国家自然科学基金重大项目“金属材料强韧化的多尺度结构设计与制备”结题综述

国家自然科学基金重大项目"金属材料强韧化的多尺度结构设计与制备"经过4年的研究,在多尺度金属结构材料的设计、制备、性能、微观组织结构表征、强韧化机制和断裂规律以及跨尺度计算模拟方面取得了一系列原创性的成果。该重大项目的实施和完成,在破解金属材料强度=塑韧性倒置关系这一难题上迈出了实质性的步伐。在3种组织结构中,即多尺度、非均匀、多层次耦合结构,均发现强度-塑性关系显著区别于均匀体系。在取得丰硕学术成果的同时,该重大项目实施过程中对"贯通式"材料科学研究模式也进行了有益的尝试,有效缩短了解决问题的时间周期,并催生了创新性成果的产生。

金属材料疲劳损伤的界面效应

总结了不同金属材料在低周疲劳过程中典型的晶界、孪晶界、相界和微电子互连界面的损伤开裂行为.纯Cu中疲劳裂纹萌生的难易顺序为:小角度晶界、驻留滑移带和大角度晶界.对于纯Cu与铜合金中退火孪晶界,是否萌生疲劳裂纹与合金成分有关,随合金元素的加入降低了层错能,退火孪晶界相对容易萌生疲劳裂纹.对于Cu-Ag二元合金,由于存在不同的晶界和相界面,是否萌生疲劳裂纹取决于界面两侧晶体的取向差,通常两侧取向差大的界面容易萌生疲劳裂纹.在微电子互连界面中,疲劳裂纹萌生位置与焊料成分和时效时间有关,对于Sn-Ag/Cu互连界面,疲劳裂纹通常沿焊料与界面化合物结合处萌生;对于Sn-Bi/Cu互连界面,随时效时间增加会出现明显的由于Bi元素偏聚造成的界面脆性.

小尺度材料的疲劳研究进展

小尺度材料广泛应用于微电子机械系统及大规模集成电路等微/纳米系统中.由于这些材料的几何尺度和微观结构尺度均在微米至纳米范围,它们对位错行为的约束作用以及表面和界面的影响导致了其疲劳行为与块体材料不同.本文就近年来国内外开展的有关小尺度材料(如薄膜材料)疲劳实验方法、循环形变行为、疲劳裂纹的萌生以及扩展行为进行了综述,对相关的疲劳尺寸效应及机理进行了探讨,并对今后这一领域的研究前景及方向进行了展望.

2维原子晶体材料的研究现状与未来

近年来,以石墨烯为代表的2维原子晶体材料因其独特的2维结构、丰富而新奇的物理化学性质与广阔的应用前景,迅速成为凝聚态物理与材料科学领域的研究前沿。本文概要地介绍了石墨烯的制备、石墨烯的物理与物性、石墨烯的可能应用及其他2维原子晶体材料的研究进展,并对2维原子晶体材料的未来发展趋势进行了分析与讨论。

晶态颗粒、枝晶增韧非晶基复合材料的研究进展

综述了晶态颗粒、枝晶增韧非晶基复合材料的种类与形成机理。分别介绍了这种材料的微观组织与力学性能,并对其变形(增强韧)机理进行了分析,在此基础上展望了今后的研究方向。

化学气相沉积法碳包覆改性锂离子电池电极材料的研究进展

主要介绍了CVD碳包覆工艺、包覆层种类和物理性质(结构、含量和分布)对电极材料电化学性能(首次容量、首次库仑效率、循环和倍率充放电性能等)的影响,在此基础上提出了尚需深入研究的问题,并对CVD法碳包覆改性电极材料的发展趋势和前景进行了讨论。

(Y，Gd)2O3：Eu闪烁体材料的研究进展

阐述了闪烁体的研究现状,主要介绍了(Y,Gd)2O3:Eu(简称YGO)陶瓷闪烁体材料的性能特点,特别对YGO的晶体结构和发光性能的研究进行了总结;并对YGO粉体材料的制备及烧结方法进行了叙述。展望了YGO闪烁体材料未来的研究前景及研究重点。

Y_4Si_2O_7N_(2-)BN复合材料抗热震性能研究

系统地研究了Y4Si2O7N2-BN复合材料的抗热震性能.计算表明,Y4Si2O7N2-30vol.%BN复合材料具有较高的热应力断裂抵抗因子R1值.进一步的实验证明该复合材料的临界热震温差为850~900 K.第二相h-BN在热震条件下的层间劈裂愈合机制对复合材料保持较高的残余强度有利.

铝-钢异种金属搅拌摩擦焊研究现状及展望

搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术,具有优质、高效、节能、环境友好等优点,广泛应用于航空航天、船舶、轨道交通、汽车等工业领域。为了实现车体轻量化,铝-钢异种金属的搅拌摩擦焊研究得到越来越多的重视。从搅拌摩擦焊的工艺、组织及性能三个方面,对铝-钢异种金属搅拌摩擦焊的国内外研究现状进行综述。研究现状表明,通过控制界面金属间化合物的生成量,可得到高质量的铝-钢异种金属的搅拌摩擦对焊、搭焊及点焊接头,优化工艺参数下其拉伸性能可与母材相当,然而在铝-钢界面的精细结构表征和复杂应力状态下接头的力学性能方面还需要进一步的深入研究。此外,对未来铝-钢异种金属搅拌摩擦焊的研究方向进行展望。

IVB和VB过渡族金属碳化物及其表面的结构和电子态的第一原理研究

通过第一原理方法系统地研究了IVB和VB过渡族金属碳化物块体以及表面的结构和电子态性质．讨论了不同碳化物表面褶皱的共同特征和相互差别、碳化物表面褶皱的产生对表面电子分布情况和表面能的影响、碳化物的结合能和表面能的变化趋势、以及表面能与结合能之间的关系．提出了块体结合能和表面褶皱程度两种因素共同影响和决定IVB和VB过渡族金属碳化物(001)表面能的观点．

FCC金属Pd中晶界滑移的研究

使用位能图方法对金属Pd中晶界滑移的研究表明:有序晶界滑移易于开动,有序晶界的滑移可以引起晶界的迁移;与有序晶界相反,无序晶界的滑移很难开动.该结果可以解释形变过程中应力集中和位错发射通常均出现在无序界面处.

钨丝增强ZrAlNiCuSi块体非晶复合材料及其塑性行为

采用渗流铸造法制备出了钨丝增强ZrAlNiCuSi块体非晶复合材料,在压缩条件下复合材料表现出弹性-完全塑性的应力-应变行为,和未复合的大块非晶相比,总应变量提高600％以上.非晶复合材料塑性提高的原因是钨丝阻碍了非晶基体剪切带的滑移,诱发多个剪切带的产生,同时滑移的面积增大的结果.复合材料的破坏方式与钨丝体积分数有关,在体积分数小于40％时一般为剪切破坏,大于60％时为纵向劈裂破坏,介于（40-60）％之间时,在钨丝与界面结合良好的情况下,趋于剪切破坏,否则为劈裂的破坏方式.

SiC颗粒增强铝基梯度复合材料的制备与性能

采用粉末冶金法制备了SiC颗粒增强铝基梯度复合材料（FGMMC）,研究了该梯度复合材料的微观组织和力学性能,对 FGMMC的显微组织观察表明,由于铝基体熔合成一体,因此层间没有明显的界面,具有基体的连续性.尽管基体是连续的,但是当疲劳裂纹从高SiC含量层向低SiC含量层扩展时,在过渡区发生延滞现象.通过断口和裂纹扩展路径的分析解释了此延滞现象.

低加热速率下ZG06Cr13Ni4Mo低碳马氏体不锈钢回火过程的相变研究

利用热膨胀仪、透射电子显微镜(TEM),X射线能谱仪(EDX),X射线衍射仪(XRD)等对ZG06Cr13Ni4Mo在0.05℃/s低加热速率下回火过程中逆变奥氏体的产生机理进行了研究.结果表明:低加热速率下ZG06Cr13Ni4Mo在A_s—A_f区间回火产生的逆变奥氏体中富集了奥氏体化元素Ni,且不含高密度位错,马氏体向逆变奥氏体的转变是扩散型相变,高于600℃回火得到的逆变奥氏体不稳定,在随后冷却过程中部分发生马氏体转变,一次回火在620℃时能得到最大量的逆变奥氏体;620—660℃一次回火生成的逆变奥氏体在冷却过程中产生大量弥散分布的马氏体,增加了600℃二次回火时逆变奥氏体的形核位置,使二次回火后逆变奥氏体含量显著增加。

高密度电脉冲下材料微观结构的演变

几种粗晶材料经高密度电脉冲处理后,在材料内部形成了局域纳米结构,即冷轧α-Cu(Zn)中形成α—Cu(Zn)和β-(CuZn)纳米相;低碳钢中形成纳米尺寸的奥氏体;TiC/Ni(Cr)金属陶瓷中形成纳米尺寸的定向TiC;LC6超硬铝中形成纳米尺寸的α—Al.粗晶纳米化转变的机制可归于电脉冲下多种因素的竞争,包括高速加热、热应力、削减的热力学势垒和较大的电子冲击力等.另外,电脉冲处理后的黄铜和金属陶瓷中分别形成了许多低能的位错组态、大量的层错和孪晶.这类缺陷结构演变与电脉冲输入的电能、热能和应力有关.

氧原子在γ-TiAl(111)表面吸附的第一性原理研究

运用第一性原理方法对氧原子在γ-TiAl(111)表面的吸附研究表明,氧原子倾向于吸附在近邻表面层多Ti的位置,随着覆盖率的增加,表面不同位置吸附能差别减小．电子结构分析发现,氧原子同表面金属原子形成以离子特性为主的化学吸附．氧化学势对TiAl表面稳定性影响的研究表明,γ-TiAl(111)清洁表面只能在氧化学势很低时可以稳定存在,氧化学势稍高,清洁表面就变得不稳定,氧原子开始吸附,并迅速达到高覆盖率的情况．

金属间化合物Ag_3Sn对Sn3.8Ag0.7Cu焊料合金拉伸性能的影响

利用不同凝固速率和等通道挤压法制备不同组织结构的Sn3．8Ag0．7Cu合金,使其包含不同形貌、大小及分布的Ag3Sn金属间化合物;拉伸曲线的比较分析和变形后组织的电镜观察表明,大的针状化合物对合金起着纤维增强的作用,但自身脆性断裂造成空洞,降低了材料的塑性;微细颗粒状化合物起着弥散强化作用,分布在小的等轴晶粒晶界上的化合物颗粒能够阻碍晶界的滑动,起到增强的作用．

TiC/AZ91D镁基复合材料高温压缩变形行为

利用自发渗透原位合成法制备了不同体积分数的TiC增强AZ91D镁基复合材料,研究了不同压缩应变速率以及不 同变形温度下复合材料的热变形行为,计算分析了不同温度下应变速率敏感指数(m)和表观激活能(Q)与TiC含量的关系.结 果表明: TiC／AZ91D复合材料压缩流变应力随TiC含量的增加而升高; TiC含量相同时,流变应力随温度升高或初始应变 速率减小而降低. m值随变形温度升高而增大;变形温度以及压缩应变速率相同时. m值随TiC含量升高而增大. Q值依 赖于温度、应变速率和TiC含量及其分布,不同条件下其高温变形机制有所差异.

高速侵彻装甲钢绝热剪切带特性研究

用Φ14 5mm口径滑膛弹道枪发射 7 6mm口径 93W穿甲弹 ,对 2Π高强度钢靶板进行穿甲侵彻试验 .回收到了完整的冲塞 ,是典型的冲塞破坏 .冲塞的发生以绝热剪切破坏为主 ,靶板中残留的剪切带比较宽大 ,由弹孔表面向靶板内延伸 ,呈网状分布 ,易造成碎块的脱落 ,另外 ,绝热剪切带的形成与塑性力学静载下滑移线的形成密切相关 。

硬状态钢铁材料磨削影响层硬化的表征

显微硬度和X射线衍射线半高宽常被用来表征强化表面的静强度及其在强化表面层内的分布,然而实验结果表明,对于两种经过磨削加工的硬状态钢铁材料,磨削塑性形变虽使其表层的显微度明显提高,却使其半高宽值大幅度减小。因此, X射线衍射线的半高宽不能正确的反映硬状态钢铁材料磨削影响层的强化效果。