SPS制备SiC-TiB_2复相陶瓷材料结构和性能研究

本文以SiC为基体,TiB_2为第二相,YAG为液相助烧剂,通过等离子放电烧结(SPS)工艺,在1700℃、50 MPa条件下制备不同成分的SiC-TiB_2复相陶瓷材料,采用XRD、SEM、TEM、EDS对试样的物相和显微结构进行了分析,结合弯曲强度、硬度及断裂韧性等力学性能的表征对其结构和性能进行了研究。研究发现,SPS烧结制备的SiC-TiB_2陶瓷晶粒细小均匀,SiC平均粒径约为1μm。TiB_2的加入对于复合陶瓷的致密烧结起到了阻碍作用。由于TiB_2原始粉末表面少量的氧化物TiO_2同SiC的反应,从而引入了TiC;由于大颗粒的TiB_2的切削作用,粉料在球磨过程中引入磨球的成分YSZ。TiB_2的加入促使液相助烧剂更倾向于以非晶的形式存在,从而改变了晶粒间的结合形态,提高了晶间结合强度,进一步提高断裂韧性。SiC-TiB_2复相陶瓷材料的弯曲强度和断裂韧性随TiB_2含量的增加先增加后减小,在TiB_2含量为15%时弯曲强度和断裂韧性达到最大值,分别为662 MPa和8.84 MPa·m^(1/2)。

SiC/Al双连通复合装甲材料抗侵彻性能宏–微观跨尺度模拟

SiC/Al双连通复合装甲材料所具有的复杂三维微结构特征对其宏观抗侵彻性能具有重要影响。本文建立了从宏观靶试模型中SiC/Al靶板的典型微区提取动态边界条件,并作用于相应微观组织模型的跨尺度数值模拟方法,研究了SiC/Al靶板在抗侵彻过程中不同典型局部微区内的动态微结构损伤及失效过程。研究表明:在弹着点正下方位置,多个裂纹源萌生于两相界面处靠近陶瓷相一侧,随后沿与弹道平行的方向扩展并形成轴向主裂纹;在与弹体轴线呈45°位置,裂纹除了在靠近界面处的陶瓷相一侧萌生外,在陶瓷相内部也出现了与弹道方向垂直的多条水平裂纹,界面裂纹与水平裂纹进一步扩展并桥连成多个锥形主裂纹。相关模拟方法为将来该类材料的微结构优化提供了一种新的技术途径。

AerMet100超高强度钢的动态力学性能研究

对AerMet100超高强度钢淬火后深冷处理,然后在不同温度下回火,利用OM,SEM,TEM对处理后的组织进行观察。采用分离式Hopkinson压杆研究不同热处理工艺对其动态力学性能的影响规律。结果表明:深冷处理可降低残余奥氏体的含量,提高材料的动态塑性,改善材料的综合性能;在高应变率(1000~4200s^(-1))下,与准静态相比,材料表现出明显的应变率硬化效应。随着回火温度的升高,材料的动态压缩强度呈现出先升高后降低的趋势,在482℃时出现峰值,约为2800MPa。在动态加载条件下,材料的断裂形式均是剪切断裂。

高应变率加载下新型近βTi-5553合金的组织结构与力学性能

本文针对热处理对新型近βTi-5553合金组织与性能的影响开展研究,通过准静态、分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩测试其静动态力学性能,采用OM、SEM进行微观组织结构观察。研究结果表明:准静态(应变率为10-3s-1)加载下,相比双态组织,等轴组织钛合金的强度较高,塑性变形能力相对较差,断口分析表明,两种组织钛合金均以韧窝为特征的韧性断裂。SHPB动态压缩(应变率为103s-1)加载后,材料表现出与准静态加载相似的规律,微观组织分析表明,高应变率加载下材料以绝热剪切为主要破坏形式。

Ti-5553合金动态拉伸下的力学性能及微结构变化

为研究Ti-5553合金在高应变率载荷下的动态响应和微结构变化,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和霍普金森拉杆(SHTB)装置对Ti-5553合金分别进行单纯SHTB加载和SHPB+SHTB加载,采用光学显微镜和扫描电子显微镜对加载后的试样进行观察,分析其显微组织和断口形貌,并结合定量金相分析方法进行相关计算。结果表明:SHPB加载和SHTB加载均会使Ti-5553合金发生应力诱发马氏体相变;Ti-5553合金在SHPB加载发生应力诱发马氏体相变之后再进行SHTB加载时,发生应力诱发马氏体相变的能力受到抑制;Ti-5553合金在SHPB加载后,材料的变形抗力降低,SHPB加载后再采用SHTB加载与单纯SHTB加载相比,材料的塑性变差、抗拉强度降低。

YSZ涂覆V_2O_5热腐蚀行为研究

本文以V2O5为腐蚀介质,采用涂盐法研究了温度对YSZ腐蚀的影响。结果表明:YSZ在650℃和750℃腐蚀时,反应以ZrV2O7和YVO4生成为主,并存在少量ZrO2的t→m相转变;750℃时,V2O5熔融加快了反应速率;在高于750℃温度时腐蚀,产物不存在ZrV2O7,稳定剂Y2O3与熔融V2O5酸性溶解,加快ZrO2的t→m相转变;温度升高,m-ZrO2相增多,晶粒间孔隙变大,试样表面逐渐疏松。

非均质Mn分布对淬火-配分钢微观组织和力学性能的影响

目前,基于非均质高温奥氏体来调控先进高强钢的组织和性能,引起研究学者的广泛关注。为进一步明晰合金元素非均质程度对组织和性能的影响,指导先进高强钢的设计,本工作采用以Mn配分的珠光体为初始组织的快速淬火-配分工艺,研究了奥氏体化时间和温度对高温奥氏体中非均质Mn分布的影响规律,进一步探讨了微观组织和力学性能的演变。结果表明,高温奥氏体的Mn分布能够调控淬火过程的马氏体转变。当高温奥氏体继承了珠光体中富Mn渗碳体和贫Mn铁素体中的Mn分布时,淬火后可获得富Mn片状残余奥氏体与贫Mn马氏体板条构成的鬼珠光体组织。随奥氏体化保温时间的延长和温度的升高,高温奥氏体中Mn元素非均质程度减弱,导致鬼珠光体组织减少,块状残余奥氏体和粗大板条马氏体数量增多、且尺寸增大。随着保温时间的延长,屈服强度由于细晶强化的减弱而降低;均匀延伸率由于块状残余奥氏体的增多而升高,颈缩后的延伸率因块状残余奥氏体形成的脆性马氏体而降低。由于残余奥氏体和马氏体的含量随着奥氏体化工艺不发生改变,使得抗拉强度和断裂总延伸率也不发生变化。由此可见,通过改变奥氏体化的工艺参数,能够在保证高抗拉强度(约1700 MPa)和高断裂总延伸率(约20%)的基础上,实现对屈服强度和均匀延伸率的进一步调控。

基于“新工科”的《热处理原理与工艺》类课程教学内容改革

《热处理原理与工艺》既是金属材料领域的核心课程,又和工程实践结合非常紧密。该课程一直沿用20世纪的教学大纲,教学内容过于陈旧,又由于该课程“理论性、抽象性、综合性与实践性强”,导致学生难以融会贯通,遇到实际热处理问题无从下手。基于“新工科”对人才培养的新要求,需对课程内容进行系统的改革。首先,提取该课程的核心知识点——固态相变原理,并深化其教学,提高学生的理论水平。其次,通过精简钢材的传统热处理工艺,使学生更为系统地掌握热处理工艺。最后,通过融入新发展的热处理工艺,以及其他重要金属材料的相变和热处理工艺,进一步帮助学生深刻理解固态相变原理,并培养学生的创新性思维,使其具备解决金属材料热处理相关问题的能力。

无碳化物析出的无硅和无铝贝氏体钢热处理工艺开发

采用锰配分珠光体为初始组织的非均质贝氏体转变(PB)工艺,研究了非均质锰分布对Fe-0.39C-3.69Mn(质量分数,%)钢贝氏体转变的影响。结果表明,经盐浴炉快速加热到730℃短时保温90 s后,高温奥氏体继承了珠光体的非均质锰分布,从而调控了贝氏体转变过程,因此获得了由富锰片层残余奥氏体和贫锰贝氏体铁素体构成的鬼珠光体。特别地,虽然试验钢中未添加Si、Al元素,但是在鬼珠光体区域却并没有发现碳化物的析出,表明得到了无碳化物贝氏体组织。这是由于,非均质锰分布片层式分割了高温奥氏体,其中原铁素体处的贫锰奥氏体稳定性不足,在等温阶段迅速发生贝氏体转变,而原渗碳体处的富锰奥氏体稳定性强,能够保持稳定。同时,C、Mn元素的强烈相互作用,驱动了C元素自贫锰区域向富锰区域的扩散,而且富锰区域和贫锰区域的纳米片层结构缩短了C元素的扩散距离,导致富锰奥氏体的C含量增加,从而进一步抑制了贝氏体转变和碳化物的析出。得益于鬼珠光体区域的相互堆叠的片层结构,在相同贝氏体转变温度下,PB工艺能够获得与传统贝氏体转变(CB)工艺相似抗拉强度(1043 MPa vs.1027 MPa),同时大幅提升了试样的塑性,其中断后伸长率从6.1%增加到11.5%,均匀伸长率从4.3%增加到7.6%。

添加TiB_2对SiC基复相陶瓷显微结构和力学性能的影响

以钇铝石榴石(YAG)为助烧剂,利用等离子放电烧结(SPS)制备SiC–TiB_2复相陶瓷。采用X射线衍射、扫描和透射电子显微镜、能量色散X射线能谱对材料物相及微观结构进行了表征。研究了SPS烧结温度及TiB_2的加入对材料微观结构尤其是晶界相形态和力学性能的影响。结果表明:虽然TiB_2的加入对材料致密化起到了一定的阻碍作用,但是促使晶界相从晶态向非晶态转变,提高了晶粒间结合强度,材料的力学性能得到提升。烧结温度为1 750℃制备的SiC–TiB_2陶瓷抗弯强度最高,为753 MPa,烧结温度为1 700℃制备的SiC–TiB_2陶瓷断裂韧性最高,为8.84 MPa·m^(1/2)。

回火时间对Fe-0.39C-3.69Mn中锰钢的组织和力学性能的影响

初始组织为片层珠光体的Fe-0.39C-3.69Mn(wt.%)钢板被快速加热到730℃保温90 s后淬火至室温,获得包含13.2%残余奥氏体的板条马氏体组织。借助SEM、TEM、XRD和单向拉伸力学测试等试验手段,研究了在200℃回火时不同保温时间对微观组织和力学性能的影响,特别是对残余奥氏体体积分数和稳定性的影响。结果表明,随回火时间的增加,过渡碳化物逐渐增多并粗化,残余奥氏体含量先减少后不变;硬度、强度和均匀伸长率均逐渐降低,但断后伸长率由于马氏体回复而有所增加。片状残余奥氏体由于富Mn而具有较高稳定性,在200℃长时间回火后基本不发生分解。回火15 min后获得最佳的综合力学性能,其屈服强度为1544 MPa,抗拉强度为2031 MPa,断后伸长率为10.1%。

淬火温度对非均质淬火-配分钢组织和性能的影响

采用以Mn配分珠光体为初始组织的快速淬火-配分工艺,研究了淬火温度对非均质淬火-配分钢的微观组织和力学性能的影响规律。结果表明,当高温奥氏体继承了珠光体中富Mn渗碳体和贫Mn铁素体中的Mn分布时,可在淬火后获得由富Mn片状残留奥氏体与贫Mn马氏体板条构成的鬼珠光体区域。随淬火温度的升高,高温奥氏体向马氏体转变的驱动力降低,导致鬼珠光体区域减少,块状残留奥氏体数量增多、且尺寸增大。由于鬼珠光体区域减少,马氏体板条的细晶强化效果减弱,造成屈服强度降低;块状残留奥氏体的增加,提供了更强烈的TRIP效应,同时改善了抗拉强度和均匀延伸率,但块状残留奥氏体形成的脆性马氏体降低了颈缩后的延伸率。由此可见,通过调控淬火温度,能够在保证高抗拉强度(约1600 MPa)和高断裂总延伸率(约20%)的基础上,实现对屈服强度和均匀延伸率的进一步调控。