基于有限元数值模拟的TC4合金β固溶处理的组织预测

TC4合金β固溶过程中随着α相析出分数的增加,未分解β相的成分和Ms点也随之不断改变。本文建立了此过程的温度和相变耦合的数值模型,并利用有限元方法预测了β固溶端淬试样中的组织分布,即距离端淬试样喷水面不同位置处各相体积分数。通过硬度测试和组织表征验证了模拟结果的准确性,同时讨论了β固溶处理后组织分布特征及内在原因,并确定了完全获得α＇的临界冷速为93℃/s,冷速介于93℃/s与18℃/s之间得到α＇和α混合组织,冷速介于1～18℃/s之间时可得到α＇、α和未分解β的混合组织,冷速小于1℃/s得到α和未分解β的混合组织。本文的工作建立了显微组织分布与工艺参数的关系,可达到指导和优化工艺流程的目的。

大型薄壁壳体零件高压气淬过程温度均匀性数值模拟

针对航天结构件大型薄壁壳体在真空高压气淬炉内的淬火过程,进行了包括真空炉体和薄壁壳体的流固耦合模拟,获得了壳体冷却过程中的炉内气体流动状态和壳体温度分布,评估了壳体在真空炉内高压气淬时的温度均匀性,并针对不同气体出口位置、不同装炉形式和导流情况模拟了壳体温度分布。结果表明,与原始模型相比,采用1出口方案、1壳体放置在炉膛中心和加入挡板的淬火方式能分别提升壳体温度均匀性8%、30%和12.5%,该结果为控制壳体变形提供了优化的淬火方案。

考虑几何必需位错非均匀分布的双相钢细观力学行为模拟

铁素体(F)-马氏体(M)双相钢在生产过程中由马氏体相变造成的铁素体内部的几何必需位错(GND)会保留在最终的材料组织中,而由GND非均匀分布导致的材料局部硬化效应使得铁素体晶粒内部的性能分布同样呈现非均匀特性。为了量化GND局部硬化效应对双相钢力学性能的影响,本文通过电子背散射衍射(EBSD)实验测定与数据分析确定了储存在双相钢微观组织中的GND分布特征,并进行了参数化处理。使用微观组织重构算法构建了具有F-M和F-F硬化层的双相钢代表性体积单元(RVE)模型,并对双相钢在拉伸变形下的细观力学行为进行了模拟,模拟结果显示的组织变形特征及得到的整体应力-应变曲线与实验结果基本相符。

低压转子加热过程的流固多场耦合模拟

针对流固多场数学模型开发了有限元-有限体积耦合计算方法,实现了低压转子加热过程流场-温度场-组织场-应力场的耦合数值模拟。模拟结果表明:炉内气体流速分布不均匀,低压转子上部流速高,下部流速低,在前期升温阶段低压转子上部温度高于下部,上下轴头中心部最大温差约为37℃;转子中截面的热应力最大,为182 MPa,出现于第一次升温结束时刻;中截面表面和心部奥氏体化时间间隔约17 h。研究了不同入口流速对低压转子加热过程温度、组织和热应力的影响。结果表明,气体流动对中低温阶段的加热影响显著,随着入口流速降低,最大温差和最大热应力增大;不同入口流速对高温阶段的加热和组织转变的影响较小。

固溶态和时效态7075铝合金的微纳米压痕力学行为

采用微纳米压痕实验研究了固溶态和时效态7075铝合金的力学性能和压痕蠕变行为,获得了其力学本构方程、应力-应变曲线和蠕变应力指数。结果表明:两种状态铝合金的硬度和弹性模量均随着载荷的增大而减小,并在压痕深度小于1μm时表现出明显的尺寸效应。固溶态和时效态铝合金的屈服强度分别为446 MPa和497 MPa,抗拉强度分别为594 MPa和691 MPa。两种状态合金的最大蠕变深度和蠕变应力指数变化趋势相似,均随载荷和加载速率的增大而增大。

能量密度对直接激光沉积Ti-6Al-4V合金组织和性能的影响

采用直接激光沉积(DLD)技术制备了Ti-6Al-4V合金,使用X射线衍射、扫描电镜、拉伸实验机等研究了不同能量密度(50、62.5和75 J/mm^(3))对DLD成型Ti-6Al-4V合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:随着能量密度的升高,可以得到3种典型的显微组织:α′马氏体组织、魏氏组织、层片状(α+β)组织。在能量密度为75 J/mm^(3)时,DLD成型Ti-6Al-4V合金具有较好的强塑性匹配:屈服强度达到1199 MPa,抗拉强度达到1220 MPa,断裂伸长率为11.6%。该合金强度和塑性提升的原因可能与层片状(α+β)组织中的纳米孪晶有关。

多晶材料细观力学建模与模拟软件的开发与应用

Thermal Prophet-RVE是最近自主开发的一款基于实际微观组织数据的多晶材料细观力学模拟软件。本文着重对其软件架构、基本功能及技术特点进行介绍,并模拟了铁素体/马氏体双相钢生产过程马氏体相变引起的变形和双相组织在拉伸载荷作用下的细观力学行为。结果表明,基于材料实际微观组织数据构建的微结构模型能够高度还原组织相组成以及晶粒之间的几何拓扑关系,由此建立的细观力学模型能够对多晶材料在复杂热力耦合作用下的变形行为以及整体力学性能进行可靠预测。

热处理过程流场-温度场-组织场-应力场耦合模拟研究

建立了有限元-有限体积耦合的热处理流场、温度场、组织场、应力场数值模型,并采用真空高压气淬工艺对该模型进行了验证。模拟结果与实测不同位置的冷却曲线和显微组织吻合较好。本研究扩展了热处理模拟的求解域,克服了传统淬火模拟需预先获得淬火介质换热系数的局限。模拟可获得工件热处理后的显微组织分布和残余应力分布,进而为热处理工艺的制定提供参考。

冷轧及再结晶退火对TiNbHf难熔中熵合金力学性能的影响

利用真空电弧熔炼炉制备了TiNbHf难熔中熵合金,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和拉伸实验等方法研究了TiNbHf合金的显微组织及力学性能。结果表明:TiNbHf合金的铸态组织为单相BCC结构,经冷轧及再结晶退火处理后仍保持单相BCC结构;合金的晶粒尺寸随着退火温度的升高而增大,屈服强度逐渐降低;在900℃退火0.5 h后,合金发生完全再结晶,强塑性综合表现最佳,其屈服强度和均匀伸长率达638 MPa和19.2%。

我国高性能化智能制造发展战略研究

我国制造业大而不强,其中重要零部件的寿命低、可靠性差,这为我国制造业的致命伤。本文作者及研究团队通过对企业的大量调研,发现我国大量生产没有竞争力的低附加值产品,付出沉重的资源与环境代价,难以持续发展,高端装备与关键零部件仍然依赖进口,威胁国家的经济安全和国防安全。因此,大力推动高性能化智能制造对我国制造业的健康转型和科学发展具有重大意义。本文分析了我国开展高性能化智能制造的可行性,提出了高性能化智能制造总体框架和主要内容,最后提出了发展高性能化智能制造的几点建议。

基于多场耦合模拟的齿毂高压气淬工艺设计

针对20CrMnTi齿毂高压气淬工艺设计的需求,建立了一套流场-温度场-组织场-应力应变场耦合模拟体系,能够实现对淬火气流与工件的同步耦合计算。利用该体系模拟了不同淬火气压和进气方式下的齿毂高压气淬过程,分析了不同工艺方案下齿毂的组织成分、硬度以及畸变,确定了2.0 MPa、下方单向进气的工艺方案,模拟结果满足齿毂性能要求。

大型锻件晶粒细化热处理研究进展

主要介绍了大型锻件中的组织遗传现象,分析了其形成机制,并总结了切断组织遗传达到晶粒细化的若干热处理工艺和途径,主要包括临界区快速加热、高温正火、高温回火、过冷奥氏体平衡转变等;最后介绍了典型的汽轮机低压转子锻件和超超临界高中压转子锻件的锻后热处理工艺。

基于钢箔渗碳的碳传递系数的精确测定

提出了一种计算气体渗碳过程中碳传递系数的方法,结合钢箔渗碳试验获得精确的碳传递系数。利用Thermal Prophet软件模拟了钢箔渗碳过程。结果表明,渗碳过程中碳传递系数是钢箔表面碳浓度的函数,随表面碳浓度的增大而减小。当表面碳浓度从0.036%增加到1.03%时,碳传递系数下降79.4%。通过对比模拟结果和实测的碳浓度分布曲线证明了本文测定的碳传递系数优于其他经验公式。

CrMo钢比热与热扩散系数的热力学估算

利用热力学亚点阵等模型,构建了Fe-Cr-Mo-C四元合金系中单相组织比热与热扩散系数的计算方法,并对20Cr Mo钢与42Cr Mo钢中奥氏体（fcc）和马氏体（bcc）等微观组织的比热与热扩散系数进行了计算与实测。计算与实测结果具有较好的一致性,由此表明本文计算方法能够较为准确的预测不同碳含量Cr Mo钢材料中奥氏体等微观组织在不同温度条件下的比热和热扩散系数。该方法可以简化比热与热扩散系数的实测工作,为Cr Mo钢零件的热处理（特别是渗碳热处理）数值模拟的开展提供参数保障。