相场法模拟溶质对ZK60合金晶粒长大过程中织构演化的影响

建立包含受溶质影响的弹性各向异性及晶界偏析的多尺度三维相场模型,研究溶质原子Ca、Y和Al对ZK60合金在270 MPa压应力及573 K下晶粒生长过程中织构演变的影响。结果表明,添加Ca或Y均可以弱化ZK60的基面织构,而添加Al则会增强织构。添加Al后,晶粒尺寸分布与Hillert模型之间的偏差增大,而添加Ca或Y会使偏差减小。与弹性各向异性相比,溶质偏析引起的晶界能变化对织构演化的影响十分有限。揭示的机理对在ZK60合金显微组织设计中采用合适的合金化策略具有重要意义。

金属层状复合材料的力学行为及微观变形机理

金属层状复合材料作为一种典型的非均质材料,通过调控其内部的多尺度微结构特性,可以实现金属结构材料强度-韧性的协同提升,在高端先进制造领域具有潜在的应用前景。金属层状复合材料的宏观力学性能显著依赖于各组元层的性能、厚度和异质界面的结构特性。变形过程中材料内部的微观应力/应变在异质界面处的协调特性对组元金属的形变微观机制产生重要影响,进而影响复合材料整体的性能。因此,探索金属层状复合材料的“微观结构-力学行为-变形机制-宏观力学性能”的内在关联并揭示其对应的微观形变机理,对设计具有优异综合力学性能的金属层状复合材料有重要的理论指导意义和实际应用价值。聚焦于晶态金属层状复合材料的微观力学行为及变形机理,介绍了其力学行为的尺寸与界面效应,着重讨论了室温下材料的微观形变物理过程,阐明了非均匀金属层状复合体强韧化的机理。最后,对金属层状复合材料力学行为的研究进行了简要展望。

硼酸碳热还原-渗硅反应烧结制备碳化硼陶瓷复合材料

碳化硼性能优良,应用广泛,但制备成本较高。为了从源头解决碳化硼陶瓷材料制备成本高的问题,本工作直接以碳热还原法合成的碳化硼-C复合粉体为原料,无需进行破碎提纯,通过渗硅反应烧结制备碳化硼复合材料,所得材料性能与以市售碳化硼粉体为原料制备的材料性能相当,有效降低了其制备成本。主要研究了原料碳硼摩尔比对合成粉体以及碳化硼复合材料物相、显微组织和性能的影响,并探讨了碳化硼陶瓷复合材料的强韧化机理。结果表明:随着碳硼摩尔比增加,合成粉体中碳化硼粉体的碳硼原子比增加,且合成粉体中游离C含量增加;当碳硼摩尔比为2.01时,游离C包覆在碳化硼粉体颗粒表面。复合材料相组成均为B_(12)(C,Si,B)_(3)、SiC和Si,随着碳硼摩尔比的增加,复合材料中碳化硼和游离Si含量降低,SiC含量、大尺寸SiC区域的尺寸、大尺寸SiC区域和纳米SiC颗粒的数量均增加。大尺寸SiC区域的产生会降低材料的强度和韧性,而SiC纳米颗粒的形成有利于提高材料的强度和韧性。当碳硼摩尔比为1.35时,复合材料的抗弯强度和断裂韧性最高,分别为338 MPa和4.06 MPa·m^(1/2)。

TiC含量对无压烧结TiC-Al_(2)O_(3)导电陶瓷复合材料微观结构与性能的影响

以Al_(2)O_(3)、TiC粉体为原料,采用无压烧结技术制备了TiC-Al_(2)O_(3)导电陶瓷复合材料,研究了TiC体积分数(30%~45%)对陶瓷复合材料微观结构和性能的影响。结果表明:TiCAl_(2)O_(3)导电陶瓷复合材料主要由Al_(2)O_(3)和TiC两相组成;随着TiC含量的增加,陶瓷复合材料的相对密度降低,开口气孔率增大,当TiC体积分数为30%时,相对密度最大,开口气孔率最低,分别为95.5%和3.0%;陶瓷复合材料中导电相TiC均连接为网状结构,随着TiC含量的增加,TiC所形成的网状结构越发完整,陶瓷复合材料的硬度先升高后降低,电阻率和断裂韧度均呈降低趋势,抗弯强度增大;当TiC体积分数为45%时,陶瓷复合材料的抗弯强度最高,电阻率最低,分别为361 MPa和6.95×10^(-6)Ω·m。

第四代核反应堆用金属材料的研究进展:(一)熔盐反应堆

回顾近70年世界核设施发展历程以及我国核电站发展现状,应用核电作为新型清洁能源可以满足日益增长的能源需求。建设核电设施需要大量金属结构材料,以熔盐反应堆为例,重点介绍几种先进牌号合金材料。同时对这些材料研究重点成果进行简要介绍,对未来研究发展方向提出几点期望。

钛酸钡——氧化锆陶瓷复合材料的组织与性能研究

笔者以ZrO_(2)、BaTiO_(3)为原料,采用机械混合制备BaTiO_(3)/ZrO_(2)复合粉体,通过无压烧结工艺制备BaTiO_(3)/ZrO_(2)陶瓷复合材料,利用XRD、SEM、阿基米德排水法、电子万能试验机、显微维氏硬度计等技术手段,研究了添加不同质量百分数钛酸钡(25%~40%)对钛酸钡-氧化锆陶瓷复合材料的物相组成、显微组织与力学性能的影响。研究结果表明:复合材料由四方化锆(t-ZrO_(2))、单斜氧化锆(m-ZrO_(2))和钛酸钡(BaTiO_(3))三相组成;随着加入的钛酸钡含量的不断增加,复合材料的抗弯强度先增大后减小,硬度先升高后降低,相对密度不断减小;当钛酸钡-氧化锆陶瓷复合材料中添加钛酸钡质量分数达到35%时,复合材料的综合性能达到最佳,相对密度、开口气孔率、抗弯强度、维氏硬度、断裂韧性、1 kHz和室温下相对介电常数和介电损耗分别为94.4%、0.7%、298.5 MPa、9.4 GPa、5.35 MPa·m^(1/2)、166、0.006。

高速列车用不饱和聚酯腻子的耐蚀性和老化机理

利用电化学阻抗谱、湿热老化等方法研究了不饱和聚酯腻子的耐蚀性和老化机理。结果表明:在3.5%NaCl溶液中浸泡6 h后,腐蚀溶液便渗入腻子/铝合金界面,并发生电化学腐蚀,不饱和聚酯腻子阻抗下降明显,防护能力下降较快;在湿热老化过程中,不饱和聚酯腻子光泽和色差逐渐增加,表面随着树脂的老化和降解变得光滑且局部产生空洞;不饱和聚酯腻子在老化初期存在着后固化现象;老化和降解更容易在芳香酯的位置发生。

锂离子电池用PET-Cu复合集流体拉伸性能研究

随着锂离子电池技术的不断发展,复合集流体因其具有显著提升电池能量密度和安全性高等优势而引起了产业界的广泛关注。而复合集流体的力学性能可靠性是保证其安全服役的前提,为此,本文针对商业用聚对苯二甲酸乙二醇酯-铜(PET-Cu)复合集流体的拉伸性能开展了系统性的研究。利用扫描电镜、激光共聚焦显微镜、X射线衍射等技术手段对复合集流体材料的表面形貌、微观结构及拉伸断裂行为进行了表征与分析。借助有限元模拟分析了不同几何形状试样在拉伸过程中的应力分布状态;通过数字图像相关技术辅助的拉伸实验研究了取样方向、应变速率及试样几何尺寸对PET-Cu复合集流体拉伸性能的影响规律,并对其应变测量进行了校正。结果表明,采用狗骨状试样并进行应变校正可以更准确地评估复合集流体的拉伸性能;PET-Cu复合集流体的拉伸性能表现出试样取样方向相关性和应变速率敏感性。此外,PET-Cu复合集流体的断裂伸长率表现出明显的试样几何尺寸效应,通过引入几何尺寸系数K可以对不同尺寸的试样拉伸性能进行合理的预测。本研究为聚合物复合集流体实际应用提供了理论依据与可靠性的论证,也为相关试验标准的建立提供了参考,有望推动高性能锂离子电池的开发。

成形压力对SiC/TiB_2复合材料组织与性能的影响

基于熔融Si浸渗法制备出较致密的SiC/TiB_2复合材料,并研究了坯体成形压力对SiC/TiB_2复合材料致密度、相组成、显微组织和力学性能的影响。实验结果表明,复合材料由TiB_2、Si C和Si相组成。SiC/TiB_2复合材料的显微组织特征为:TiB_2相和SiC相均匀分布,游离Si填充在TiB_2相和SiC相的空隙处,且形成了连续相。随成形压力的增大,复合材料中游离Si含量降低,TiB_2颗粒尺寸减小,复合材料的力学性能先增加后降低。坯体最佳成形压力为200 MPa,对应SiC/TiB_2复合材料的体积密度、开口气孔率、抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为3.63 g/cm^3、0.90%、(354±16)MPa、(6.8±0.2)MPa·m^(1/2)和(21.0±1.1)GPa。

不同类型颗粒混合增强铁基复合材料的磨损性能

采用电流直加热动态热压烧结工艺制备陶瓷颗粒增强铁基复合材料,研究高体积分数(25%,30%,35%)下,单一类型颗粒(SiC,TiC,TiN)及混合类型颗粒(TiC+TiN,SiC+TiN,SiC+TiC)作为增强相对铁基复合材料磨损性能的影响。结果表明:单一类型粒子强化时,TiNP/Fe复合材料的耐磨性最好,TiCP/Fe次之,SiCp/Fe最差。混合粒子作为增强体时,(TiC+TiN)P/Fe复合材料磨损性能显著优于其对应的单一颗粒增强材料;其中粒子含量为30%时,(TiC+TiN)P/Fe复合材料磨损性能提高最大,其磨损量比TiCP/Fe降低了51.9%,比TiNp/Fe复合材料降低了44.1%,体现出可贵的混合增强价值。(SiC+TiC)_P/Fe和(SiC+TiN)P/Fe复合材料的磨损性能分别处于对应的两个单一颗粒增强材料之间。磨损表面观察表明,耐磨性好的(TiC+TiN)P/Fe复合材料的磨损机理为磨粒磨损,而(SiC+TiC)_P/Fe和(SiC+TiN)P/Fe复合材料除磨粒磨损外还存在明显的疲劳磨损现象。

Cr添加对NbMoZr系高熵合金力学性能与微观组织的影响

采用电弧熔炼法成功制备了Nb_(50)Mo_(30)Zr_(20)及(Nb_(50)Mo_(30)Zr_(20))_(100-x)Cr_(x)(x=5、10、15,对应Cr5、Cr10及Cr15)合金,并系统研究了Cr含量对相结构、微观组织与力学性能的影响规律。研究结果表明,Cr元素的添加使NbMoZr合金由单一BCC结构相组织转变为富Mo、Nb的BCC基体相与富Zr、Cr、Nb的Laves相组成的双相组织,同时二次枝晶壁间距也逐渐减小。X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)分析表明,Laves相对应于FCC结构的Cr_2(Nb,Zr)相。因此,随着Cr含量的增加,压缩屈服强度逐渐从NbMoZr合金的1288 MPa提升至Cr15合金的1924 MPa,Laves相诱导的第二相强化以及枝晶细化导致的细晶强化是强度提升的主要机制。对比三种含Cr合金,发现Cr10合金表现出最优的强塑性匹配,屈服强度1690MPa,塑性应变9.0%,有望成为弥散性核燃料金属基体的有利候选材料之一。

轧制变形量对15Cr氧化物弥散强化钢显微组织与力学性能的影响

采用热等静压工艺制备了15Cr氧化物弥散强化(15Cr-ODS)钢并对其进行轧制,研究了轧制变形量(0,30%,50%,70%)对试验钢显微组织与力学性能的影响。结果表明:轧制可以提高试验钢的密度,但变形量对密度无明显影响;随轧制变形量增加,试验钢晶粒细化,组织各向异性更加显著,析出相尺寸变大,分布密度降低;轧制后试验钢的显微硬度、室温至600℃的抗拉强度和断后伸长率均提高;随轧制变形量增加,显微硬度增加,但抗拉强度无明显变化。

预时效工艺对Cu-Cr-Zr合金力学性能和电学性能的影响

高强高导铜合金经过塑性加工后通常具有高强度,但会严重损失塑性。因此,需要开发新工艺,从而不断提升铜合金的力学性能和电学性能。对固溶态Cu-0.7Cr-0.19Zr合金进行冷轧处理(样品SR),分别采用低温预时效、高温单级时效、低温预时效结合高温时效3种不同的处理工艺制备样品,样品分别命名为SRP, SRA和SRPA。对4种样品的微观组织、强度、塑性和导电率进行了测试。结果表明,时效处理并未造成明显再结晶,保留了超细晶结构及高密度位错。与样品SR相比,单级时效与双级时效均可促成力学与电学性能的综合提升,而双级时效比单级时效更加有效。对样品的强度、塑性和导电率的影响进行了分析。

近α型高温钛合金长期时效过程中的组织演化行为

利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜研究了Ti600高温钛合金在550℃长期时效至2000 h过程中的微观组织演化行为与机理。结果表明:Ti600合金在550℃长期时效下稀土相较为稳定,但α_(2)相和硅化物S_(2)相析出并逐渐长大。0~500 h的时效初期,随时效时间的增加,与基体共格的球状α_(2)相的尺寸和数量增加,但当时效至500 h后,α_(2)相的析出与长大趋于稳定,时效至2000 h,α_(2)相的尺寸仍保持在10 nm以内。硅化物S_(2)相在α片层与β相界面或α相内析出,且当时效时间超过200 h后其长大逐渐明显,并且沿着长轴方向生长使其形状逐渐向棒状转变。时效至2000 h,合金中S_(2)相的平均尺寸已经达到约175 nm。经计算,550℃长期时效S_(2)相的长大速率K=2.69×10^(3) nm^(3)·h^(-1)。其中Zr的扩散主要控制S_(2)相的长大。

2D-C/C-SiC复合材料强粒子冲蚀下的失效分析

本文采用化学气相渗透(CVI)工艺制备了2D针刺预制体增强的C/C-SiC复合材料,并对材料密度、力学性能以及强粒子冲蚀下的烧蚀机理和破坏机制进行了分析。结果表明,C/C-SiC复合材料在强粒子冲蚀下的破坏机制主要为机械冲蚀和颗粒侵蚀,其次是冲蚀过程中伴随的少量氧化。材料内层间孔、束间孔以及针刺孔的存在加剧了C/C-SiC复合材料破坏。研究发现,通过改变预制体结构来实现材料力学性能的均衡。

外应力对AZ31镁合金晶粒长大和织构影响的相场模拟

建立了一个模拟外应力作用下AZ31镁合金在高温退火过程中晶粒长大和织构演化的三维相场模型。通过3个欧拉角构成的欧拉空间表达晶体学取向,赋予有序化参数以晶体学取向的物理意义。由于镁合金晶体结构为密排六方结构,不同晶体学方向存在弹性各向异性,根据每个取向晶粒的(0001)面相对于外应力方向的角度旋转刚度矩阵,得到不同取向晶粒对应的刚度矩阵,从而计算出外应力对不同取向晶粒做的功。结果表明:将模拟结果与已有的实验结果进行了对比分析,织构模拟结果与实验观察到的织构相一致;外应力的增加会使晶粒长大速率加快,当外应力大于600 MPa时,可能会导致晶粒的异常长大;此外,当压应力大于400 MPa时,AZ31镁合金中会产生(0001)晶向平行于外应力方向的基面织构。

碳化硼颗粒级配对硅反应结合碳化硼复合材料结构与性能的影响

本研究探讨了碳化硼原料颗粒尺寸对反应结合碳化硼复合材料相组成、结构与性能的影响。研究结果表明:颗粒级配可以使粉体堆积更加密实,有效提高压制坯体的体积密度,最终降低复合材料中游离Si的含量;加入粗颗粒可减缓B_(4)C与Si的反应,减少SiC相的生成;当原料中粒径为3.5、14、28、45μm的B_(4)C粉体按质量比为1.5:4:1.5:3配比时,所制备的复合材料维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性和体积密度分别为(29±5)GPa、(320±32)MPa、(3.9±0.2)MPa·m^(1/2)和2.51 g/cm^(3)。在制备复合材料过程中减缓B_(4)C与Si反应速度、减少游离Si的含量和缩小Si区域尺寸是其性能升高的主要原因。

钛、锆元素对ODS钢中氧化物析出相的分布特征及材料力学性能的影响

以氧化物弥散强化(Oxides dispersion strengthened,ODS)钢合金粉为研究对象,利用合金粉的真空等温热处理来模拟ODS钢的烧结成型过程。增大ODS钢中合金元素的含量,以此研究合金元素对氧化物析出相分布特征、种类及合金粉力学性能的影响。利用XRD、XAFS、SAXS等技术手段检测球磨及真空等温热处理不同时间后合金粉中氧化物析出相的分布特征、种类变化情况,同时测量各合金粉的硬度。XRD实验结果表明,当合金中添加了钛元素和锆元素后,除铁素体衍射峰外,热处理过程中还形成了Cr_(2)O_(3)相、Y_(2)Ti_(2)O_(7)相及Y_(4)Zr_(3)O_(12)相。而在不含钛元素和锆元素的合金粉中只检测到Cr_(2)O_(3)相和铁素体的存在。XAFS实验结果表明,添加了钛元素和锆元素后,合金粉的XAFS曲线发生改变,与纯钇元素及纯氧化钇样品的曲线不同,含钛元素和锆元素的合金粉经真空等温热处理0.5 h后,其中氧化物析出相的分布密度最高为2.73×10^(22)/m^(3);氧化物析出相达到分布峰值的时间早于不含钛元素和锆元素的样品,说明钛元素和锆元素会促进氧化物相的形成。同时,含钛元素和锆元素的合金粉的硬度也高于不含钛元素和锆元素的合金粉样品。

TiC含量对无压液相烧结SiC-TiC陶瓷复合材料结构和性能的影响

以SiC粉体和TiC粉体为原料,Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)为烧结助剂,采用无压液相烧结技术制备了SiC-TiC陶瓷复合材料,研究了TiC体积分数(35%~45%)对其微观结构和性能的影响。结果表明:陶瓷复合材料的物相组成均为SiC、TiC、YAG(Y_(3)Al_(2)O_(3))和YAM(Y_(4)Al_(2)O_(3));随着TiC含量的增加,TiC颗粒逐渐形成连续网络结构,陶瓷复合材料的开口气孔率先减小后增大,相对密度、抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度均先升高后降低,体积电阻率降低。当TiC体积分数为40%时,陶瓷复合材料具有优异的综合性能,其相对密度、开口气孔率、抗弯强度、断裂韧度、维氏硬度、体积电阻率分别为98.1%,0.28%,429 MPa,5.87 MPa·m^(1/2),26GPa,1.66×10^(-5)Ω·m。

快速凝固NiMnGa合金薄带中的织构及退火温度对织构的影响

采用快速凝固技术制备了名义成分为Ni_(50)Mn_(25)Ga_(25)的合金薄带。与铸态合金相比,快凝薄带微观组织细小、均匀。快凝薄带在室温下为立方L2_1结构,退火后其室温结构保持不变。快凝薄带中存在{001}<100>组分的织构;低温退火后,织构类型及强度基本不变;高温退火后织构强度明显弱化。