金属-氢系统的第一性原理计算研究进展

金属-氢系统的研究是材料领域中非常重要的一个研究方向,对其进行深入系统的研究对于解决氢脆问题、明确过渡金属催化氢机理、发展储氢材料及热氢处理技术都具有重要作用.为明确金属-氢相互作用的微观机理,本文综述了基于第一性原理的金属-氢系统的研究现状,阐述了氢对金属的晶体结构、电子结构、力学性质的影响及其氢在金属表面及内部的吸附、扩散行为,指出了现有研究的局限性,并展望了未来第一性原理在金属-氢系统研究领域中的发展方向.

紫铜-碳钢磁脉冲焊接接头界面形貌研究

为探索紫铜-碳钢磁脉冲焊接(MPW)接头界面形貌等微观特征,本文进行了T2紫铜管和50#钢管的磁脉冲焊接试验,在电压11 k V、径向间隙2.2 mm、重叠面积比3/4的条件下,获得了T2铜管-50#钢管冶金连接接头.通过光学金相、SEM/EDS、显微硬度和纳米压痕试验,重点研究了接头界面形貌、基体元素扩散和硬度分布.结果表明:接头由未焊合区、波状界面结合区、平直界面结合区等特征区域构成,连接区长度达到5 mm;波状结合区界面波长约为60μm,波峰幅值高约20μm;平直界面结合区基体元素扩散区(过渡区)宽度约2μm,而在波状界面结合区,扩散区宽度可达6μm;接头铜侧硬度相对初始值提高50%,最高硬度值出现在靠近界面的50号钢侧,而界面硬度介于两种母材之间.

加载条件对内高压成形管件尺寸精度的影响

为了研究内高压成形管件横截面尺寸变化规律,获得管件横截面尺寸精度的调控方法,采用内高压成形实验研究了内压和合模力加载条件对低碳钢变径管直径尺寸精度的影响规律。结果表明:随着内压从60 MPa增加到210 MPa,变径管直径逐渐增加,卸压出模后管件发生0.045%~0.075%的回弹,当内压为150 MPa时,获得的管件直径尺寸精度最高。随着合模力增加,变径管水平方向的直径尺寸逐渐增大,竖直方向的直径尺寸逐渐减小,横截面不圆度增大,导致尺寸精度降低。因此,在内高压成形中,可通过增加模具尺寸或采用可变合模力加载以降低合模力对管件横截面尺寸精度的影响,也可通过控制内压使模具弹性变形量恰好等于管件回弹量,从而使管件最终直径尺寸等于设计值,以保证管件的横截面尺寸精度。

Fe代替V制备低成本钛合金:相体积分数的计算

钛合金因其优异的综合性能,如比强度高、耐热性强、耐腐蚀性能优异、低温性能好等特点,而被应用在航天、航空、航海等诸多领域,然而钛合金的高成本严重制约了其大规模的使用。本文以综合性能最好、使用最广泛的Ti-6Al-4V合金为基础,在使用廉价合金元素代替昂贵合金元素的思路下,设计了几组V、Fe元素含量不同的Ti-Al-V-Fe合金。借助稳定系数Kβ,分析钛合金中β相的稳定程度和β稳定元素的作用,通过理论推导的方法建立了合金淬火态和退火态的β元素临界晶胞系数的计算模型,并在此基础上确立了α相与β相的体积分数的计算方法,从而实现了对Ti-Al-V-Fe合金中相体积分数的理论计算。本文以Ti-6Al-3V-1Fe合金为例,首先对合金内α相与β相的体积分数分别做了理论计算,继而利用真空非自耗电弧熔炼炉制备了Ti-6Al-3V-1Fe合金的铸锭,取样并进行热处理,最终利用X射线衍射法测定了Ti-6Al-3V-1Fe合金淬火态和退火态α相与β相的实际体积分数。对比发现,实验测定的结果与理论计算的结果较为吻合,说明建立的模型用于预测α相与β相两相的体积分数是切实可行的。

Ti_(2)AlNb合金构件全流程模拟及组织-性能预测

金属构件的塑性加工不仅需要控制其形状尺寸,还要调控其微观组织和力学性能,以获得满足服役要求的产品。构件成形结束后,常需要通过热处理工艺调控其组织和性能,但由于成形过程中的变形参数影响其热处理前的微观组织,因此,也影响到其热处理过程的组织演变,进而影响构件的服役性能,导致热处理调控更加复杂。本文基于机器学习的方法,考虑变形参数对热处理的影响,建立了Ti_(2)AlNb合金构件高温成形过程微观组织和力学性能的预测模型,并与有限元模拟软件结合,建立了Ti_(2)AlNb合金构件成形-热处理的全流程模拟方法。本文通过该方法对Ti_(2)AlNb管材高温压制-时效处理工艺进行了全流程的模拟,模拟结果表明变形和热处理参数均会对成形构件的组织和力学性能产生影响。进而通过成形和热处理实验对模拟结果进行了验证,模拟结果与实验结果的一致性较好。说明通过该方法,可以实现构件成形-热处理全流程的模拟和组织-性能预测,可用于指导加工工艺的制定。

车身制造中的铝合金板热处理-冲压一体化技术

随着能源和环境问题日益严峻,对汽车轻量化的需求愈发强烈,高比强度铝合金板在车身中的应用成为重要发展方向.铝合金板在室温下较低的成形性促使人们将各种成形技术引入到汽车制造领域.本文简述了适用于铝合金板件小批量生产的超塑性成形和板材液压成形等特种成形技术,重点介绍了适用于铝合金构件大批量生产的热处理-冲压一体化技术,包括带中间退火-冲压一体化技术、温冲压、W态下冲压和热冲压,阐明了它们的发展历史和现状,指出铝合金板热处理-冲压一体化技术控形控性的关键,最后比较了不同技术的优缺点,并展望了铝合金板冲压技术未来应重点开展的工作.

热处理对Ti-6Al-2.5V-1.5Fe-0.15O合金组织及力学性能的影响

以真空非自耗电弧炉制备的低成本Ti-6Al-2.5V-1.5Fe-0.15O合金为对象,研究了不同冷却速率下固溶及时效温度对合金组织及性能的影响,发现固溶温度主要影响初生α相的含量.固溶冷却方式影响α的类型.单相区固溶时,初生α相消失,β晶粒内出现α片层集束,固溶淬火组织主要由残余未转变的β相以及针状的α';随着固溶温度的升高,针状马氏体α'相增多;两相区固溶后,时效组织均有固溶时产生的α相、时效α相以及残留的β相.时效温度较低时,α相形核能较低,元素扩散困难,需借助过饱和β相析出弥散相形核,因而针状α相细小而弥散;时效温度升高,α相形核以及长大驱动力大,时效α相易长大变粗.经固溶时效处理,合金强度随着温度升高先小幅升高后显著降低,塑性先增大后因晶界粗化以及粗片状α集束而降低.

TA15钛合金筒-锥复合曲母线构件旋压成形工艺研究

TA15钛合金作为一种高比强度结构材料具有良好的室温和高温强度、热稳定性能,广泛应用于飞机、导弹和发动机等飞行器,实现关键受力构件的减重要求.本文针对钛合金筒-锥复合曲母线构件的特点,重点开展了TA15钛合金薄壁曲母线构件热旋压成形技术的研究,采用剪切旋压预成形,强力旋压/普通旋压多道次复合旋压终成形的工艺方案,获得了成形质量较好的TA15钛合金筒-锥复合曲母线旋压件.建立了多道次曲母线构件的有限元模型,结合旋压实验解释了强旋/普旋复合成形过程中出现的典型缺陷产生机制.对热旋压过程坯料的显微组织观察分析发现,剪切旋压对显微组织具有一定程度的晶粒破碎作用,多道次强旋/普旋复合旋压成形后显微组织沿构件轴向和切向都发生伸长.经历剪切旋压和多道次强旋普旋复合旋压成形后,坯料的微观组织更加细化,且均匀性得到改善.TA15钛合金旋压成形工件的单向拉伸实验结果表明,相对于原始坯料旋压件强度明显提高,塑性略有下降.

Zr基块体非晶合金微通道阵列过冷液相区压印工艺

本文利用Zr_(41)Ti_(14)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)(Vit1)块体非晶合金对不同宽度的微通道阵列进行充填实验,并研究了形腔宽度、压印载荷与温度对微通道阵列充填高度的影响规律.实验结果表明,随着型腔宽度和压印载荷的增加,微通道充填高度逐渐上升.这就意味着较高的载荷和型腔宽度有利于Vit1块体非晶合金在微通道中了流动.成形温度由673 K上升至703 K时,微通道充填高度由9.1μm增加至46.6μm;然而,当实验温度达到713 K时,微通道阵列的充填高度急剧下降至26.9μm.XRD结果显示,在713 K下成形后的试样中存在大量亚稳态的晶化相,非晶基体中的晶化相会增大材料的流动阻力,从而降低其对微通道阵列的充填能力.因此,Vit1合金微通道阵列成形温度区间应控制在673~703 K.