表面喷丸及退火处理对Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢组织与性能的影响

为实现强韧化,对Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢进行了表面喷丸及退火热处理。采用金相显微镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜等手段分析了喷丸以及喷丸结合退火处理对TWIP钢显微组织结构的影响,并利用显微维氏硬度计和万能材料试验机对原始样品、喷丸以及喷丸结合退火处理样品的硬度分布、力学性能及加工硬化行为进行了研究。分析结果表明,喷丸可在TWIP钢表面引起强烈的塑性变形,并形成包含60~100 nm大小的位错胞块的强烈形变层和包含微纳尺度形变孪晶结构的过渡层。该纳米-微米尺度的晶粒尺寸梯度结构可以将TWIP钢表面强烈形变层的硬度显著提升至366 HV0.1,并在残余压应力联合作用下使试样的屈服强度提升至485 MPa,均远高于初始样品的对应值。但受喷丸引起的表面粗糙和强烈形变层纳米晶塑性低的影响,其断后延伸率仅为41.8%。退火处理后,喷丸样品中的形变组织发生回复与再结晶,其中强烈形变层位置的再结晶晶粒尺寸为1~3μm,硬度也降低至215 HV0.1。所形成的微米-微米尺度晶粒尺寸梯度结构试样的屈服强度降低至261 MPa,但延伸率增加至65.3%。晶粒尺寸梯度结构有助于增加TWIP钢屈服与抗拉强度,但不利于延伸率的提升。

超高强Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si钛合金的强化行为及模型

基于XRD、OM、SEM和TEM分析,研究超高强Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si钛合金的组织演变及强化行为。结果表明,位错强化和析出强化效应对该合金的屈服强度影响较大。冷轧+再结晶+冷轧+双时效组合工艺可获得1518 MPa的最高屈服强度,这主要归因于显微组织中的高密度残存位错及密集而细小的次生α相。建立复合强化模型,其预测误差在16.6%以内。此外,研究发现次生α相体积分数的增加可以不断强化晶内区域,这使得沿晶断裂开始出现并逐渐占据整个断裂面。

Fe-3%Si合金薄带连铸板热处理过程层状异构组织演变的相场模拟研究

本研究基于Fe-3%Si合金铸轧板材组织特征,构建了不同类型柱状晶/等轴晶层状异构组织相场模型,实现了界面曲率为驱动力的情况下层状异构组织的高温粗化过程模拟,量化分析了层状异构特征对铸轧组织演化过程的影响规律。研究表明,由于晶粒长径比对晶粒尖端曲率的影响,当初始状态下柱状晶长径比较高时,在界面曲率的驱动下最终会形成等轴化的多晶组织;反之则等轴化程度减小。明确了不同类型异构组织演化特征,相同退火时间下组织的等轴化程度受其层状异构特征的影响,这一现象的本质是等轴晶通过自身演化引起柱状晶两端曲率变化,诱发柱状晶间的相互“吞噬”并发生等轴化,柱状晶则在部分结构的组织中生长至带钢表面后停止生长,最终保持柱状特征。本研究进一步加深了对铸态薄带中初始凝固组织在后续热处理时演化过程的认识,对硅钢制备工艺优化具有重要的理论指导意义和实际应用价值。

Fe-3%Si大尺寸合金单晶的制备及磁感系数的计算

以取向Fe-3%Si合金热轧板为原材料,采用二次再结晶法制备了尺寸大于200 mm的合金单晶。随机选取3个单晶样品剪切成7个与轧向成不同角度、尺寸为50 mm×50 mm的样品,分别对所选样品进行单晶定向,并对每个样品的横、纵向磁性能进行了测量。以单晶定向结果为依据,计算每个单晶在晶体学坐标架下的极角和辐角,提出了一种单晶磁感系数的计算方法,并基于该方法以单晶磁性能实测值及其在晶体学坐标架下的极角和辐角为输入条件,测算了Fe-3%Si合金单晶磁感应强度系数并验证了其可靠性。采用该方法对{110}晶面平行于板面的任意方向单晶的磁感应强度进行了计算,为开展多晶材料磁性能计算提供了理论依据。

双尺度Fe_(3)Si相调控对Cu-2.5Fe-0.2Si合金组织和性能的影响

通过在铜铁合金中添加微量Si元素,并利用组合形变热处理工艺对亚微米级Fe_(3)Si相和纳米级Fe_(3)Si相的析出行为进行调控。结果表明:处理后的Cu-2.5Fe-0.2Si合金中形成了大量细小的再结晶晶粒,其抗拉强度、电导率和伸长率分别为401MPa、69.25%IACS和12.50%。合金中纳米级Fe_(3)Si析出相与铜基体的位向关系为[011ˉ]Cu//[11ˉ1]Fe_(3)Si。双尺度Fe_(3)Si相对合金屈服强度的提高均有贡献。其中,纳米级析出相对屈服强度的贡献值更大,约为亚微米级第二相的6倍。相比于Cu-2.5Fe合金,Si的添加促进了合金基体中铁相的析出及细化,降低了动态再结晶温度,进而实现了合金强度、电导率和塑性的协同提高。

新型电极Mg_(2)SiNi_(3)与Mg_(2)Si的连接和界面行为研究

Mg_(2)Si基热电材料是中温区间最有前途的热电材料之一。为了提高Mg_(2)Si基热电接头的界面性能,提出了一种新型电极材料Mg_(2)SiNi_(3)作为Mg_(2)Si的电极材料,并采用放电等离子烧结技术(SPS)实现了Mg_(2)SiNi_(3)和Mg_(2)Si的连接。同时,测试分析了所得接头的界面微观形貌、界面电性能、力学性能以及稳定性。结果表明,Mg_(2)SiNi_(3)与Mg_(2)Si烧结后形成了完整的冶金结合,界面处各组成元素均实现了均匀过渡;界面接触电阻得到了有效地优化,而且接头以及界面稳定性良好;时效前后,界面性能均未出现大幅的退化。Mg_(2)SiNi_(3)的提出为Mg_(2)Si基热电器件设计和集成提供了一种新的思路。

Ti-Si-Fe合金添加量对Si_(3)N_(4)结合SiC材料结构与性能的影响

为促进Si_(3)N_(4)结合SiC耐火材料的致密化,降低Si粉氮化温度,以SiC颗粒和细粉、Si粉为主要原料,利用从高钛型高炉渣提取的Ti-Si-Fe合金部分取代Si粉,在埋碳气氛下于1350℃反应烧结5 h,制备了Si_(3)N_(4)结合SiC耐火材料。研究了Ti-Si-Fe合金添加量(加入质量分数分别为0、1.8%、3.6%、5.4%、7.2%)对Si粉的氮化行为、材料力学性能和显微结构的影响,并探讨了氮化反应烧结机制。结果表明:1)随着Ti-Si-Fe合金添加量的增加,材料的常温力学性能和高温抗折强度明显改善,荷重软化温度均超过1700℃,Ti-Si-Fe合金添加量超过3.6%(w)后材料性能的增幅变缓;2)Ti-Si-Fe合金促进了Si粉在较低温度下的完全氮化和材料的反应烧结,Ti-Si-Fe合金中各物相及Si粉氮化反应的体积增加能够充填气孔,氮化产物改善骨料与基质、基质内部的结合状态,从而提高材料的致密化程度,改善力学性能;3)引入Ti-Si-Fe合金后,反应体系中形成了富含Ti、Si、N、Fe成分的液相,氮化物的形成除传统的VS、VLS机制外,溶解-沉淀机制在短柱状β-Si_(3)N_(4)、粒状TiN的形成中起到主导作用,交错连结的α-Si_(3)N_(4)晶须、短柱状β-Si_(3)N_(4)、粒状TiN对材料的力学性能起到增强作用。

纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土损伤本构模型及能量演化特征

采用纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混合掺入混凝土中,对混掺纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土进行了受压性能试验,基于损伤力学理论和能量耗散原理分析了纳米SiO_(2)-CaCO_(3)增强混凝土的本构关系,建立了普通混凝土和纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土损伤本构模型。结果表明:混掺纳米材料比单掺纳米材料对提升混凝土强度效果更佳,强度最大增幅为31.46%;混掺纳米材料显著降低了混凝土的弹性应变能释放速率,增大了混凝土的总应变能和耗散能,从而提高了混凝土的延性和韧性。基于SEM微观测试结果揭示了纳米材料对混凝土增强效应的作用机理。

基于第一性原理GGA+U方法研究Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)电子结构和光电性质

采用基于密度泛函理论的GGA+U方法,计算了本征和Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)的形成能、能带结构、态密度、差分电荷密度和光电性质.结果表明,Si取代四面体Ga(1)更容易实验合成,得到的β-Ga_(2)O_(3)带隙和Ga-3d态峰值与实验结果吻合较好,且贫氧条件下更倾向于获得有效掺杂.Si掺杂后,总能带向低能端移动,费米能级进入导带,呈现n型导电性;Si-3s轨道电子占据导带底,电子公有化程度加强,电导率明显改善.随着Si掺杂浓度的增加,介电函数ε_(2)(ω)的结果表明,激发导电电子的能力先增强后减弱,与电导率的量化分析结果一致.光学带隙增大,吸收带边上升速度减慢;吸收光谱结果显示Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)具有较强的深紫外光电探测能力.计算结果将为下一步Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)实验研究和器件设计的创新及优化提供理论参考.

直接熔化制备Al-Si-Al_(2)O_(3)复合材料的组织和性能

采用光学显微、XRD、SEM和EDS分析了Si含量分别为10.00wt%、7.64wt%的Al-Si-Al_(2)O_(3)复合材料的显微组织形貌以及物相组成。结果表明:Al-10.00wt%Si试样的组织细小,孔隙率较高。基体晶粒Al呈细小圆形,Si颗粒主要在基体晶界周围聚集长大,部分向基体晶粒内部生长;而Al-7.64wt%Si试样组织略微粗大,孔隙率较低。基体晶粒Al呈不规则形状,Si颗粒聚集长大现象更为明显。原位反应成功进行,Al-10.00wt%Si复合材料以Al为基体生成的Al_(2)O_(3)是增强相;另一生成物Si没有细小弥散的分布于Al基体中,而是聚集附着在基体Al晶界周围,且有部分SiO_(2)残留存在于基体晶界周围。在加热升温过程中,混合原料只出现了部分熔化现象,金属液滴从混合原料中析出,凝结为含Al量极高的合金液滴。合金液滴致密度较高,固溶体呈枝晶状,Si呈条状或针状;且有小颗粒第二相的存在,含有Al、Si、C元素。

p-Si/n-Ga_(2)O_(3)异质结制备与特性研究

本实验采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺,在p(111)型Si衬底上制备了p-Si/n-Ga_(2)O_(3)结构的PN结。通过X射线衍射仪、原子力显微镜等对样品进行了晶体结构、表面形貌、表面粗糙度等的表征分析;通过磁控溅射与蒸镀方法在样品上生长Ti/Au电极并进行I-V特性曲线、开启电压、开关电流比、反向饱和电流、理想因子、零偏压下的势垒高度等结特性测试,研究了掺杂浓度与薄膜厚度对PN结特性的影响,并对其原因进行了分析;通过二步生长法和缓冲层温度优化实验,减少了Si衬底与β-Ga_(2)O_(3)之间的晶格失配与热失配带来的影响,对薄膜与器件特性进行了优化。最终获得了表面粗糙度最低可达到4.21 nm的高质量n型β-Ga_(2)O_(3)薄膜,以及具有较低理想因子(42.1)的PN结。

冷变形及时效对Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si钛合金组织和性能的影响

通过金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子拉伸试验机等研究了冷变形和时效处理对Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si钛合金组织和性能的影响。结果表明:合金冷变形过程中没有发生相的转变。随着冷变形量的增加,合金的晶格逐渐向<011>方向旋转。合金冷变形后时效会析出均匀分布的细小针状α相,α相与β基体具有非常良好的共格关系,这有助于合金性能的提升。冷变形时效合金以时效析出强化为主,形变强化为辅。冷变形会促进时效析出,冷变形量越大,时效析出强化效果也越明显。60%冷变形时效处理的合金最大抗拉强度达到了1786 MPa。

Si改性MoS_(2)对g3环保气体典型分解组分的吸附特性研究

g3(green gas for gird)环保气体(C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合)作为SF_(6)最具潜力的新型环保绝缘替代气体,近几年来受到了广泛关注.通过分析g3气体绝缘组合开关设备中的分解组分来检测局部放电、过热等缺陷故障,对于电力设备运行状态的评估和诊断具有重要作用.本文提出利用Si原子掺杂改性来提高MoS_(2)的气敏和吸附性能,并基于密度泛函理论(DFT)的计算方法,通过吸附能、电荷转移、态密度和局部态密度等参数指标,探究了本征MoS_(2)、Si改性MoS_(2)(Si-MoS_(2))对g3气体典型分解组分—COF_(2)、CF_(4)、CF_(3)CN的吸附气敏机理.分析表明Si原子在MoS_(2)表面具有稳定的掺杂结构,相比本征MoS_(2),Si原子改性之后的MoS_(2)的导电性得到了有效增强;Si-MoS_(2)对COF_(2)、CF_(4)气体表现出强化学吸附作用,对CF_(3)CN为弱物理吸附,吸附强度CF_(4)>COF_(2)>CF_(3)CN,且在吸附过程中Si-MoS_(2)总是作为电子供体,将电子转移到气体分子;Si改性MoS_(2)对g3气体分解组分具有选择吸附性,为检测CF_(4)、COF_(2)气体的MoS_(2)高性能气敏传感器的研制提供了理论上的基础;研究结果在减少温室气体的排放、提高GIS(Gas Insulated Switchgear)的运行稳定性等方面同样具有重要意义.

Si粉特性对反应烧结Si_(3)N_(4)多孔陶瓷的强韧性及介电性能的调控作用

Si_(3)N_(4)多孔陶瓷具有优异的力学性能、介电性能、热学性能和化学稳定性等,特别适用于高温、大载荷、强侵蚀环境下的宽频透波材料。反应烧结Si3N4多孔陶瓷在性能、工艺和成本方面优势显著,原料Si粉特性显著控制着其物相、显微结构、力学和介电性能。本文以不同粒径和纯度的Si粉为原料制备注凝成形、反应烧结Si_(3)N_(4)多孔陶瓷。结果表明,双粒径配料使素坯产生紧密堆积效应,其遗传并进一步演化出两级显微组织强韧化机制,双粒径配料5&45μm时的弯曲强度和断裂功获得最大值109.94 MPa和990.74 J/m^(2)。该值分别比单粒径配料5和45μm时的值提高了111.42%、25.97%和46.55%、20.46%;介电常数和介电损耗分别约为4.20和0.007。注凝成形、反应烧结Si_(3)N_(4)多孔陶瓷可以兼顾力学性能和介电性能,适用于透波罩等异形、大尺寸构件。

以Si-CaO/Al_(2)O_(3)-Si为连接层的C/C复合材料扩散连接接头微观组织及其剪切强度

CaO/Al_(2)O_(3)用于SiC之间的扩散连接,具有接头强度高、连接可靠等优点,但CaO/Al_(2)O_(3)与C/C复合材料的润湿性差,不宜直接用于C/C复合材料的扩散连接。为解决C/C复合材料难以焊接以及连接接头强度较低的问题,本文采用Si-CaO/Al_(2)O_(3)-Si复合夹层作为连接层,对C/C复合材料进行扩散连接,通过Si与C/C在高温下反应生成SiC以及SiC与CaO/Al_(2)O_(3)之间的相互作用,获得高强度接头。结果表明,随着保温时间的延长,接头的剪切强度先升高后下降。1500℃保温90 min的接头,剪切强度达到38.17 MPa,连接接头内部形成“富Si的过渡层-中间层-富Si的过渡层”对称结构,接头中生成的物相主要包含SiC以及由Al_(2)SiO_(5)、SiO_(2)、CaAl_(4)O_(7)等构成的复合玻璃相,剪切断裂主要发生在C/C基体上,说明接头强度及其与基体的结合强度超过了基体强度,是一种非常可靠的连接方式。

聚焦离子束在二维多孔Si/Al_(2)O_(3)/SiC薄膜透射电镜截面微观结构表征中的应用

二维多孔Si/Al_(2)O_(3)/SiC薄膜材料的透射电镜截面微观结构表征中,存在薄膜易脱落、脆性大、耐磨性差,以及选区制备难度大、制样效率低、成功率低等问题。采用聚焦离子束技术,成功地进行了二维多孔Si/Al_(2)O_(3)/SiC薄膜的透射电镜截面微观形貌的表征。结果表明,聚焦离子束技术是一种可以有效减少二维多孔薄膜样品制备过程中的损伤,进行高质量进行透射电镜截面微观结构表征的方法。

叶面喷施Na_(2)SiO_(3)对朝天椒产量、品质与Cd吸收累积的影响

以青红元帅朝天椒为试材,采用水培试验,探究0.3 mg/L镉(Cd)胁迫条件下,叶面喷施0、3、5 mmol/L(以CK、Si_(3)、Si_(5)表示)Na_(2)SiO_(3)溶液对朝天椒产量、品质与吸收转运Cd能力的影响,以期为叶面阻控剂开发提供科学依据。结果表明,青红元帅朝天椒各部位生物量随叶面喷施Na_(2)SiO_(3)浓度的增加呈增加趋势,与CK相比,Si_(5)处理各部位生物量均显著增加,果实鲜质量与干质量增幅分别为16.29%、15.26%,整株干质量增幅为21.35%。朝天椒果实的可溶性糖、可溶性蛋白、氨基酸、维生素C(Vc)与辣椒碱含量均随叶面喷施Na_(2)SiO_(3)浓度的增加呈增加趋势,Si_(5)处理能够显著改善朝天椒品质。各处理不同部位Cd含量大小顺序均表现为主茎上叶>根>叉茎上叶>果实>主茎>叉茎。与CK相比,叶面喷施Na_(2)SiO_(3)溶液降低了朝天椒各部位Cd含量,Si_(3)与Si_(5)处理朝天椒果实Cd含量分别降低11.30%、28.69%。各处理朝天椒整株Cd累积量差异不显著,随叶面喷施Na_(2)SiO_(3)浓度的增加,果实Cd累积量显著降低,茎叶与根Cd累积量显著增加,与CK相比,Si_(5)处理果实Cd累积量降低19.43%。与CK相比,叶面喷施Na_(2)SiO_(3)溶液显著降低根、叉茎、主茎、主茎上叶、茎叶向果实转运Cd的效率(TF_(果实/根)、TF_(果实/叉茎)、TF_(果实/主茎)、TF_(果实/主茎上叶)、TF_(果实/茎叶))。表明叶面喷施Na_(2)SiO_(3)溶液提升了青红元帅朝天椒茎叶与根对Cd的累积能力,限制其向果实转运Cd。

Si元素对钛合金热稳定性影响研究

在不同温度下对3种不同Si含量的Ti-Si二元合金进行100h的热暴露实验,并通过力学性能表征其热稳定性,研究了Si元素对钛合金热稳定性的影响。结果表明,在实验条件下,Si元素的加入提高了合金的抗拉强度,Si含量越高,强度提升幅度越大;在热暴露过程中,当热暴露温度高于450℃时,Ti-Si合金的抗拉强度呈下降趋势,经500℃/100 h热暴露处理后表现出最差的热稳定性,其中Ti-0.4Si合金的伸长率降低至28.0%。Si元素扩散与偏聚形成的Ti_(5)Si_(3)是影响Ti-Si合金热稳定性的主要因素。

旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷用金刚石磨具磨损行为研究

热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷材料常应用于航天飞行器中关键耐高温零部件,但由于高硬度和低断裂韧性,其加工效率和加工表面质量难以满足制造需求。为了提高热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷旋转超声磨削加工质量,减小由于金刚石磨具磨损带来的加工误差,开展了磨具磨损行为研究。基于热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷旋转超声磨削加工实验,分析了金刚石磨具磨损形式;基于回归分析建立了金刚石磨具磨损量数学模型,揭示了加工参数及磨具参数与金刚石磨具磨损量间映射关系;并研究了磨损形式与磨具磨损量及加工表面粗糙度影响规律。结果表明:磨粒磨耗是旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷用金刚石磨具最主要磨损形式,比例超过50%;主轴转速和磨粒粒度对磨具磨损量影响最为显著;且磨损量较小时,加工表面粗糙度值反而增加。以上研究可为提高旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷加工精度和加工质量提供指导。

Al−Si−Fe−Mn合金熔体保温过程中富铁相的三维形态特征和生长行为

采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、热力学计算和同步辐射X射线成像技术研究Al−7.0Si−1.0Fe−1.2Mn合金熔体保温过程中富铁相的形态演变和生长行为。结果表明,随着保温温度的降低,富铁相的形态由粗大的星形和多边形状转变成细小的汉字状以及汉字和多边形的耦合结构。富铁相的三维形貌显示,星形富铁相由多个多分支的初生相和衍生的不规则次生相组成;耦合结构由多面体和枝晶组成;单一汉字相则由枝晶组成。随着保温温度的降低,富铁相的数量、体积分数以及最大富铁相的体积和连通性显著降低。原位同步辐射X射线结果显示,在凝固过程中形成了两类初生富铁相,其中尺寸较小的初生富铁相保留在熔体中,并成为耦合共晶结构富铁相的形核质点。