梯度结构金属材料的制备方法和力学性能研究进展

金属结构材料是保障国防建设、航空航天和机械工程等领域快速发展的物质基础,向其中引入梯度组织可以使不同尺寸的结构单元相互协调作用,突破单一均质材料的性能短板,有效改善金属材料的综合服役性能。本文围绕近几年国内外梯度结构金属材料的相关研究和进展,首先介绍了梯度结构金属材料的制备方法和工艺原理,并总结了其优点与局限性;其次对梯度金属材料的微观组织结构进行了阐释,论述了梯度结构金属材料的服役性能特点,包括强度、塑性、摩擦磨损性能、疲劳损伤性能和耐腐蚀性能,提出了调控梯度结构金属材料服役性能的优化策略;最后对其未来研究方向和面临的挑战进行了展望。

纤维增强热塑性复合材料/金属连接界面调控研究进展

综述了纤维增强热塑性复合材料/金属界面连接机制和界面调控的国内外研究动态,涵盖粘附和机械结合两种机制。简要概述了粘附机制的主要结合力类型,探讨了粘附机制下连接界面轻度较差的原因;重点关注了机械方法、化学方法、金属表面增材处理和激光加工4类机械结合界面调控方法,其中化学方法的使用会对环境造成一定危害,且难以精确控制微结构的形貌尺寸。而金属表面增材制备微观结构的方法目前还存在难以实现完全锚固且易变形造成应力集中的问题。利用高能量密度激光对金属表面进行粗化、清洗以及引入化学基团,可以在毫米、微米和纳米等不同尺度下调控微结构形貌,对接头强度的改善效果远高于喷砂、喷丸、砂纸打磨、铣削加工等机械方法。同时,超快脉冲激光与材料相互作用时间极短,热影响小,能加工出跨尺度复合结构,相比于其他金属表面处理方式,超快激光表面处理能更大程度上提高接头强度。

纤维增强热塑性复合材料与金属连接技术的研究进展

纤维增强热塑性复合材料(FRTP)与金属的连接技术是多材料异质结构的关键制造技术。总结了纤维增强热塑性树脂基复合材料相对于传统金属材料的性能优势,分析了FRTP与金属连接技术的重要性和必要性,系统回顾了胶接、机械连接、混合连接和焊接四大类FRTP/金属连接技术的特点和发展,最后对未来FRTP/金属异质结构连接技术的发展、接头性能的改善提出了展望。

利用纳米压入加载曲线确定金属薄膜的屈服强度和硬化指数 Ⅱ.实验及验证

通过比较实测与计算所得整体材料纳米压入加载曲线及Berkovich压头的面积函数，对已建立的Berkovich压头绝对钝化量的确定方法进行了实验验证在此基础上，测定了蒸发恢制在Si单晶上三种不同膜厚Al膜的屈服强度和硬化指数，并与拉伸分离法获得的结果进行了比较结果表明，利用纳米压入加载曲线确定陶瓷基体上金属薄膜基本力学性能的方法是可行的．

循环变形提高SiC纤维增强铝基复合材料强度及塑性 I.实验现象

对ＳｉＣ纤维增强铝基复合材料经不同周次循环变形载荷后强度与塑性的测试表明．循环变形可使其强度、塑性均有所提高．经循环变形载荷作用１０周次、抗拉强度提高２０％；作用１００周次．强度提高３０％．塑性也有类似的变化．这一现象与传统疲劳损伤理论不一致．通过对基体材料、ＳｉＣ纤维体以及复合材料板的各自独立循环变形实验可知、这一现象同循环变形过程中纤维与基体的界面结合强度适度降低有关，这种降低有助于复合材料的强度与塑性的配合．

空蚀诱发相变对金属材料抗空蚀性能的影响

用旋转圆盘试验机研究了 4种金属材料的抗空蚀性能 ,结果表明 :亚稳态金属材料Fe -Mn-Si合金、Fe -Cr -Mn -Ni和Fe -Cr -Ni不锈钢空蚀中分别诱发了密排六方晶体结构马氏体和体心立方晶体结构马氏体 ,其抗空蚀性能依次分别为 0Cr13Ni5Mo不锈钢的 7 3倍、1 8倍和 1 6倍 ;空蚀诱发马氏体相变有助于提高材料的抗空蚀性能 ,并与空蚀过程中动态相变对应力的响应密切相关 ;马氏体相变及其逆转变引起的能量耗散和伪弹性大大提高了Fe -Mn -Si合金的抗空蚀性能 .

连接温度对W/Ni/Kovar真空扩散连接接头界面结构及结合强度的影响

以Ni箔为中间层材料,采用真空扩散连接方法进行W与Kovar合金的连接,研究了连接温度对W/Ni/Kovar接头界面结构和剪切强度的影响。结果表明:在520~1000℃范围内,利用真空扩散连接工艺均可成功制备出W/Ni/Kovar接头样品。随着连接温度的升高,Kovar/Ni界面与Ni/W界面的扩散层厚度逐渐增加,而接头剪切强度呈先上升后下降的趋势。当连接温度为800℃时,样品的接头剪切强度高达182 MPa,此时主要发生W块体的剪切断裂。

主动热防护技术及自发汗冷却材料的研究进展

热防护技术在航空航天等领域具有重要的应用,其中主动热防护技术通过在基体结构中外加冷却介质起到冷却效果,具有冷却效率高等优点。自发汗冷却技术是一种可实现“智能冷却”的新型主动热防护技术,本文对主动热防护技术及自发汗冷却材料进行简要介绍,对自发汗冷却材料的基体材料和冷却介质进行分类总结,并分析了自发汗冷却材料的发展趋势。

粉末锻造Al_(2)O_(3)颗粒增强Fe–Ni–Mo–C–Cu复合材料的组织与性能

通过粉末锻造技术制备了不同含量微米级Al_(2)O_(3)颗粒强化的Fe–Ni–Mo–C–Cu(Q61)复合材料,并对调质态和淬火态复合材料的组织和性能进行了研究。结果表明:当Al_(2)O_(3)质量分数为0.15%时,增强颗粒在基体内分布均匀;相较于同种状态下不添加增强颗粒的单一Q61,调质态复合材料的硬度从HRC 38增至HRC 39.8,屈服强度从1106 MPa增至1121 MPa,延伸率从12%降至6.5%;淬火态复合材料的硬度从HRC 61.5增至HRC 63.2,磨损率从5.27×10^(-6)mm^(3)·m^(-1)·N^(-1)降至3.08×10^(-6)mm^(3)·m^(-1)·N^(-1),低于对比试验用的典型齿轮材料40Cr的磨损率(3.34×10^(-6)mm^(3)·m^(-1)·N^(-1))。当Al_(2)O_(3)质量分数大于0.15%时,Al_(2)O_(3)颗粒逐渐偏聚,虽然调质态下复合材料屈服强度仍继续小幅增加,但塑性严重退化,且淬火态复合材料磨损率增加,耐磨性变差。综合来看,添加0.15%Al_(2)O_(3)颗粒强化Q61复合材料在调质态下具有较高的综合力学性能,而在淬火态下表现出良好的抗摩擦磨损能力。

TA4/Q235层状复合材料激光穿透焊研究

为解决钛/钢层状金属在熔焊过程中易产生脆性金属间化合物而导致接头出现裂纹、难以实现可靠连接的难题,对TA4和Q235层状复合材料的激光穿透焊接进行工艺探索,并添加T2紫铜作为中间层进行工艺优化。结果显示,在合适的工艺参数下,TA4/Q235激光穿透焊接接头呈酒杯状,焊缝上下部分出现明显的元素交换,引发裂纹缺陷;引入Cu作为中间层后,得到的Ti-Cu-Fe焊接接头成形良好。能谱分析结果表明,添加Cu可有效阻隔Ti、Fe的直接接触,避免了脆性金属间化合物的产生,焊缝晶粒在一定程度上得以细化且开裂现象明显减少,从而改善了TA4/Q235的焊接性;激光穿透焊接的最佳参数为激光功率3 000 W,线速度2.0 m/min。研究结果对Ti/Fe复合板在航空航天、石油化工等领域的应用有积极的探索作用,具有重要的工程应用前景。

线光斑激光熔覆Ni-Al金属间化合物工艺及组织研究

为了提高P92钢的耐高温氧化性能,采用线光斑在P92钢基体表面激光熔覆Ni-Al金属间化合物,对熔覆工艺参数进行了筛选,并对试样的组织形貌和成份进行了分析。结果表明,在筛选后的熔覆工艺下试样熔覆层未发现裂纹,无开裂倾向;P92钢基体熔化较少,基体中Fe元素扩散至顶部含量不到5%,熔覆层中主要物相为Ni3Al和NiAl,熔覆层顶部至基体部分的显微组织由等轴晶向树枝晶、柱状晶和平面晶转变。当激光功率1 800 W、扫描速度2 m/min、送粉速度为17 r/min、送粉气流量为8 L/min时,可以减少基体熔化和Fe元素扩散,从而对解决激光熔覆时Ni-Al金属间化合物熔覆层开裂、钢基体中Fe元素扩散问题提供了思路。

基于冷烧结技术的陶瓷-聚合物复合材料研究进展

传统的陶瓷烧结一般需要1000℃以上的高温,烧结周期长、能耗高。高温会对界面控制、物相稳定、材料共烧等产生不利影响,因此,很难以聚合物为填料实现陶瓷-聚合物复合材料的共烧。冷烧结技术通过引入中间液相溶解-沉淀过程,实现了在≤300℃时陶瓷的快速致密化,有效解决了陶瓷与聚合物的共烧问题。从冷烧结技术的发展概况出发,介绍了冷烧结工艺及致密化机制,详细阐述了冷烧结技术在陶瓷-聚合物复合材料中的应用及发展情况,包括微波介质材料、铁电材料、锂离子电池、压敏材料、半导体材料和热电材料,并分析了冷烧结技术目前待解决的问题,对冷烧结技术的未来发展做出展望。

颗粒增强金属基复合材料的屈服行为

运用空间轴对称弹塑性有限元方法和混合律模型、给出了应力应变分配系数与复合材料的弹性模量、屈服强度以及切线模量之间的定量关系式、并由此提出了一种新的定义颗粒增强金属基复合材料比例极限和屈服行为的方法、进而研究了颗粒形状（球体 正圆柱体以及椭球体）和材料结构参数（颗粒体积分数和颗粒根间距）对颗粒增强金属基复合材料拉伸变形行为的影响．研究表明，通过研究应力应变分配系数及其二阶导数来确定复合材料屈服行为的方法不仅适用于短纤维增强金属基复合材料．而且也适用于颗粒增强金属基复合材料．该方法可以较好地反映出颗粒形状和材料结构参数对复合材料屈服行为的影响．

测定金属薄膜屈服强度的纳米压入法研究

利用有限元数值分析方法，对球形刚性压头压入由金属膜与硅基体组成的膜-基体系的加载过程进行了模拟计算．建立了薄膜硬化指数同载荷-位移曲线的特征值，屈服强度、硬化指数及杨氏模量同最大压入载荷间的关系．据此，可由纳米压入仪实测所得载荷-位移曲线的特征值与最大压入载荷，确定金属薄膜材料的应变硬化指数和屈服强度．

强度错配双层金属板垂直界面裂纹疲劳扩展行为

采用四点弯曲试样对爆炸焊接奥氏体不锈钢／低碳锅炉钢（１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ／２０Ｇ）层合板垂直界面裂纹的疲劳扩展行为进行了研究 结果表明：由于强度错配，裂纹起始于高强度材料一侧时其疲劳扩展速率提高，而起始于低强度材料一侧时其疲劳扩展速率降低；但当裂纹尖端接近界面时，界面的存在对于上述两种情况下疲劳裂纹的扩展均起到了一定的屏蔽减速作用，只是其屏蔽效应的作用范围有所不同；在不发生偏折分叉的情况下，不论裂纹起始于层合板的哪一侧，只要外加载荷足够大，裂纹均能穿过界面．同时，对于试样尺寸及其导致的裂尖应力τ对于裂纹的扩展路径和在界面处行为的影响也进行了讨论和分析．

Cu-Cr纳米金属多层膜屈服强度/硬度的尺寸依赖性

采用磁控溅射方法分别在聚酰亚胺基体以及单晶硅基体上制备恒定调制比(η)以及恒定调制周期(λ)的Cu-Cr纳米金属多层膜;通过单轴拉伸试验以及纳米压痕试验系统研究Cu-Cr多层膜屈服强度及硬度的尺度依赖性。微观分析结果表明:基体对多层膜的微观结构无影响,Cu-Cr多层膜在生长方向上均呈现Kurdjumov-Sachs取向关系,即{111}Cu//{110}Cr和-110-Cu//-111-Cr。力学测试结果表明:调制比恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度及硬度随调制周期的缩短而增加;调制周期恒定的Cu-Cr多层膜的屈服强度/硬度随调制比的增加而增加。Cu-Cr多层膜变形机制在临界调制周期(λc≈25 nm)和临界调制比(ηc≈1)由Cu层内单根位错滑移转变为负载效应。

层状金属复合材料激光穿透共熔池焊接研究

介绍了一种适用于层状金属复合材料的高效连接技术。在激光穿透焊接时,熔池中液态金属会受到横向温度梯度引起的表面张力和穿透匙孔中喷射蒸汽摩擦力的共同作用而产生上下两个相对独立的涡流,这一现象会使熔池中上部和下部金属保持相对独立,从而促成焊缝金属的上下层状分布特征,利用这一现象,提出了层状金属复合材料的单道激光穿透共熔池高效焊接技术。利用该技术,成功实现了X65/DSS2205双金属层状复合材料的对接焊,焊接接头组织和成分分析结果表明,焊缝组织上部和下部具有明显的差异性和独立特征,焊缝上下部的合金元素发生了相对较小的流动交换,优化的工艺条件可使复层焊缝金属的稀释率小于3%,使得复合板上层焊缝和下层焊缝金属达到了最大的相对独立性。

循环变形提高SiC纤维增强铝基复合材料强度及塑性 Ⅱ.理论分析

采用断裂力学方法获得了纤维增强复合材料强度与脱粘长度、纤维临界长度以及纤维体积分数的定量关系 该公式较好地预测了纤维的临界长度以及强度与纤维体积分数的关系．并再现了复合材料混合定则．该公式也较好地解释了丝状复合材料强度随短期循环变形载荷与周次增加而增加的现象．其原因是在循环变形中、纤维与基体界面结合强度发生变化．导致纤维临界长度与脱粘长度发生变化、从血使复合材料强度增加、但这种增加是有限的和有范围的，循环变形的发展最终导致强度下降．

亚稳态材料的混合物强度法则新模型

对变形过程中产生马氏体相变的亚稳态材料,通过修正Olson模型提出了一个新的模型定义为混合物交互作用强度法则.新模型一方面利用奥氏体、马氏体的幂乘硬化曲线取代直线假定;另一方面考虑了基体与转变相的交互作用,增加了交互作用项,(ε),得出的混合物强度法则新模型为σ=σc-I(ε),其中,I(ε)=74.4(df/dε)-55.6.利用新模型计算得到的理论值与实验值符合得相当好.

单纤维复合材料模型试样阻尼实验研究

本文首次采用单纤维增强的铝基丝状复合材料定量化地研究了复合材料界面的阻尼行为.对所采用的三种金属纤维复合试样的研究表明,复合材料对于应变幅的非线性变化来自纤维与基体界面,与基体组织特性无关.该结果对复合材料阻尼特性的设计具有参考意义.