深过冷Co-B合金外源触发形核行为及组织研究

合金的形核机制及其控制方法是凝固理论的重要研究领域之一。触发形核方式可自主控制形核过冷度,对研究形核理论及组织演变具有极大帮助。但熔体具有亚稳性,在实际处理时,外源性杂质引入熔体后将作为触发形核异质点,改变过冷度ΔT和再辉度ΔT_(R),显著影响后续凝固行为,该种现象更为普遍。本文通过玻璃包覆结合循环过热过冷方式,获得两类不同形核模式凝固的Co_(80)B_(20)合金。自发形核模式下,ΔT及ΔT_(R)分别为280和199 K,组织组成为Co/Co_(3)B细小规则共晶。外源性触发形核模式下,ΔT和ΔT_(R)降至122和21 K。组织转变为初生Co枝晶及晶间的Co_(23)B_(6)基体相。外源性杂质将降低f(θ),减小临界形核半径,降低ΔT,使得组织更加不均匀,在实际的熔体处理过程中应予以控制。

计算材料学在摩擦学课程教学中的改革与实践

摩擦学专业人才培养是发展高端特种装备的重要抓手,摩擦学课程教学是摩擦学专业研究生培养体系中的关键环节。摩擦学作为一门涉及物理、化学、材料等多学科交叉的综合学科,仅通过传统照本宣科的教学方法很难实现摩擦学专业人才培养的目的。本研究通过将计算材料学应用到摩擦学课程教学中,结合课程特点和研究生具体方向,以研究生科研能力培养为导向,优化教学内容,构建“三位一体”的教学模式,建立新型的多元化课程考核体系,极大增强了学生的创新意识与学习兴趣,提升了学生的综合素养。

多主元合金过冷快速凝固研究进展

颠覆传统合金设计理念的多主元合金由于其优异的强塑性匹配、耐腐蚀、耐辐照、耐磨损等性能受到了极大的关注,为开发具有特殊性能的新型金属材料提供了广阔思路。金属材料凝固过程的主动控制及其组织调控是保证和优化合金性能的重要一环,而过冷快速凝固是明晰合金生长动力学行为与组织转变机制、发展合金凝固控制理论的有效手段。本文主要论述了目前过冷多主元合金的枝晶生长动力学、非平衡凝固组织与其性能关联性的研究进展,并在此基础上对多主元合金过冷快速凝固的未来研究方向和挑战进行了展望。

航空发动机用摩擦副CrMo铸铁/38CrMoAlA瞬态磨损-摩擦热耦合仿真分析

为探究航空发动机用摩擦副CrMo铸铁/38CrMoAlA的摩擦磨损特性,利用ANSYS有限元软件建立了面-面接触的摩擦副模型,开展了瞬态磨损-摩擦热耦合仿真分析,阐明了摩擦副的磨损性能演化规律。仿真计算发现,静环-CrMo铸铁摩擦面的外径侧温度和体积磨损量较高。接触压力对摩擦应力的影响更为显著,在接触压力为0.02~0.10 MPa,摩擦线速度10~30 m/s时,体积磨损量随接触压力的增大而增大,随摩擦线速度的增大而减小。体积磨损率的计算值与实验值有相同的变化规律,且数值差异较小,说明磨损模型能较好预测摩擦副的磨损情况。

因瓦合金纳米抛光材料去除机理的分子动力学模拟

因瓦合金作为一种独特的低膨胀材料已广泛用于航空航天等高科技领域,但目前还鲜有对其超精密加工理论和技术的研究,而纳米抛光是因瓦合金超精密加工的一种重要手段。针对纳米抛光过程中因瓦合金的材料去除机理,基于分子动力学模拟研究抛光速度对材料去除效率、亚表面损伤和抛光表面平整度的影响。通过对磨屑、能量、抛光力、位错运动等方面的分析揭示因瓦合金的变形损伤机制。研究结果表明:材料去除效率随着抛光速度将达到一个临界值,当抛光速度低于100 m/s时,磨削热促使位错形核,亚表面损伤厚度增加;当抛光速度高于100 m/s时,应变速率急剧增大导致位错运动受限,使得亚表面损伤厚度得以降低。为实现因瓦合金高效率和低损伤加工机制提供理论依据和技术支持。

NbMoWTa/Ag自润滑纳米多层膜的力学性能及摩擦学行为

为提高高熵合金薄膜NbMoWTa的耐磨减摩性能,采用磁控溅射技术在Si基体上制备具有不同调制波长的NbMoWTa/Ag纳米多层膜,利用XRD、SEM和TEM等对纳米多层膜进行表征,分析其硬度和摩擦学性能。结果表明不同调制周期结构的纳米多层膜结晶性良好。多层膜硬度随着单层膜厚度(100~5 nm)的降低而增加(5.62~8.39 GPa),在单层膜厚度减小到20 nm时,其塑性变形机制由位错在界面处的堆积机制转变为位错穿越界面运动机制;在尺寸小于10 nm时,多层膜的硬度接近于高熵合金NbMoWTa单质膜(10.93 GPa),这可能由随着单层厚度的降低引起NbMoWTa膜与Ag膜之间界面由半共格向共格转变所引起。同时,通过摩擦磨损试验获得纯NbMoWTa薄膜的摩擦因数为0.49,磨损率为1.75×10^(-5) mm^(3)N^(-1)m^(-1);单层膜厚度为5 nm的多层膜的摩擦因数为0.23,磨损率为2.19×10^(-5) mm^(3)N^(-1)m^(-1)。在NbMoWTa中添加50%的Ag制备而成的纳米多层膜有共格强化效应,保证了其高硬度高强度的同时,由多层设计实现了耐磨和自润滑的协同控制。

强磁场下Ni-Co-Mn-Sn合金近平衡凝固的组织调控

利用先进材料处理技术持续优化Ni-Mn-Co-Sn记忆合金(Heusler合金)性能是智能材料领域的研究热点,其磁控记忆性能和机械性能的协同提升强烈依赖于合金凝固得到的微观结构。本文探究了磁场强度对Ni42Co8Mn39Sn11合金近平衡条件下凝固组织演变的影响规律。结果表明,在无磁场条件下,合金凝固组织主要由D03型粗大枝晶及L21枝晶间Heusler相组成,在枝晶间上还析出蠕虫状γ相,其中γ相富Co贫Sn,D03相富Sn贫Co,L21相的成分接近名义配比;D03结构由L21结构产生的成分偏析区域形成,析出γ相并非低温下L21相的固态反应得到。施加10 T强磁场后,合金的相组成、成分及其形貌未发生明显变化,各相间由于热流作用大于磁场引起的取向排列作用而未产生明显择优分布特征,但因偏析产生的D03相含量减少,L21相含量增加,这与强磁场促进Heusler相元素分布均匀化,减少偏析有关。

深冷处理温度对Cr12MoV合金钢表面硬度与耐磨性的影响

淬硬模具钢Cr12MoV因硬度、强度高以及淬透性好等特点在大尺寸模具制造中被广泛应用,但在高循环应力和大冲击载荷的服役工况下,其耐磨性有待进一步提高。热处理可以在不改变材料成分的基础上通过改变内部组织来改善材料的强度、硬度和耐磨性,进而提升其使用性能。本论文研究了深冷处理温度对Cr12MoV合金硬度和摩擦学性能的影响。结果表明,Cr12MoV合金经过深冷处理之后,表面硬度较未深冷处理试样高1~2个HRC,并且-65℃深冷处理之后摩擦系数从0.7下降至0.59,-196℃深冷处理之后摩擦系数进一步下降至0.54,磨损体积降低了五倍,而合金在不同温度下深冷处理之后表面硬度和磨损体积变化不大,从原子力显微镜观察到-196℃深冷处理的样品表面有更细小、弥散的物相析出。结合相关理论阐述了深冷处理的作用机制,为Cr12MoV合金的生产和应用提供理论指导。

Si-Al固溶对Ti_(3)AlC_(2)陶瓷300℃干摩擦行为的影响

利用元素粉体热压烧结工艺制备了具有不同Si固溶含量的系列Ti_(3)Al_(1-x)Si_(x)C_(2)(x=0.2、0.4、0.6)陶瓷材料,采用X射线衍射技术及Rietveld结构精修对所得产物的结构及相组成进行了分析,利用共聚焦显微镜、扫描电子显微镜研究了产物的表面形貌和晶粒结构,使用球-盘型摩擦实验机评估了材料的干摩擦行为。结果表明,Si的引入极大细化了Ti_(3)Al_(1-x)Si_(x)C_(2)陶瓷的晶粒,并降低其相纯度。随着Si加入量的增加,大量Ti_5Si_3和Ti C杂相出现,Ti_(3)Al_(1-x)Si_(x)C_(2)陶瓷的硬度逐步提升。而当Si加入量为0.4时,所得Ti_(3)Al_(0.6)Si_(0.4)C_(2)陶瓷表现出了最低的摩擦系数(COF),为0.27,抗磨减摩效果最好。

微纳结构对阳极氧化铝超滑表面长期耐蚀性的影响机制研究

通过调控Al的阳极氧化工艺并填充润滑油,制备了3种不同微纳结构的超滑表面。采用扫描电子显微镜(SEM)、接触角测量、电化学阻抗谱(EIS)测试和计算模拟等方法研究了阳极氧化铝(AAO)微纳结构对超滑表面疏水性、耐蚀性和稳定性的影响。结果表明,相比于纳米孔和纳米扩孔结构,纳米线结构超滑表面在模拟海水中持续浸泡240 d后的EIS阻抗模值(|Z|_(0.01 Hz))仍稳定在108Ω·cm^(2)。理论分析显示,纳米线结构可储存更多的润滑油,并且致密线结构的阻拦效应及其与润滑油高的相互作用能显著减缓润滑油的流失,因而纳米线结构超滑表面表现出极为优异的耐蚀稳定性。

碳化硅纳米抛光亚表面损伤机理的分子动力学模拟

碳化硅(SiC)在表面微纳加工过程中损伤机理的研究不足限制了SiC的加工表面质量及应用,因此了解不同抛光参数下SiC的损伤机理对提高SiC的纳米加工表面质量具有重要意义。采用分子动力学模拟研究了单晶SiC在纳米抛光过程中的亚表面损伤机理,并考虑了抛光速度和抛光深度的影响。结果表明,随着抛光深度的增加,SiC的去除机制逐渐由以黏附和犁沟机制为主转变为以切削机制为主。微裂纹通过滑移面层间Si-Si键的断裂形成于滑移带尖端。此外,抛光深度越大,工件吸收动能的效率越高,从而导致抛光速度对工件温度和力学性能的影响越显著。因此较小的抛光深度和较大的抛光速度可以获得更好的表面加工质量。这些结果为解释SiC纳米抛光实验中的变形损伤机理提供了新的见解,可以指导设计纳米抛光工艺以获得更好的SiC表面质量。