分布的粗大树枝状μ相(x=1.0).由于W元素的固溶强化及原位生成金属间化合物μ相的第二相强化作用,使合金的强度和硬度等力学性能显著增加的同时塑性降低.在试验载荷为10 N,滑动速度0.3 m/s的测试条件下,CoCrFeNiW_(x)系列高熵合金与Si_(3)N_(4)陶瓷球配副时的球-盘摩擦试验结果表明:W元素的添加显著改善了合金的室温耐磨性,但对摩擦系数的影响较小;而900℃摩擦时,摩擦表面形成的多元复合氧化物摩擦釉质层具有良好的减摩抗磨作用,特别是W元素氧化产生的WO_(3)显著降低了摩擦系数,从而显著提升了合金的高温摩擦磨损性能.本文中研究的系列高熵合金中,CoCrFeNiW_(0.75)高熵合金室温下的屈服强度为863 MPa,抗压强度达1 250 MPa,900℃仍能保持446 HV的硬度,并在室温及900℃下均具有良好的摩擦磨损性能,具有良好的工程应用前景.

高温合金熔化焊的研究现状及发展趋势

综述了高温合金熔化焊的研究进展.对电弧焊、电子束焊和激光焊等常见高温合金熔化焊工艺技术的优势和应用范围进行了阐述;介绍了常见的焊接裂纹类型,并对凝固裂纹、晶界液化裂纹、应变时效裂纹和失塑裂纹的形成机理及影响因素进行了概括总结;此外,从热输入、材料的成分和微观结构以及焊接残余应力等方面探讨了提高熔化焊焊接性的主要技术方法.由于母材合金成分和组织结构与焊接性能密切相关,在未来的发展中,应加强对新兴高温合金和传统不可焊高温合金等的成分设计,此外,也应关注焊接工艺技术的完善以及焊前和焊后处理方法的改进,协同提高高温合金的焊接性能,促进高温合金熔化焊的广泛应用.

基于内压法的锆合金薄壁管泊松比试验研究

锆合金包壳管在核电应用中存在变形及破裂等问题,严重影响核电运行安全。为了更好地评价锆合金包壳管等薄壁管材受内压时的变形性能,给燃料组件的设计、计算、验证提供参考,设计基于内压法的泊松比测试方法。根据薄壁圆筒受均匀内压时的应力解,推导出基于内压加载的薄壁管泊松比理论公式。按照该理论公式设计合理的内压试验方法,采用该方法对N36锆合金薄壁管开展20~400℃下的泊松比试验,同时通过拉伸法进行相应温度下的对比试验。结果表明,内压试验方法可以有效获得不同温度下锆合金薄壁管的泊松比,且内压试验方法得到的锆合金薄壁管泊松比与拉伸法结果较为一致,相对误差均在2%以内。试验结果同时表明:N36锆合金薄壁管的泊松比随试验温度的增加呈增大趋势。

阴极电流密度对6061铝合金在含Na_(2)WO_(4)电解液中微弧氧化膜结构和耐磨性能的影响

目的 研究恒流模式下阴极电流密度对6061铝合金在含Na2WO4的电解液中制备的微弧氧化膜厚度、形貌、相组成及耐磨性能的影响。方法 固定阳极电流密度为5.0 A/dm^(2),阴极电流密度分别为0、1.25、2.5、3.75、5.0 A/dm2,对6061铝合金进行微弧氧化40 min。用涡流测厚仪测量了氧化膜的厚度,用扫描电镜观察了微弧氧化膜的表面形貌和截面形貌,用能谱分析仪分析了氧化膜的表面成分,用X射线衍射分析仪分析了微弧氧化膜的相组成,用往复式摩擦磨损试验机测试了氧化膜的耐磨性能。结果 随着阴极电流密度的增加,氧化膜内的W含量逐渐减少,氧化膜颜色逐渐变浅,氧化膜厚度逐渐增加。微弧氧化膜的主要组成相为α-Al2O3和γ-Al2O3。当阴极电流密度从0 A/dm2增加到3.75 A/dm2时,氧化膜内孔洞的数量和尺寸逐渐减少,孔洞到氧化膜/基体界面的距离逐渐增加,氧化膜的耐磨性能逐渐提升。当阴极电流密度为3.75 A/dm2时,氧化膜的磨损率最低,仅为1.07×10-4mm3/(N·m)。但阴极电流密度增加到5.0 A/dm2时,氧化膜表层出现孔洞和剥落,耐磨性能下降。结论 阴极电流的加入有助于增加6061铝合金微弧氧化膜的厚度,提高氧化膜的致密性和耐磨性能,但过高的阴极电流会导致氧化膜表层出现孔洞,降低耐磨性能。

Fe对Ni-Mn-Ga合金微丝形状记忆效应的影响

以Ni-Mn-Ga合金微丝为基础分析Fe元素掺杂前后对合金微丝的形状记忆效应的变化。用真空磁控钨极电弧熔炼炉制备Ni-Mn-Ga-Fe合金,并用高真空精密熔体抽拉设备将母合金制备成微丝。采用EDS能谱分析仪、DSC差示扫描量热分析仪、XRD、DMA动态机械分析仪,研究Fe元素掺杂Ni-Mn-Ga合金微丝后的物相、马氏体相变行为、微丝的形状记忆效应。结果表明,Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝显示的是四方结构马氏体相和面心立方结构奥氏体相的混合相,对微丝采用步进式阶梯有序化热处理,有序化热处理能有效降低微丝内部缺陷,释放内应力,细化微丝内部晶粒,收缩晶格体积,马氏体孪晶界面更加平直,孪晶面更易移动,微丝的伸长率提高。在258 K下对制备态Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝进行单程形状记忆的测试,拉伸到350 MPa后卸载到0 MPa,随后将微丝升温到奥氏体态后,应变恢复率为78.75%,而在289K对有序化热处理态Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝进行单程形状记忆测试,应变恢复率达到100%。在126 MPa和240 MPa下分别对有序化热处理态三元Ni-Mn-Ga合金微丝和Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝进行恒应力拉伸,两种微丝双程形状恢复能力均接近100%,但Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝在发生形变时的弹性应变储能略高于Ni-Mn-Ga合金微丝。Fe的加入使得到的合金微丝的力学性能高于传统三元形状记忆合金微丝;制备态下和热处理态的Ni-Mn-Ga-Fe合金微丝的马氏体相变温度较Ni-Mn-Ga合金微丝分别提高6.0 K和11.5 K,热滞分别降低6.7 K和1.5 K。

铝合金塑性成形粗晶现象的研究进展

铝合金经过热塑性变形或者塑性变形+热处理后,可能发生晶粒异常长大而形成粗晶。粗晶会大幅降低构件的力学性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能,因此必须得到有效控制。对铝合金塑性成形粗晶的研究主要集中在2×××、6×××、7×××系热处理可强化型铝合金以及5×××系热处理不可强化型铝合金,研究内容已经覆盖塑性成形工艺、热处理制度、微观组织演变、数值仿真模拟等方面。为了明晰铝合金塑性成形构件粗晶现象的研究现状,为相关研究提供参考,对铝合金塑性成形粗晶现象的研究进展进行了梳理。首先,分析了材料成分、变形温度、变形速度、固溶温度、固溶时间和模具结构对晶粒异常长大的影响;其次,从晶粒取向分布、应变诱导储能和第二相钉扎作用的角度总结了晶粒异常长大的机理;再次,归纳了包括改变坯料初始状态、合理的锻造技术和中间形变热处理等有效抑制粗晶产生的方法;最后对未来的研究方向进行了展望。

高温高应变率下钛合金Ti6Al4V的动态力学行为及本构关系

采用分离式霍普金森压杆实验技术,研究了钛合金Ti6Al4V在温度为25~800℃、应变速率为2 000~7 000 s-1的冲击压缩下的动态力学行为和微观组织演变,分析了其力学响应的温度依赖性和应变率敏感性,构建了可准确表征材料塑性流动行为的修正Johnson-Cook模型。结果表明,Ti6Al4V具有显著的应变硬化、应变率强化、应变率增塑和温度软化效应。随着加载温度和应变率的升高,材料的应变硬化效应减弱。温度敏感性随加载温度的升高而显著降低。应变率敏感性因子与加载温度呈负相关,随真实应变的增大呈下降趋势。高温高应变率下细小等轴α相、拉长型α相和块状α相取代初始等轴α相成为Ti6Al4V微观组织的典型特征。考虑率-温耦合作用和绝热温升影响的修正Johnson-Cook模型能够准确地预测Ti6Al4V的塑性流动应力-应变响应。

Mg-8Gd-(0,3)Sm-0.5Zr合金的动态再结晶生长动力学

利用铸造法制备了Mg-8Gd-(0,3)Sm-0.5Zr合金,并进行了525℃均匀化处理8 h,随后在温度为350~500℃及应变速率为0.002~1 s^(-1)的条件下进行热压缩试验,绘制并分析合金热压缩后的真应力-真应变曲线,构建其动态再结晶生长动力学双参数模型,并分析了合金生长动力学曲线特点及显微组织特征。结果表明:两种合金在热压缩时均发生了动态再结晶,通过双参数模型绘制动态再结晶动力学曲线,发现在高温低应变速率热压缩时,在真应变约0.2时,合金的动态再结晶的体积分数迅速增加至90%以上。对比分析Sm元素添加后的动态再结晶动力学曲线,发现Sm元素促进动态再结晶的进行,尤其在高温低应变速率热压缩时,在变形初期Sm的促进作用更明显。

铸造增压压力对汽车用AlSi9Mg铝合金组织和力学性能的影响

通过改变低压铸造过程中不同增压压力来研究其对AlSi9Mg合金显微组织与力学性能的影响。结果表明,在高增压压力制备的AlSi9Mg合金样品具有更加致密的显微组织及更接近球形的共晶Si颗粒。同时,由于具有更好的填充能力,高增压压力下合金的气孔缺陷大大减少,合金具有更优异的力学性能。在90、150、210 kPa3种不同级别的增压压力下,晶粒尺寸呈逐渐减小的趋势,对应的合金晶粒尺寸和二次枝晶臂间距分别为246、197、149μm,44.9、37.3、31.1μm;3种增压压力对应的密度和孔隙率分别为2.656、2.659、2.674 g/cm^(3),0.96%、0.79%、0.38%;AlSi9Mg合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为238.76、174.68 MPa和3.14%;252.43、177.47 MPa和4.61%;256.10、178.81 MPa和6.85%,分别提高了7.26%、2.36%、118.15%。

过共晶铝硅合金中硅相细化的研究进展

过共晶铝硅合金因其耐磨性能良好而受到关注,但组织中含有粗大的初晶硅和针状的共晶硅,限制了其进一步广泛使用。本文综述了当前过共晶铝硅合金中硅相细化的一些方法,如合金化、变质处理和改进制备工艺等。其中重点介绍了合金化对过共晶铝硅合金中组织的作用;然后对各种变质剂的细化效果进行了对比分析;并讨论了改进制备工艺对硅相尺寸和形貌的影响;最后指出未来的研究方向应集中开发出适用于广泛使用的新型复合变质剂,并通过变质和改进制备工艺相结合,获得性能更加优异的过共晶铝硅合金。