2020年第49卷第12期文章目次
2020, 49(12):4005-4009.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190108
摘要:
随着纳米压痕技术的进步，越来越多的数据表明纳米压痕中发生的位移突变现象不是完美晶格均质形核过程而是借助于空位的异质位错形核过程。但是这个结论主要基于通过纳米压痕力学统计模型提取的激活能和激活体积这两个参数确立的，而并未有实验直接验证位移突变或位错形核与空位之间的关联。根据先前对高熵合金的纳米压痕研究，本文通过巧妙设计的纳米压痕实验来验证这种关联性。实验发现，当施加的载荷保持在亚临界水平一段时间后，依然可以观察到位移突变；而且，位移突变的大小（位移突变结束和开始时刻的位移差）与纳米压痕的压头尺寸成正比。位移突变对时间和压头尺寸的依赖性可以通过空位的特性得到合理的解释：第一，空位在任何载荷水平下都会发生迁移，而且需要一定时间形成空位堆作为位错的形核中心；第二，空位数量与压头作用区域的体积成正比，而这个体积又与压头尺寸成正比，另一方面，空位数量又决定了位错形核的数量进而解释了位移突变尺寸与压头尺寸成正比的现象。这也就从实验上直接印证了空位在位移突变或位错形核的过程扮演着重要的角色。
随着纳米压痕技术的进步，越来越多的数据表明纳米压痕中发生的位移突变现象不是完美晶格均质形核过程而是借助于空位的异质位错形核过程。但是这个结论主要基于通过纳米压痕力学统计模型提取的激活能和激活体积这两个参数确立的，而并未有实验直接验证位移突变或位错形核与空位之间的关联。根据先前对高熵合金的纳米压痕研究，本文通过巧妙设计的纳米压痕实验来验证这种关联性。实验发现，当施加的载荷保持在亚临界水平一段时间后，依然可以观察到位移突变；而且，位移突变的大小（位移突变结束和开始时刻的位移差）与纳米压痕的压头尺寸成正比。位移突变对时间和压头尺寸的依赖性可以通过空位的特性得到合理的解释：第一，空位在任何载荷水平下都会发生迁移，而且需要一定时间形成空位堆作为位错的形核中心；第二，空位数量与压头作用区域的体积成正比，而这个体积又与压头尺寸成正比，另一方面，空位数量又决定了位错形核的数量进而解释了位移突变尺寸与压头尺寸成正比的现象。这也就从实验上直接印证了空位在位移突变或位错形核的过程扮演着重要的角色。
2020, 49(12):4010-4015.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190964
摘要:
针对钛合金板材塑性变形能力差的问题,进行了超声振动辅助成形工艺的研究,分析超声振动对钛合金TA2板材力学性能及与接触面之间摩擦系数的影响。在此基础上进行了不同宽长比坯料的超声振动辅助胀形实验,分析超声振动对TA2板材胀形力、极限胀形高度的影响。同时,基于网格应变原理,通过不同宽长比坯料极限应变的测量,建立TA2板材的成形极限图。研究结果表明,选择合适的超声振动辅助成形工艺参数, 不仅可以提高TA2板材变形能力,还可以减小摩擦对板材成形性能的影响,从而有效提高了TA2板材的成形极限。
针对钛合金板材塑性变形能力差的问题,进行了超声振动辅助成形工艺的研究,分析超声振动对钛合金TA2板材力学性能及与接触面之间摩擦系数的影响。在此基础上进行了不同宽长比坯料的超声振动辅助胀形实验,分析超声振动对TA2板材胀形力、极限胀形高度的影响。同时,基于网格应变原理,通过不同宽长比坯料极限应变的测量,建立TA2板材的成形极限图。研究结果表明,选择合适的超声振动辅助成形工艺参数, 不仅可以提高TA2板材变形能力,还可以减小摩擦对板材成形性能的影响,从而有效提高了TA2板材的成形极限。
2020, 49(12):4016-4022.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200305
摘要:
利用脉冲电磁耦合处理设备对WC-8Co硬质合金进行强化处理。通过测试WC-8Co力学及摩擦性能，再利用采集到车削试验中的切削力、温度及后刀面磨损量信号对干车削Ti6Al4V的切削行为进行了分析。最后采用SEM和EDS对WC-8Co硬质合金进行观测与分析得出脉冲电磁耦合处理前后WC-8Co硬质合金干车削Ti6Al4V切削机理。结果表明：脉冲电磁耦合处理能提升刀具耐用度，降低切削温度及刀具后刀面氧化磨损。
利用脉冲电磁耦合处理设备对WC-8Co硬质合金进行强化处理。通过测试WC-8Co力学及摩擦性能，再利用采集到车削试验中的切削力、温度及后刀面磨损量信号对干车削Ti6Al4V的切削行为进行了分析。最后采用SEM和EDS对WC-8Co硬质合金进行观测与分析得出脉冲电磁耦合处理前后WC-8Co硬质合金干车削Ti6Al4V切削机理。结果表明：脉冲电磁耦合处理能提升刀具耐用度，降低切削温度及刀具后刀面氧化磨损。
2020, 49(12):4023-4030.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190948
摘要:
本文采用射频等离子体球化法制备的球形钽粉进行选区激光熔化(SLM)成形致密化研究。通过工艺参数优化,在扫描速度为650 mm/s和激光能量为240 W条件下,获得了完全致密的钽样件。由于原始粉末具有较高的流动性,激光成形钽样件表现出较好的成形性能和表面质量。微观组织表征结果显示,样件顶面和侧面分别呈现等轴晶和柱状晶。EBSD结果表明,在制造方向呈现<111>择优取向。最高显微硬度和抗拉强度分别达到296.2 Hv和697 MPa,致密样件的延伸率也显著提高到28.5%。
本文采用射频等离子体球化法制备的球形钽粉进行选区激光熔化(SLM)成形致密化研究。通过工艺参数优化,在扫描速度为650 mm/s和激光能量为240 W条件下,获得了完全致密的钽样件。由于原始粉末具有较高的流动性,激光成形钽样件表现出较好的成形性能和表面质量。微观组织表征结果显示,样件顶面和侧面分别呈现等轴晶和柱状晶。EBSD结果表明,在制造方向呈现<111>择优取向。最高显微硬度和抗拉强度分别达到296.2 Hv和697 MPa,致密样件的延伸率也显著提高到28.5%。
2020, 49(12):4031-4040.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200256
摘要:
利用光学显微镜（OM）、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和金属摆锤试验机等观察和分析激光选区熔化316L不锈钢的物相、织构、微观组织及冲击韧性各向异性。结果表明：激光选区熔化成形316L不锈钢的组织和冲击韧性存在着明显的各向异性。垂直和平行于构建方向试样的物相均为γ-Fe相，垂直于构建方向的组织呈“棋盘状”形貌，晶粒大多数为等轴晶且晶粒得到了细化(dmean=9.177μm)，尤其熔池搭接区域晶粒更加细小(6μm以下)，平行于构建方向上小角度晶界数目较多，而平行于构建方向为“鱼鳞状”形貌，大多数为柱状晶，晶粒直径较大(dmean=21.247μm)。同时垂直于构建方向织构为强纤维织构< 110 >//RD（强度为7.83）和弱板织构{112}<110>，而平行于构建方向为强纤维织构< 110 >//RD（强度为12.23）。在致密度相同条件下，横向、纵向的冲击韧性分别为62.8±3.2，38.6±4.5，横向明显优于纵向且提高了62.69%。此外晶粒大小、大小角度晶界和织构类型对冲击韧性各向异性有着显著影响，垂直于构建方向的晶粒得到了细化，大角度晶界数目多，韧性较好；纤维织构< 110 >//RD对冲击韧性不利，而板织构{112}<110>有利于韧性，垂直于构建方向的{112}<110>织构强度低且存在弱{112}<110>织构，横向韧性较好。
利用光学显微镜（OM）、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和金属摆锤试验机等观察和分析激光选区熔化316L不锈钢的物相、织构、微观组织及冲击韧性各向异性。结果表明：激光选区熔化成形316L不锈钢的组织和冲击韧性存在着明显的各向异性。垂直和平行于构建方向试样的物相均为γ-Fe相，垂直于构建方向的组织呈“棋盘状”形貌，晶粒大多数为等轴晶且晶粒得到了细化(dmean=9.177μm)，尤其熔池搭接区域晶粒更加细小(6μm以下)，平行于构建方向上小角度晶界数目较多，而平行于构建方向为“鱼鳞状”形貌，大多数为柱状晶，晶粒直径较大(dmean=21.247μm)。同时垂直于构建方向织构为强纤维织构< 110 >//RD（强度为7.83）和弱板织构{112}<110>，而平行于构建方向为强纤维织构< 110 >//RD（强度为12.23）。在致密度相同条件下，横向、纵向的冲击韧性分别为62.8±3.2，38.6±4.5，横向明显优于纵向且提高了62.69%。此外晶粒大小、大小角度晶界和织构类型对冲击韧性各向异性有着显著影响，垂直于构建方向的晶粒得到了细化，大角度晶界数目多，韧性较好；纤维织构< 110 >//RD对冲击韧性不利，而板织构{112}<110>有利于韧性，垂直于构建方向的{112}<110>织构强度低且存在弱{112}<110>织构，横向韧性较好。
2020, 49(12):4041-4049.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190966
摘要:
回转角是三辊式冷轧无缝管材过程中的关键工艺参数,本文以冷轧AZ31镁合金管材为研究对象,通过对不同回转角下的冷轧过程进行了完整的仿真,对比分析了不同回转角在各特征变形段对等效应力、等效塑性应变及节点温度的影响规律,结果表明随着回转角的增大,等效应力、等效塑性应变以及节点温度均增大。借助元胞自动机模型以及实验等手段,通过实验与数值仿真结果对比分析,探明了晶粒在轧制过程中产生连续再结晶并细化的初步组织演变规律,获得了50°的回转角可以更好的满足工艺要求,为镁合金管材冷轧成形回转角的选择提供依据。
回转角是三辊式冷轧无缝管材过程中的关键工艺参数,本文以冷轧AZ31镁合金管材为研究对象,通过对不同回转角下的冷轧过程进行了完整的仿真,对比分析了不同回转角在各特征变形段对等效应力、等效塑性应变及节点温度的影响规律,结果表明随着回转角的增大,等效应力、等效塑性应变以及节点温度均增大。借助元胞自动机模型以及实验等手段,通过实验与数值仿真结果对比分析,探明了晶粒在轧制过程中产生连续再结晶并细化的初步组织演变规律,获得了50°的回转角可以更好的满足工艺要求,为镁合金管材冷轧成形回转角的选择提供依据。
2020, 49(12):4050-4054.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190916
摘要:
本研究提供了一种采用搅拌摩擦加工（FSP）制备NiTi颗粒增强WE43镁基复合材料的有效手段。采用SEM结合EDS对FSP试样的微观结构进行了研究，采用XRD进行了物相分析。结果表明，制备的复合材料具有形状记忆效应。较低的加工温度有效地阻止了NiTi颗粒与Mg基体在FSP过程中的界面反应。无论粒径大小，在FSP后，NiTi颗粒都均匀分布在Mg基体中。此外，与Mg基体相比，NiTi/WE43复合材料的屈服强度、极限拉伸强度和延伸率分别降低了33%、12%和18%。随着加入的NiTi颗粒尺寸的增大，该复合材料拉伸强度和延伸率均降低。复合材料的失效机理是颗粒之间的界面开裂以及增强颗粒的断裂。
本研究提供了一种采用搅拌摩擦加工（FSP）制备NiTi颗粒增强WE43镁基复合材料的有效手段。采用SEM结合EDS对FSP试样的微观结构进行了研究，采用XRD进行了物相分析。结果表明，制备的复合材料具有形状记忆效应。较低的加工温度有效地阻止了NiTi颗粒与Mg基体在FSP过程中的界面反应。无论粒径大小，在FSP后，NiTi颗粒都均匀分布在Mg基体中。此外，与Mg基体相比，NiTi/WE43复合材料的屈服强度、极限拉伸强度和延伸率分别降低了33%、12%和18%。随着加入的NiTi颗粒尺寸的增大，该复合材料拉伸强度和延伸率均降低。复合材料的失效机理是颗粒之间的界面开裂以及增强颗粒的断裂。
2020, 49(12):4055-4063.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190970
摘要:
本文采用场发射高分辨扫描电子显微镜，差示扫描量热仪，X射线衍射仪等先进设备研究了微量Ti元素对7050铝合金铸轧薄板裂纹形成的影响规律和调控机理，结果表明：微量的Ti可以显著细化铸轧板的晶粒组织，改变晶粒生长方式，改善合金的流动性，使铸轧组织更加致密，消除合金内局部应力集中，抑制铸轧裂纹出现。而且，适量Ti元素还可以缩短铸轧7050铝合金的固液相线区间，减小晶核凝固前沿温度梯度，有效抑制成分偏析，从而降低晶界低熔点化合物数量，减少粗大第二相的产生，从而大幅增强铸轧铝合金的抗热裂能力。当7050铸轧板中Ti含量达到0.2%时，Ti对铸轧板裂纹的抑制作用最佳，而过量的Ti元素会聚集形成大块的含Ti脆性相，反而破坏组织的致密性，促进裂纹的萌生。
本文采用场发射高分辨扫描电子显微镜，差示扫描量热仪，X射线衍射仪等先进设备研究了微量Ti元素对7050铝合金铸轧薄板裂纹形成的影响规律和调控机理，结果表明：微量的Ti可以显著细化铸轧板的晶粒组织，改变晶粒生长方式，改善合金的流动性，使铸轧组织更加致密，消除合金内局部应力集中，抑制铸轧裂纹出现。而且，适量Ti元素还可以缩短铸轧7050铝合金的固液相线区间，减小晶核凝固前沿温度梯度，有效抑制成分偏析，从而降低晶界低熔点化合物数量，减少粗大第二相的产生，从而大幅增强铸轧铝合金的抗热裂能力。当7050铸轧板中Ti含量达到0.2%时，Ti对铸轧板裂纹的抑制作用最佳，而过量的Ti元素会聚集形成大块的含Ti脆性相，反而破坏组织的致密性，促进裂纹的萌生。
2020, 49(12):4064-4071.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200298
摘要:
本文研究了五种不同Zn含量的铸轧Al-Zn-Mg-Cu合金（3.5 wt %，5 wt %，6.5 wt %，8 wt %和10 wt %，分别标记为Zn3.5，Zn5，Zn6.5，Zn8和Zn10）的宏观裂纹和微观组织。研究结果表明，Zn含量由10 wt %减少至5 wt %时，铸轧条带的宏观裂纹数量明显降低；但当Zn含量由5 wt %减少至3.5 wt %时，裂纹数量减少十分有限。铸轧条带显微组织从表层到中心呈柱状晶向等轴晶的转变。随着Zn含量的增加，铸轧板中心低熔点共晶相偏聚带变宽，粗大非平衡共晶相数量增多，偏析加重。在高Zn含量（10 wt %）的铸轧条带组织中有明显的孔洞存在。
本文研究了五种不同Zn含量的铸轧Al-Zn-Mg-Cu合金（3.5 wt %，5 wt %，6.5 wt %，8 wt %和10 wt %，分别标记为Zn3.5，Zn5，Zn6.5，Zn8和Zn10）的宏观裂纹和微观组织。研究结果表明，Zn含量由10 wt %减少至5 wt %时，铸轧条带的宏观裂纹数量明显降低；但当Zn含量由5 wt %减少至3.5 wt %时，裂纹数量减少十分有限。铸轧条带显微组织从表层到中心呈柱状晶向等轴晶的转变。随着Zn含量的增加，铸轧板中心低熔点共晶相偏聚带变宽，粗大非平衡共晶相数量增多，偏析加重。在高Zn含量（10 wt %）的铸轧条带组织中有明显的孔洞存在。
2020, 49(12):4072-4080.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190911
摘要:
碳/碳化硅复合材料(C/SiC)在使用时经常受到高温氧化和烧蚀作用。本文采用化学气相沉积(CVD)和浆料刷涂-烧结法制备了双层SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层,对比研究了无涂层,单层SiC涂层和双层SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层C/SiC复合材料在1500℃下的氧化和在4.2 MW/m2热流密度下的烧蚀性能。结果表明,制备态ZrB2-SiC-B4C涂层致密、完整,表面平均粗糙度约为1 μm,孔隙率约为4.2 %。在1500℃氧化30 h后,SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层C/SiC复合材料的质量损失率约为10%,涂层表面氧化膜致密,无明显裂纹。高温烧蚀20 s后,SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为1.0±0.3 μm/s和1.1±0.2 mg/s,与单层SiC涂层相比分别降低了75.0 %和50.0 %,SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层烧蚀后形成的ZrO2-SiO2氧化膜可以减缓火焰对复合材料的机械剥蚀作用。
碳/碳化硅复合材料(C/SiC)在使用时经常受到高温氧化和烧蚀作用。本文采用化学气相沉积(CVD)和浆料刷涂-烧结法制备了双层SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层,对比研究了无涂层,单层SiC涂层和双层SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层C/SiC复合材料在1500℃下的氧化和在4.2 MW/m2热流密度下的烧蚀性能。结果表明,制备态ZrB2-SiC-B4C涂层致密、完整,表面平均粗糙度约为1 μm,孔隙率约为4.2 %。在1500℃氧化30 h后,SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层C/SiC复合材料的质量损失率约为10%,涂层表面氧化膜致密,无明显裂纹。高温烧蚀20 s后,SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为1.0±0.3 μm/s和1.1±0.2 mg/s,与单层SiC涂层相比分别降低了75.0 %和50.0 %,SiC/ZrB2-SiC-B4C涂层烧蚀后形成的ZrO2-SiO2氧化膜可以减缓火焰对复合材料的机械剥蚀作用。
2020, 49(12):4081-4087.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190107
摘要:
Cu-Cr-Zr合金是一种高强高导铜合金,常用于高温、耐磨等复杂环境中关键零部件的制造。以时效硬化后的Cu-1.04Cr-0.16Zr合金为研究对象,采用扫描电镜、拉伸试验机、显微硬度计、体视显微镜研究了硬钎焊温度(600℃～800℃)条件下的Cu-1.04Cr-0.16Zr母材的组织、拉伸性能、显微硬度及断口组织特征,并在此基础上分析了Cu-1.04Cr-0.16Zr合金的高温软化机制。结果表明：Cu-1.04Cr-0.16Zr合金的抗拉强度和显微硬度随钎焊温度的升高而降低,初始抗拉强度为477.32MPa,延伸率为40.13%,显微硬度为151.78HV,当钎焊温度为600℃时,Cu-1.04Cr-0.16Zr合金抗拉强度稍有降低,显微硬度基本不变,表现出良好的抗软化性能；当钎焊温度为650℃时,Cu-1.04Cr-0.16Zr合金开始发生部分再结晶,大等轴晶边界出现一些细小、无畸变的等轴晶粒,晶粒尺寸为2μm～7μm,析出相对晶界的钉扎作用开始减弱,抗拉强度和显微硬度大幅下降；随着钎焊温度的升高,Cu-1.04Cr-0.16Zr合金进一步软化,Cu-1.04Cr-0.16Zr合金内部出现大量的退火栾晶；Cu-1.04Cr-0.16Zr合金在硬钎焊温度条件下均出现颈缩现象,并存在明显的塑性扩展区,随着钎焊温度的升高,断面收缩率逐渐增大,韧窝沿拉伸方向伸展长大,表现出很好的塑性。在满足钎焊接头各项性能的条件下,可采用熔化温度较低的钎焊材料,避免Cu-1.04Cr-0.16Zr合金出现软化现象。
Cu-Cr-Zr合金是一种高强高导铜合金,常用于高温、耐磨等复杂环境中关键零部件的制造。以时效硬化后的Cu-1.04Cr-0.16Zr合金为研究对象,采用扫描电镜、拉伸试验机、显微硬度计、体视显微镜研究了硬钎焊温度(600℃～800℃)条件下的Cu-1.04Cr-0.16Zr母材的组织、拉伸性能、显微硬度及断口组织特征,并在此基础上分析了Cu-1.04Cr-0.16Zr合金的高温软化机制。结果表明：Cu-1.04Cr-0.16Zr合金的抗拉强度和显微硬度随钎焊温度的升高而降低,初始抗拉强度为477.32MPa,延伸率为40.13%,显微硬度为151.78HV,当钎焊温度为600℃时,Cu-1.04Cr-0.16Zr合金抗拉强度稍有降低,显微硬度基本不变,表现出良好的抗软化性能；当钎焊温度为650℃时,Cu-1.04Cr-0.16Zr合金开始发生部分再结晶,大等轴晶边界出现一些细小、无畸变的等轴晶粒,晶粒尺寸为2μm～7μm,析出相对晶界的钉扎作用开始减弱,抗拉强度和显微硬度大幅下降；随着钎焊温度的升高,Cu-1.04Cr-0.16Zr合金进一步软化,Cu-1.04Cr-0.16Zr合金内部出现大量的退火栾晶；Cu-1.04Cr-0.16Zr合金在硬钎焊温度条件下均出现颈缩现象,并存在明显的塑性扩展区,随着钎焊温度的升高,断面收缩率逐渐增大,韧窝沿拉伸方向伸展长大,表现出很好的塑性。在满足钎焊接头各项性能的条件下,可采用熔化温度较低的钎焊材料,避免Cu-1.04Cr-0.16Zr合金出现软化现象。
2020, 49(12):4088-4096.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190933
摘要:
本文基于热力学转换机制和能量跃迁原理，采用Metropolis算法改进的元胞自动机模型，对AZ31镁合金三维晶粒长大过程进行仿真研究，并对其晶粒尺寸与晶粒长大动力学进行统计分析。仿真结果表明:采用改进转变规则后的元胞自动机模型更加接近于实际三维晶粒的正常长大过程。在模拟过程中，系统总自由能降低，不同时刻晶粒尺寸均呈现正态分布。晶粒直径与平均晶粒直径的比值R/Rm≈1.0的晶粒分布最多，满足晶粒演变最小能量准则。分析晶粒长大动力学可知，三维晶粒长大遵循晶粒演变过程中平均晶粒尺寸随时间变化的关系，晶粒长大指数为0.47941，非常接近于理论值0.5。通过实验对AZ31镁合金保温过程中晶粒尺寸变化规律进行研究，进一步验证了本文建立的三维元胞自动机模型的可靠性与准确性。
本文基于热力学转换机制和能量跃迁原理，采用Metropolis算法改进的元胞自动机模型，对AZ31镁合金三维晶粒长大过程进行仿真研究，并对其晶粒尺寸与晶粒长大动力学进行统计分析。仿真结果表明:采用改进转变规则后的元胞自动机模型更加接近于实际三维晶粒的正常长大过程。在模拟过程中，系统总自由能降低，不同时刻晶粒尺寸均呈现正态分布。晶粒直径与平均晶粒直径的比值R/Rm≈1.0的晶粒分布最多，满足晶粒演变最小能量准则。分析晶粒长大动力学可知，三维晶粒长大遵循晶粒演变过程中平均晶粒尺寸随时间变化的关系，晶粒长大指数为0.47941，非常接近于理论值0.5。通过实验对AZ31镁合金保温过程中晶粒尺寸变化规律进行研究，进一步验证了本文建立的三维元胞自动机模型的可靠性与准确性。
2020, 49(12):4097-4102.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190923
摘要:
提出了一个通过金属颗粒着火温度计算活化能的理论模型,着火温度的临界条件为燃烧反应产热率与对周围环境放热率达到热平衡。放热率由Knudsen数控制,铝颗粒燃烧产热率通过Arrhenius形式的模型计算,锆颗粒燃烧产热率由扩散模型计算,通过迭代计算,得到金属颗粒着火温度对应的活化能。结果表明,铝颗粒、锆颗粒的活化能随粒径增大而增大,与粒径的对数呈线性关系。在纳米至微米的更大尺寸范围内,单一理论模型不足以描述金属颗粒活化能的尺寸效应,而基于数据拟合的多项式模型更具有普适性。
提出了一个通过金属颗粒着火温度计算活化能的理论模型,着火温度的临界条件为燃烧反应产热率与对周围环境放热率达到热平衡。放热率由Knudsen数控制,铝颗粒燃烧产热率通过Arrhenius形式的模型计算,锆颗粒燃烧产热率由扩散模型计算,通过迭代计算,得到金属颗粒着火温度对应的活化能。结果表明,铝颗粒、锆颗粒的活化能随粒径增大而增大,与粒径的对数呈线性关系。在纳米至微米的更大尺寸范围内,单一理论模型不足以描述金属颗粒活化能的尺寸效应,而基于数据拟合的多项式模型更具有普适性。
2020, 49(12):4103-4111.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190956
摘要:
对于晶粒，晶界，应力和位错的交互作用的深入理解有助于优化材料组织和提升材料性能。本文采用双模晶体相场法研究六方相向正方相的转变。分别针对倾侧角为0°，15°，30°，和 45°，晶粒取向差为6°的六方相体系做了系统研究。六方晶粒长大、溶合、并形成共格晶界，位错组沿六方晶界均匀分布，并有两种取向。正方相在位错组处形核，并且其取向取决于位错组取向。每一种倾侧角的体系种均形成两个取向正方相的变体。针对倾侧角为0 °，15°，30°，和 45°的六方相体系生成的四方相相变体之间的取向差分别为30°, 30°, 10°, 和5°。不同取向的正方相晶粒长大熟化的方式有差异，位于有利取向的晶粒将会优先生长占据主导地位。以共格晶界形式长大的晶粒，晶界处有位错组生成以松弛晶粒长大的应力集中。
对于晶粒，晶界，应力和位错的交互作用的深入理解有助于优化材料组织和提升材料性能。本文采用双模晶体相场法研究六方相向正方相的转变。分别针对倾侧角为0°，15°，30°，和 45°，晶粒取向差为6°的六方相体系做了系统研究。六方晶粒长大、溶合、并形成共格晶界，位错组沿六方晶界均匀分布，并有两种取向。正方相在位错组处形核，并且其取向取决于位错组取向。每一种倾侧角的体系种均形成两个取向正方相的变体。针对倾侧角为0 °，15°，30°，和 45°的六方相体系生成的四方相相变体之间的取向差分别为30°, 30°, 10°, 和5°。不同取向的正方相晶粒长大熟化的方式有差异，位于有利取向的晶粒将会优先生长占据主导地位。以共格晶界形式长大的晶粒，晶界处有位错组生成以松弛晶粒长大的应力集中。
2020, 49(12):4112-4120.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200258
摘要:
利用真空感应炉制备不同Ce含量的FH40实验钢，采用OM、SEM、TEM和EDS手段观察钢的轧态组织，并对其拉伸性能和断口形貌进行测试与分析，研究了Ce对FH40钢轧态组织以及拉伸强度的影响机制。结果表明，随着Ce含量从0增加到0.058%，钢的轧态组织得到细化，由多边形铁素体变为细小的等轴状铁素体，同时出现粒状贝氏体；含0.0273%Ce和0.058%Ce钢中分别产生了Ce-O-S+TiN和Ce-O-S复合夹杂物，并且分别诱发了4条和5条IAF。含0.058%Ce实验钢的屈服强度、抗拉强度较基体钢钢分别提高了31 MPa、33 MPa。当Ce含量为0.0273%时实验钢的延伸率达到了22.8%。实验钢均表现为位错强化和第二相强化，基体钢中析出相主要是Nb-Ti的复合相，含0.058%Ce实验钢中主要是Nb-Ti-Ce的复合相，且更加弥散细小，位错密度更高；同时断口形貌更加均匀，韧窝由小而浅转变为大而深，使其在切应力的作用下更不易断裂，因而提高了钢材的抗拉强度。
利用真空感应炉制备不同Ce含量的FH40实验钢，采用OM、SEM、TEM和EDS手段观察钢的轧态组织，并对其拉伸性能和断口形貌进行测试与分析，研究了Ce对FH40钢轧态组织以及拉伸强度的影响机制。结果表明，随着Ce含量从0增加到0.058%，钢的轧态组织得到细化，由多边形铁素体变为细小的等轴状铁素体，同时出现粒状贝氏体；含0.0273%Ce和0.058%Ce钢中分别产生了Ce-O-S+TiN和Ce-O-S复合夹杂物，并且分别诱发了4条和5条IAF。含0.058%Ce实验钢的屈服强度、抗拉强度较基体钢钢分别提高了31 MPa、33 MPa。当Ce含量为0.0273%时实验钢的延伸率达到了22.8%。实验钢均表现为位错强化和第二相强化，基体钢中析出相主要是Nb-Ti的复合相，含0.058%Ce实验钢中主要是Nb-Ti-Ce的复合相，且更加弥散细小，位错密度更高；同时断口形貌更加均匀，韧窝由小而浅转变为大而深，使其在切应力的作用下更不易断裂，因而提高了钢材的抗拉强度。
2020, 49(12):4121-4128.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200380
摘要:
采用扩散焊（DFW）技术制备了Cu/Al双金属，连接温度范围683-803K，连接时间范围20-80min，连接压力15MPa。Cu/Al双金属界面处的SEM试验结果表明，随着焊接温度的升高和保温时间的延长，界面层厚度逐渐增加，在连接温度为803K，连接时间80min，Cu/Al界面处形成了Al4Cu9，Al3Cu4，AlCu、Al2Cu金属间化合物（从铜侧到铝侧），根据扩散动力学，金属间化合物(IMCS)的生成顺序为Al2Cu、Al4Cu9、AlCu、Al3Cu4。Cu / Al双金属的剪切试验显示为脆性断裂，并且界面强度随着IMC的减少而增加。在723 K的焊接温度下进行20分钟焊接后，Cu / Al双金属的剪切强度最高为63.8 MPa。
采用扩散焊（DFW）技术制备了Cu/Al双金属，连接温度范围683-803K，连接时间范围20-80min，连接压力15MPa。Cu/Al双金属界面处的SEM试验结果表明，随着焊接温度的升高和保温时间的延长，界面层厚度逐渐增加，在连接温度为803K，连接时间80min，Cu/Al界面处形成了Al4Cu9，Al3Cu4，AlCu、Al2Cu金属间化合物（从铜侧到铝侧），根据扩散动力学，金属间化合物(IMCS)的生成顺序为Al2Cu、Al4Cu9、AlCu、Al3Cu4。Cu / Al双金属的剪切试验显示为脆性断裂，并且界面强度随着IMC的减少而增加。在723 K的焊接温度下进行20分钟焊接后，Cu / Al双金属的剪切强度最高为63.8 MPa。
2020, 49(12):4129-4141.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200319
摘要:
在Gleeble-3500热机械模拟机上，获得了C71500白铜合金在1073-1273k和应变速率范围内等温压缩试验的真实应力应变数据(0.01分-10秒-1）。采用Johnson-Cook、Johnson-Cook、Zerilli-Armstrong、Arrhenius、Fields-Backofen-Zhang和Zhou-Guan模型对高温流动应力本构方程进行了回归分析。通过比较精度、相关系数（R）、均方根误差（RMSE）、平均绝对相对误差（AARE）、不确定度个数和计算这些参数所需的时间，评价了六种模型的适用性。根据参数和时间消耗的拟合结果，Zhou-Guan模型是预测C71500合金在不同应变率和温度下变形抗力的最佳模型。研究结果为C71500合金及其它类似的不易冷变形铜合金的性能选择和验证提供了理论依据。
在Gleeble-3500热机械模拟机上，获得了C71500白铜合金在1073-1273k和应变速率范围内等温压缩试验的真实应力应变数据(0.01分-10秒-1）。采用Johnson-Cook、Johnson-Cook、Zerilli-Armstrong、Arrhenius、Fields-Backofen-Zhang和Zhou-Guan模型对高温流动应力本构方程进行了回归分析。通过比较精度、相关系数（R）、均方根误差（RMSE）、平均绝对相对误差（AARE）、不确定度个数和计算这些参数所需的时间，评价了六种模型的适用性。根据参数和时间消耗的拟合结果，Zhou-Guan模型是预测C71500合金在不同应变率和温度下变形抗力的最佳模型。研究结果为C71500合金及其它类似的不易冷变形铜合金的性能选择和验证提供了理论依据。
2020, 49(12):4142-4145.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191059
摘要:
本文研究了Y元素合金化对铸造Ti-6Al-4V合金微观组织与力学性能的影响。铸态合金微观组织与力学性能分别利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和拉伸试验进行表征。结果显示，Ti-6Al-4V合金呈现典型的魏氏组织特征。添加Y元素后，合金中形成Y2O3颗粒并分布在初生β晶粒的晶界处，同时在晶界两侧形成平行的α/β层片结构，而晶粒内部形成相互交叉的α/β层片结构，即Y2O3明显改变了Ti基体片层组织形貌。相比于Ti-6Al-4V合金，添加Y元素之后，合金的屈服强度和抗拉强度稍有提高，但是平行的α/β层片结构和Y2O3颗粒引起合金由解理断裂向延晶断裂转变，进而导致延伸率显著减小。所以，Ti基体微观组织变化对合金力学性能同样具有重要作用。
本文研究了Y元素合金化对铸造Ti-6Al-4V合金微观组织与力学性能的影响。铸态合金微观组织与力学性能分别利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和拉伸试验进行表征。结果显示，Ti-6Al-4V合金呈现典型的魏氏组织特征。添加Y元素后，合金中形成Y2O3颗粒并分布在初生β晶粒的晶界处，同时在晶界两侧形成平行的α/β层片结构，而晶粒内部形成相互交叉的α/β层片结构，即Y2O3明显改变了Ti基体片层组织形貌。相比于Ti-6Al-4V合金，添加Y元素之后，合金的屈服强度和抗拉强度稍有提高，但是平行的α/β层片结构和Y2O3颗粒引起合金由解理断裂向延晶断裂转变，进而导致延伸率显著减小。所以，Ti基体微观组织变化对合金力学性能同样具有重要作用。
2020, 49(12):4146-4158.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190960
摘要:
金刚石/铜复合材料具有密度低、热导率高及热膨胀系数可调等优点,且与新一代芯片具有良好的热匹配性能,因此其在高热流密度电子封装领域具有非常广泛的应用前景。然而由于金刚石与铜界面润湿性差,界面热阻高,导致材料热导率比铜还低,限制了其应用。为了改善其界面润湿性,国内外通过在金刚石表面金属化或对铜基体预合金化等手段来修饰复合材料界面,以提高金刚石/铜复合材料的热导率。本文综述了表面改性、导热模型相关的界面理论以及有限元模拟的研究进展,讨论了制备工艺、导热模型和未来发展的关键方向,总结了金刚石添加量、颗粒尺寸等制备参数对其微观组织结构和导热性能的影响规律。
金刚石/铜复合材料具有密度低、热导率高及热膨胀系数可调等优点,且与新一代芯片具有良好的热匹配性能,因此其在高热流密度电子封装领域具有非常广泛的应用前景。然而由于金刚石与铜界面润湿性差,界面热阻高,导致材料热导率比铜还低,限制了其应用。为了改善其界面润湿性,国内外通过在金刚石表面金属化或对铜基体预合金化等手段来修饰复合材料界面,以提高金刚石/铜复合材料的热导率。本文综述了表面改性、导热模型相关的界面理论以及有限元模拟的研究进展,讨论了制备工艺、导热模型和未来发展的关键方向,总结了金刚石添加量、颗粒尺寸等制备参数对其微观组织结构和导热性能的影响规律。
2020, 49(12):4159-4165.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191050
摘要:
有序结构的形成是决定NiCrAlFe精密电阻合金电学性能的关键因素。本文利用第一性原理赝势平面波方法，计算了合金处于无序固溶体结构和形成L12型有序结构时的结合能、态密度、晶格常数等参数，并利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对合金进行了结构表征，还测试了固溶态和时效态的电阻率。从结合能来看，该合金形成L12有序结构时比无序固溶体更加稳定；态密度以及部分态密度计算结果则表明，在L12有序结构中，Ni、Cr、Al、Fe会强烈成键而使得整个合金体系变得稳定；HRTEM分析结果证明固溶态合金经过和时效处理后出现了L12有序结构，而且该有序结构的晶格常数与计算值基本一致。对比无序固溶体与L12型有序结构费米能级处的态密度值发现，当形成L12有序结构时合金的导电能力较无序固溶体下降，电阻率升高，与实际测试结果吻合。
有序结构的形成是决定NiCrAlFe精密电阻合金电学性能的关键因素。本文利用第一性原理赝势平面波方法，计算了合金处于无序固溶体结构和形成L12型有序结构时的结合能、态密度、晶格常数等参数，并利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对合金进行了结构表征，还测试了固溶态和时效态的电阻率。从结合能来看，该合金形成L12有序结构时比无序固溶体更加稳定；态密度以及部分态密度计算结果则表明，在L12有序结构中，Ni、Cr、Al、Fe会强烈成键而使得整个合金体系变得稳定；HRTEM分析结果证明固溶态合金经过和时效处理后出现了L12有序结构，而且该有序结构的晶格常数与计算值基本一致。对比无序固溶体与L12型有序结构费米能级处的态密度值发现，当形成L12有序结构时合金的导电能力较无序固溶体下降，电阻率升高，与实际测试结果吻合。
2020, 49(12):4166-4171.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191061
摘要:
本文介绍了合金材料吸氢的基本原理及反应机理,主要利用稀土系储氢材料的吸氢模型方程研究了磁性制冷材料La(Fe,Si)13基合金的吸氢特性。通过Chou模型建立了La0.7Pr0.3Fe11.5Si1.5和La0.7Pr0.3Fe11.5Si1.5C0.2合金的吸氢反应分数与时间、温度的具体关系式,探究了两种合金材料的吸氢反应特性。根据模型方程,引入吸氢过程中的重要参数“特征反应时间”,得到在等温等压条件下的La0.7Pr0.3Fe11.5Si1.5和La0.7Pr0.3Fe11.5Si1.5C0.2合金的吸氢反应分数随时间的变化曲线。由模型方程还得到这两种合金吸氢反应分数与温度的关系曲线,曲线表明两种合金均表现出温度越高,特征反应时间越小,合金的吸氢速率越快,与实验得到的结果一致。
本文介绍了合金材料吸氢的基本原理及反应机理,主要利用稀土系储氢材料的吸氢模型方程研究了磁性制冷材料La(Fe,Si)13基合金的吸氢特性。通过Chou模型建立了La0.7Pr0.3Fe11.5Si1.5和La0.7Pr0.3Fe11.5Si1.5C0.2合金的吸氢反应分数与时间、温度的具体关系式,探究了两种合金材料的吸氢反应特性。根据模型方程,引入吸氢过程中的重要参数“特征反应时间”,得到在等温等压条件下的La0.7Pr0.3Fe11.5Si1.5和La0.7Pr0.3Fe11.5Si1.5C0.2合金的吸氢反应分数随时间的变化曲线。由模型方程还得到这两种合金吸氢反应分数与温度的关系曲线,曲线表明两种合金均表现出温度越高,特征反应时间越小,合金的吸氢速率越快,与实验得到的结果一致。
2020, 49(12):4172-4176.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191076
摘要:
Mg-Y基稀土合金体系中,金属间化合物在基体中的析出和生长动力学与合金性能密切相关,研究金属间化合物的扩散生长行为具有重要意义。本工作针对已有ε-Mg24Y5和δ-Mg2Y金属间化合物形成和生长的扩散偶实验数据,采用数值反演方法计算得到了Mg-Y基稀土合金体系中,固溶体相和金属间化合物相的互扩散系数随成分和温度的变化关系。结果表明,ε-Mg24Y5的扩散系数约为δ-Mg2Y的扩散系数的4倍。同时,采用计算的扩散系数可以定量模拟出实验所测量的元素扩散分布、扩散通量以及金属间化合物层的生长厚度随时间和温度的变化关系。
Mg-Y基稀土合金体系中,金属间化合物在基体中的析出和生长动力学与合金性能密切相关,研究金属间化合物的扩散生长行为具有重要意义。本工作针对已有ε-Mg24Y5和δ-Mg2Y金属间化合物形成和生长的扩散偶实验数据,采用数值反演方法计算得到了Mg-Y基稀土合金体系中,固溶体相和金属间化合物相的互扩散系数随成分和温度的变化关系。结果表明,ε-Mg24Y5的扩散系数约为δ-Mg2Y的扩散系数的4倍。同时,采用计算的扩散系数可以定量模拟出实验所测量的元素扩散分布、扩散通量以及金属间化合物层的生长厚度随时间和温度的变化关系。
2020, 49(12):4177-4184.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191090
摘要:
在激光熔化沉积316L不锈钢的过程中耦合不同功率的超声振动,研究了超声功率对晶粒形态尺寸、凝固组织形成机制以及晶粒生长特性的影响。研究表明,激光熔化沉积过程中316L不锈钢晶粒发生定向凝固外延生长,形成粗大的柱状晶。施加超声会将沿[100]方向外延生长的粗大原生柱状晶打碎,产生细化晶粒的效果；沿柱状晶外延生长方向传递的超声振动增大了晶粒内沿长轴方向的累积取向差,提高了平均位错密度。施加超声有助于加强熔池流体的对流,降低沿沉积方向的温度梯度,使得垂直生长的柱状晶更快转变为八字形柱状晶；同时提高合金凝固冷速,使得柱状晶宽度以及晶粒内部一次枝晶列间距减小,实现宏观晶粒尺寸与微观枝晶间距的细化。
在激光熔化沉积316L不锈钢的过程中耦合不同功率的超声振动,研究了超声功率对晶粒形态尺寸、凝固组织形成机制以及晶粒生长特性的影响。研究表明,激光熔化沉积过程中316L不锈钢晶粒发生定向凝固外延生长,形成粗大的柱状晶。施加超声会将沿[100]方向外延生长的粗大原生柱状晶打碎,产生细化晶粒的效果；沿柱状晶外延生长方向传递的超声振动增大了晶粒内沿长轴方向的累积取向差,提高了平均位错密度。施加超声有助于加强熔池流体的对流,降低沿沉积方向的温度梯度,使得垂直生长的柱状晶更快转变为八字形柱状晶；同时提高合金凝固冷速,使得柱状晶宽度以及晶粒内部一次枝晶列间距减小,实现宏观晶粒尺寸与微观枝晶间距的细化。
2020, 49(12):4185-4191.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191092
摘要:
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了低指数Al3V表面的表面能，分析其稳定性；然后采用最稳定表面研究了Al3V表面的O吸附行为以及合金元素的影响。结果表明，终止于Al原子的(110)面是最稳定的表面。O原子倾向于吸附在(2×1)-(110)-Al表面桥位，且随着覆盖度增加，O吸附的稳定性增加。从DOS分析和O与表面各原子的间距可以推断，该表面在氧化的初始阶段发生Al的氧化和V的内氧化，氧化后有可能形成具有保护性的Al2O3膜。合金元素Ti和Cr均倾向于占据表面第2层V原子位，且都促进O原子在表面的吸附，但2者的作用机制不同，Ti与O相互作用较强，从而降低了Al与O的相互作用，在氧化过程中Ti与Al有可能同时氧化，从而形成Al和Ti的混合氧化物；Cr对于Al和O的相互作用有微弱的增强作用，使得O的吸附更加稳定，可能会促进Al的氧化，从而形成保护性的Al2O3。
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了低指数Al3V表面的表面能，分析其稳定性；然后采用最稳定表面研究了Al3V表面的O吸附行为以及合金元素的影响。结果表明，终止于Al原子的(110)面是最稳定的表面。O原子倾向于吸附在(2×1)-(110)-Al表面桥位，且随着覆盖度增加，O吸附的稳定性增加。从DOS分析和O与表面各原子的间距可以推断，该表面在氧化的初始阶段发生Al的氧化和V的内氧化，氧化后有可能形成具有保护性的Al2O3膜。合金元素Ti和Cr均倾向于占据表面第2层V原子位，且都促进O原子在表面的吸附，但2者的作用机制不同，Ti与O相互作用较强，从而降低了Al与O的相互作用，在氧化过程中Ti与Al有可能同时氧化，从而形成Al和Ti的混合氧化物；Cr对于Al和O的相互作用有微弱的增强作用，使得O的吸附更加稳定，可能会促进Al的氧化，从而形成保护性的Al2O3。
2020, 49(12):4192-4198.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191100
摘要:
分别反映金属流变应力特征和组织-变形关系的本构关系和第二类再结晶全图是TC18钛合金热加工工艺制订的关键数据。在Gleeble3800热模拟试验机上，对于TC18钛合金进行系列热压缩变形，其中，变形温度为790℃~900℃，应变速率为0.01s-1~10s-1，应变量为0.1~0.5。通过拟合Arrhenius式中α, n, Q, lnA与ε的六次多项式，建立了材料高温热压缩本构方程，热压缩流变应力预测值与实验值吻合良好；通过组织观察及α晶粒尺寸测算绘制出其各应变速率下的第二类再结晶全图。
分别反映金属流变应力特征和组织-变形关系的本构关系和第二类再结晶全图是TC18钛合金热加工工艺制订的关键数据。在Gleeble3800热模拟试验机上，对于TC18钛合金进行系列热压缩变形，其中，变形温度为790℃~900℃，应变速率为0.01s-1~10s-1，应变量为0.1~0.5。通过拟合Arrhenius式中α, n, Q, lnA与ε的六次多项式，建立了材料高温热压缩本构方程，热压缩流变应力预测值与实验值吻合良好；通过组织观察及α晶粒尺寸测算绘制出其各应变速率下的第二类再结晶全图。
2020, 49(12):4199-4206.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200247
摘要:
本文对工业级7055-T7951铝合金热轧厚板的合金成分、室温拉伸性能、显微组织以及织构特征等进行了实验分析,对该板材的微观组织状态、力学性能各向异性与织构特征关系进行了详细研究,结果表明：该板材镁元素含量总体处于下限水平,难溶的合金化合物很少,晶内的析出相主要为h＇相和少量的h相,材料处于轻微过时效状态。板材存在明显的力学性能各向异性,沿轧制方向及横向的屈服及抗拉强度相近且明显优于与轧制方向呈45°方向上的指标。板材中心层各方位上的强度指标均优于表层对应方位上的指标,并且中心层的力学性能各向异性强于表层。该板材中心层有较为强烈的轧制类织构Brass和S,而表层则是以再结晶织构R为主。基于施密特定律研究了板材不同厚度层不同拉伸方向上平均屈服强度与施密特因子间的定性关系,探讨了织构特征对热轧厚板非均匀力学行为的影响规律。
本文对工业级7055-T7951铝合金热轧厚板的合金成分、室温拉伸性能、显微组织以及织构特征等进行了实验分析,对该板材的微观组织状态、力学性能各向异性与织构特征关系进行了详细研究,结果表明：该板材镁元素含量总体处于下限水平,难溶的合金化合物很少,晶内的析出相主要为h＇相和少量的h相,材料处于轻微过时效状态。板材存在明显的力学性能各向异性,沿轧制方向及横向的屈服及抗拉强度相近且明显优于与轧制方向呈45°方向上的指标。板材中心层各方位上的强度指标均优于表层对应方位上的指标,并且中心层的力学性能各向异性强于表层。该板材中心层有较为强烈的轧制类织构Brass和S,而表层则是以再结晶织构R为主。基于施密特定律研究了板材不同厚度层不同拉伸方向上平均屈服强度与施密特因子间的定性关系,探讨了织构特征对热轧厚板非均匀力学行为的影响规律。
2020, 49(12):4207-4214.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200291
摘要:
以石墨、碳化硅、硅粉体为原料，采用预处理工艺得到复合原料粉体，热压烧结制备C/Si 80/20 at%靶材。将制备的靶材在不同基片上溅射镀膜，分析薄膜的形貌及其生长模式。通过扫描电镜分析微观形貌、四探针测试电阻率、XRD结合拉曼光谱分析晶体结构，结果如下：（1）石墨和硅粉球磨混合48h可获得Si元素均匀分布的C/Si复合粉体；该粉体在1900 ℃下真空热处理时，C/Si通过互扩散生成等轴晶3C-SiC；（2）不同粒径的β-SiC粉体在1900 ℃真空热处理时，颈部生长速率和晶体结构转变存在显著差异。在高温下，纳米β-SiC粉体蒸汽压高，颈部增长速率快，通过蒸发-凝聚再结晶后可获得球形度良好的3C-SiC微米颗粒。（3）以C/Si/SiC 70/10/10 at%粉体为原料，采用球磨和高温真空热处理得到预处理粉体并热压制备C/Si 80/20 at%靶材，结果表明：与C/SiC 60/20 at%二元组分体系相比，三元组分预处理粉体制备靶材的均匀性好，平均电阻率3.9 mohm·cm，极差0.59，密度2.34 g/cm3，石墨化度0.17, 石墨晶体完整性好。（4）将制备的C/Si 80/20at%靶材分别在玻璃、硅片以及陶瓷基片上磁控溅射制备类金刚石薄膜，结果发现：在Si基体表面薄膜呈纵向生长模式，膜层微粒小于20 nm；在玻璃基体表面膜层呈层状生长模式且结合紧密；在陶瓷基体表面薄膜呈片状生长模式，膜层由微米级颗粒结合组成，与陶瓷基体的微观组织相似。
以石墨、碳化硅、硅粉体为原料，采用预处理工艺得到复合原料粉体，热压烧结制备C/Si 80/20 at%靶材。将制备的靶材在不同基片上溅射镀膜，分析薄膜的形貌及其生长模式。通过扫描电镜分析微观形貌、四探针测试电阻率、XRD结合拉曼光谱分析晶体结构，结果如下：（1）石墨和硅粉球磨混合48h可获得Si元素均匀分布的C/Si复合粉体；该粉体在1900 ℃下真空热处理时，C/Si通过互扩散生成等轴晶3C-SiC；（2）不同粒径的β-SiC粉体在1900 ℃真空热处理时，颈部生长速率和晶体结构转变存在显著差异。在高温下，纳米β-SiC粉体蒸汽压高，颈部增长速率快，通过蒸发-凝聚再结晶后可获得球形度良好的3C-SiC微米颗粒。（3）以C/Si/SiC 70/10/10 at%粉体为原料，采用球磨和高温真空热处理得到预处理粉体并热压制备C/Si 80/20 at%靶材，结果表明：与C/SiC 60/20 at%二元组分体系相比，三元组分预处理粉体制备靶材的均匀性好，平均电阻率3.9 mohm·cm，极差0.59，密度2.34 g/cm3，石墨化度0.17, 石墨晶体完整性好。（4）将制备的C/Si 80/20at%靶材分别在玻璃、硅片以及陶瓷基片上磁控溅射制备类金刚石薄膜，结果发现：在Si基体表面薄膜呈纵向生长模式，膜层微粒小于20 nm；在玻璃基体表面膜层呈层状生长模式且结合紧密；在陶瓷基体表面薄膜呈片状生长模式，膜层由微米级颗粒结合组成，与陶瓷基体的微观组织相似。
2020, 49(12):4215-4221.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200386
摘要:
随着汽车数量的增加和广泛使用,现代汽车工业对材料的力学性能提出了更高的要求。本文对汽车车架用的B610钢进行了不同温度下的准静态及动态压缩试验,发现B610钢承受准静态荷载时高温区域(400℃-600℃)内材料的温度软化效应最为明显,而当承受动态荷载时在低温区域(-80℃-25℃)内材料的应变率硬化效应最为明显。同时利用试验数据拟合得到了B610钢考虑温度及应变率的Johnson-Cook本构模型,对B610钢材质的车架进行了正面碰撞的数值模拟,结果表明Johnson-Cook模型计算得到的内能转化率达到92.8%而线弹性情形仅有21.4%,等效应力峰值也降低了47%,充分说明了在汽车被动安全性研究中考虑材料温度软化效应及应变率强化效应的重要性。
随着汽车数量的增加和广泛使用,现代汽车工业对材料的力学性能提出了更高的要求。本文对汽车车架用的B610钢进行了不同温度下的准静态及动态压缩试验,发现B610钢承受准静态荷载时高温区域(400℃-600℃)内材料的温度软化效应最为明显,而当承受动态荷载时在低温区域(-80℃-25℃)内材料的应变率硬化效应最为明显。同时利用试验数据拟合得到了B610钢考虑温度及应变率的Johnson-Cook本构模型,对B610钢材质的车架进行了正面碰撞的数值模拟,结果表明Johnson-Cook模型计算得到的内能转化率达到92.8%而线弹性情形仅有21.4%,等效应力峰值也降低了47%,充分说明了在汽车被动安全性研究中考虑材料温度软化效应及应变率强化效应的重要性。
2020, 49(12):4222-4229.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191105
摘要:
作为剧烈塑性变形方法的一种,累积叠轧工艺(Accumulative Roll Bonding, ARB)是一种可将晶粒细化至亚μm级技术并大幅度提高板材综合性能的方法。通过研究初始α片层组织、道次变形量分配及换向轧制对片层组织球化程度的影响,可获得ARB工艺对TA15板材片层球化的影响规律。研究结果表明：当初始片层厚度较小及晶界/晶内片层α厚度差异较小时,片层球化更加彻底。道次变形量过大会引起板材温升显著,进而造成晶界及基体片层球化不均匀,而道次变形量过小将导致片层球化不完全,最终影响基体等轴化效果。随着ARB成形过程换向道次的增加,板材各向的均匀程度提升,板材的晶粒尺寸及极差进一步减小,室温拉伸性能显著提高。
作为剧烈塑性变形方法的一种,累积叠轧工艺(Accumulative Roll Bonding, ARB)是一种可将晶粒细化至亚μm级技术并大幅度提高板材综合性能的方法。通过研究初始α片层组织、道次变形量分配及换向轧制对片层组织球化程度的影响,可获得ARB工艺对TA15板材片层球化的影响规律。研究结果表明：当初始片层厚度较小及晶界/晶内片层α厚度差异较小时,片层球化更加彻底。道次变形量过大会引起板材温升显著,进而造成晶界及基体片层球化不均匀,而道次变形量过小将导致片层球化不完全,最终影响基体等轴化效果。随着ARB成形过程换向道次的增加,板材各向的均匀程度提升,板材的晶粒尺寸及极差进一步减小,室温拉伸性能显著提高。
2020, 49(12):4230-4235.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191106
摘要:
本文通过简单的一步水热法在铜片上负载La掺杂NiCo合金制备催化电极。借助XRD、FESEM、循环伏安测试研究了溶液中Ni2 +/Co2 +摩尔比、La掺杂量对试样物相、显微结构、负载量及甲醇电催化氧化性能的影响。研究表明: Co元素的引入使生长的颗粒粒径增大，负载量显著增加。随着溶液中Co2+量的增加，峰电流密度先增后减。Ni2+/Co2+摩尔比在8：2时性能良好，与Ni/Cu 电极相比，峰电流密度提升了约28.4%。La的掺杂使NiCo颗粒呈现多边化，进而影响电化学性能，随着La的掺杂量的增加，峰电流密度先升后降，掺杂0.1 mmol/L La3+的试样获得良好的性能，峰电流密度达到了50.36 mA/cm2，2000次循环后仍保留近初始的100%，具有优异的稳定性，有望用于直接甲醇燃料电池（DMFC）阳极材料。
本文通过简单的一步水热法在铜片上负载La掺杂NiCo合金制备催化电极。借助XRD、FESEM、循环伏安测试研究了溶液中Ni2 +/Co2 +摩尔比、La掺杂量对试样物相、显微结构、负载量及甲醇电催化氧化性能的影响。研究表明: Co元素的引入使生长的颗粒粒径增大，负载量显著增加。随着溶液中Co2+量的增加，峰电流密度先增后减。Ni2+/Co2+摩尔比在8：2时性能良好，与Ni/Cu 电极相比，峰电流密度提升了约28.4%。La的掺杂使NiCo颗粒呈现多边化，进而影响电化学性能，随着La的掺杂量的增加，峰电流密度先升后降，掺杂0.1 mmol/L La3+的试样获得良好的性能，峰电流密度达到了50.36 mA/cm2，2000次循环后仍保留近初始的100%，具有优异的稳定性，有望用于直接甲醇燃料电池（DMFC）阳极材料。
2020, 49(12):4236-4245.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200210
摘要:
本文通过水热法在AZ31镁合金表面原位合成层状双氢氧化物膜层MgAl-LDHs-NO3，采用阴离子交换反应将钨酸根阴离子（WO42-）和半胱氨酸（Cys）阴离子嵌入LDHs层间，制得MgAl-LDHs-WO4和MgAl-LDHs-Cys。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、电化学阻抗测试（EIS）研究了膜层的形貌、结构、耐蚀性和自愈合性能。结果表明，在3.5wt.%NaCl溶液中三种膜层的耐蚀性由大到小依次为LDHs-WO4＞LDHs-Cys＞LDHs-NO3。预制划痕后在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡实验表明，三种膜层均表现出良好的自愈合能力，电化学结果显示浸泡8天时耐蚀性最佳，随后呈下降趋势，且LDHs-WO4和LDHs-Cys自愈合能力明显优于LDHs-NO3。这是由于LDHs-WO4和LDHs-Cys含有缓蚀性阴离子，膜层不仅阻隔溶液对基体的腐蚀，而且LDHs的层间结构还可以释放缓蚀性离子，这些离子与镁结合形成难溶沉淀，促进膜层的自愈合过程。
本文通过水热法在AZ31镁合金表面原位合成层状双氢氧化物膜层MgAl-LDHs-NO3，采用阴离子交换反应将钨酸根阴离子（WO42-）和半胱氨酸（Cys）阴离子嵌入LDHs层间，制得MgAl-LDHs-WO4和MgAl-LDHs-Cys。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、电化学阻抗测试（EIS）研究了膜层的形貌、结构、耐蚀性和自愈合性能。结果表明，在3.5wt.%NaCl溶液中三种膜层的耐蚀性由大到小依次为LDHs-WO4＞LDHs-Cys＞LDHs-NO3。预制划痕后在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡实验表明，三种膜层均表现出良好的自愈合能力，电化学结果显示浸泡8天时耐蚀性最佳，随后呈下降趋势，且LDHs-WO4和LDHs-Cys自愈合能力明显优于LDHs-NO3。这是由于LDHs-WO4和LDHs-Cys含有缓蚀性阴离子，膜层不仅阻隔溶液对基体的腐蚀，而且LDHs的层间结构还可以释放缓蚀性离子，这些离子与镁结合形成难溶沉淀，促进膜层的自愈合过程。
2020, 49(12):4246-4252.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191057
摘要:
对铸态Mg-6Al-2Ca-2Sm合金分别进行经固溶和固溶+时效处理获得不同初始组织试样,然后对不同初始组织的试样进行热挤压,研究了不同初始组织对热挤压Mg-6Al-2Ca-2Sm合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：铸态合金经热挤压后发生明显的部分再结晶,显微组织得到显著细化；经固溶或固溶+时效处理能够改善合金组织,热挤压后合金显微组织分布更加均匀。初始组织分布能够改善热挤压Mg-6Al-2Ca-2Sm合金室温和高温力学性能,固溶+时效后进行热挤压,Mg-6Al-2Ca-2Sm合金具有最高的抗拉强度和延伸率。
对铸态Mg-6Al-2Ca-2Sm合金分别进行经固溶和固溶+时效处理获得不同初始组织试样,然后对不同初始组织的试样进行热挤压,研究了不同初始组织对热挤压Mg-6Al-2Ca-2Sm合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：铸态合金经热挤压后发生明显的部分再结晶,显微组织得到显著细化；经固溶或固溶+时效处理能够改善合金组织,热挤压后合金显微组织分布更加均匀。初始组织分布能够改善热挤压Mg-6Al-2Ca-2Sm合金室温和高温力学性能,固溶+时效后进行热挤压,Mg-6Al-2Ca-2Sm合金具有最高的抗拉强度和延伸率。
2020, 49(12):4253-4261.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191066
摘要:
采用金相(OM)观察、扫描电镜(SEM)观察、透射电镜(TEM)观察以及X射线物相分析(XRD)研究了喷射成形7055铝合金初生相在“形变前预热处理”过程中的演变规律。结果表明：初生相为AlZnMgCu相和Al7Cu2Fe.相，其中晶内相呈小尺寸棒状，晶界相为AlZnMgCu相和Al7Cu2Fe相的共生组织，呈粗大不规则状。低温(≤400°C)调控时，由于合金元素扩散能力弱，初生相少量回溶，但相中Zn元素质量分数明显降低；中温(≤450°C)调控时，小尺寸晶内初生相基本回溶，但是粗大晶界相演变为椭球状的Al2CuMg相(S相)；高温(470°C)调控使晶内晶界初生相完全回溶且避免了Al2CuMg相(S相)的大量出现。单、双级调控效果比较表明，双级调控下初生相的演变规律取决于第二级热处理温度。
采用金相(OM)观察、扫描电镜(SEM)观察、透射电镜(TEM)观察以及X射线物相分析(XRD)研究了喷射成形7055铝合金初生相在“形变前预热处理”过程中的演变规律。结果表明：初生相为AlZnMgCu相和Al7Cu2Fe.相，其中晶内相呈小尺寸棒状，晶界相为AlZnMgCu相和Al7Cu2Fe相的共生组织，呈粗大不规则状。低温(≤400°C)调控时，由于合金元素扩散能力弱，初生相少量回溶，但相中Zn元素质量分数明显降低；中温(≤450°C)调控时，小尺寸晶内初生相基本回溶，但是粗大晶界相演变为椭球状的Al2CuMg相(S相)；高温(470°C)调控使晶内晶界初生相完全回溶且避免了Al2CuMg相(S相)的大量出现。单、双级调控效果比较表明，双级调控下初生相的演变规律取决于第二级热处理温度。
2020, 49(12):4262-4270.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191069
摘要:
混酸纯化多壁碳纳米管（MWCNTs），采用静电纺丝技术制备了MWCNTs /Zn0.96Co0.04O复合纳米纤维。采用TGA、XRD、FT-IR、SEM和TEM等手段对产物进行了表征；利用矢量网络分析仪和等IR-2红外发射率测试仪分别测试了产物的电磁参数和红外发射率，研究了MWCNTs的复合量对产物吸波性能和红外发射率的影响。结果表明:经600℃煅烧后得到的MWCNTs /Zn0.96Co0.04O复合纳米纤维直径约为160nm。当MWCNTs的质量分数为6%时，产物具有最低红外发射率为0.61；当匹配厚度为1.5mm时，产物在13.8GHz处最低反射损耗值为-26.4dB，小于-10 dB的吸收频段为11.8～15.8 GHz，有效吸收带宽为4.0GHz。这使得多壁碳纳米管/Zn0.96Co0.04O复合纳米纤维有望成为一种极具应用前景的红外/雷达兼容隐身材料。
混酸纯化多壁碳纳米管（MWCNTs），采用静电纺丝技术制备了MWCNTs /Zn0.96Co0.04O复合纳米纤维。采用TGA、XRD、FT-IR、SEM和TEM等手段对产物进行了表征；利用矢量网络分析仪和等IR-2红外发射率测试仪分别测试了产物的电磁参数和红外发射率，研究了MWCNTs的复合量对产物吸波性能和红外发射率的影响。结果表明:经600℃煅烧后得到的MWCNTs /Zn0.96Co0.04O复合纳米纤维直径约为160nm。当MWCNTs的质量分数为6%时，产物具有最低红外发射率为0.61；当匹配厚度为1.5mm时，产物在13.8GHz处最低反射损耗值为-26.4dB，小于-10 dB的吸收频段为11.8～15.8 GHz，有效吸收带宽为4.0GHz。这使得多壁碳纳米管/Zn0.96Co0.04O复合纳米纤维有望成为一种极具应用前景的红外/雷达兼容隐身材料。
2020, 49(12):4271-4279.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191080
摘要:
在较高的熔炼温度(780±5 ℃)下,研究了Gd含量对铸态Mg-0.5Zr-1.8Zn-xGd生物镁合金组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明：Gd含量在0-2.5wt%时,合金的晶粒尺寸随Gd含量的增加逐渐减小,未含Gd合金主要由α-Mg和少量分散的微米级Zr颗粒组成,而含Gd合金则主要由α-Mg和不同形貌的(Mg, Zn)3Gd相组成。合金的力学性能随Gd含量的增加先升高后降低,Gd含量为1.5wt%时,合金具有较好的力学性能。与此同时,合金的耐腐蚀性能也随Gd含量的增加先增强后减弱,Gd含量为1.5wt%时,分布均匀且尺寸细小的网状第二相使其具有较好的耐腐蚀性能,在120 h的浸泡实验中,静态腐蚀速率为0.801±0.04 mm/a,腐蚀形貌较为均匀。
在较高的熔炼温度(780±5 ℃)下,研究了Gd含量对铸态Mg-0.5Zr-1.8Zn-xGd生物镁合金组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明：Gd含量在0-2.5wt%时,合金的晶粒尺寸随Gd含量的增加逐渐减小,未含Gd合金主要由α-Mg和少量分散的微米级Zr颗粒组成,而含Gd合金则主要由α-Mg和不同形貌的(Mg, Zn)3Gd相组成。合金的力学性能随Gd含量的增加先升高后降低,Gd含量为1.5wt%时,合金具有较好的力学性能。与此同时,合金的耐腐蚀性能也随Gd含量的增加先增强后减弱,Gd含量为1.5wt%时,分布均匀且尺寸细小的网状第二相使其具有较好的耐腐蚀性能,在120 h的浸泡实验中,静态腐蚀速率为0.801±0.04 mm/a,腐蚀形貌较为均匀。
2020, 49(12):4280-4289.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191085
摘要:
采用热压烧结技术在GH4169镍合金表面制备了CoCrNi-(3.0wt%，5.0wt%，7.0wt%) MoS2三种钴基高温自润滑涂层，并优化了MoS2的含量。采用球-盘式高温摩擦试验机，与Si3N4球配副，系统研究了温度、速度与载荷对涂层高温（20~800 ℃）摩擦学性能的影响。采用X射线衍射仪和扫描电镜等分析了涂层的物相成分和微观形貌。通过热冲击实验测试涂层的结合强度。结果表明：MoS2与金属元素反应生成了固体润滑相Mo2S3和CrxSy；涂层与基底具有良好的界面结构；涂层主要由γ(fcc)、ε(hcp)、CrxNiy和固体润滑相（Mo2S3、CrxSy）构成。低温条件下，随着MoS2含量的增加涂层的摩擦系数逐渐降低，高温条件下，由于磨损表面形成了由铬酸盐、氧化物和硫化物组成的固体润滑膜，涂层具有了优异的高温减摩耐磨性能；宽温域内钴基涂层的磨损率保持在5.5×10-5 mm3N-1m-1以下，在20~600 ℃范围内其抗磨损性能比基底高4~17倍，5.0wt%的MoS2对钴基涂层的高温摩擦学性能优化效果最佳。
采用热压烧结技术在GH4169镍合金表面制备了CoCrNi-(3.0wt%，5.0wt%，7.0wt%) MoS2三种钴基高温自润滑涂层，并优化了MoS2的含量。采用球-盘式高温摩擦试验机，与Si3N4球配副，系统研究了温度、速度与载荷对涂层高温（20~800 ℃）摩擦学性能的影响。采用X射线衍射仪和扫描电镜等分析了涂层的物相成分和微观形貌。通过热冲击实验测试涂层的结合强度。结果表明：MoS2与金属元素反应生成了固体润滑相Mo2S3和CrxSy；涂层与基底具有良好的界面结构；涂层主要由γ(fcc)、ε(hcp)、CrxNiy和固体润滑相（Mo2S3、CrxSy）构成。低温条件下，随着MoS2含量的增加涂层的摩擦系数逐渐降低，高温条件下，由于磨损表面形成了由铬酸盐、氧化物和硫化物组成的固体润滑膜，涂层具有了优异的高温减摩耐磨性能；宽温域内钴基涂层的磨损率保持在5.5×10-5 mm3N-1m-1以下，在20~600 ℃范围内其抗磨损性能比基底高4~17倍，5.0wt%的MoS2对钴基涂层的高温摩擦学性能优化效果最佳。
2020, 49(12):4290-4296.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191089
摘要:
以海绵钛和电解钛作为熔炼TC4钛合金的原材料,采用工业化电子束冷床炉(EB炉)熔炼为扁锭并直接进行热轧,随后进行固溶时效处理,研究不同原材料铸锭和固溶时效处理工艺对TC4钛合金板材微观组织与性能的影响规律。结果表明：海绵钛TC4和电解钛TC4钛合金的α →β转变都是一个吸热过程,电解钛TC4钛合金α →β转变温度明显高于海绵钛TC4钛合金。海绵钛TC4钛合金在超过相变点温度进行固溶时效处理后,其组织为魏氏组织,其余固溶时效条件下的组织皆为双态组织。随固溶温度的升高,海绵钛TC4钛合金板材的抗拉强度先增加后降低,延伸率持续降低,而电解钛TC4钛合金板材的抗拉强度随固溶温度的升高而增加,延伸率一直降低。二者均在890℃保温30min固溶与550℃保温3h时效后获得最佳的综合力学性能。与海绵钛TC4钛合金板材相比,电解钛TC4钛合金板材在经过固溶时效处理后,材料的强度、硬度提升更为显著。
以海绵钛和电解钛作为熔炼TC4钛合金的原材料,采用工业化电子束冷床炉(EB炉)熔炼为扁锭并直接进行热轧,随后进行固溶时效处理,研究不同原材料铸锭和固溶时效处理工艺对TC4钛合金板材微观组织与性能的影响规律。结果表明：海绵钛TC4和电解钛TC4钛合金的α →β转变都是一个吸热过程,电解钛TC4钛合金α →β转变温度明显高于海绵钛TC4钛合金。海绵钛TC4钛合金在超过相变点温度进行固溶时效处理后,其组织为魏氏组织,其余固溶时效条件下的组织皆为双态组织。随固溶温度的升高,海绵钛TC4钛合金板材的抗拉强度先增加后降低,延伸率持续降低,而电解钛TC4钛合金板材的抗拉强度随固溶温度的升高而增加,延伸率一直降低。二者均在890℃保温30min固溶与550℃保温3h时效后获得最佳的综合力学性能。与海绵钛TC4钛合金板材相比,电解钛TC4钛合金板材在经过固溶时效处理后,材料的强度、硬度提升更为显著。
2020, 49(12):4297-4302.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190611
摘要:
本文利用超声波辅助法制备了SnO2纳米颗粒增强Sn0.6Cu钎料。研究了SnO2对钎料的微观组织、熔化性能的影响，以及Cu/Sn0.6Cu-XSnO2/Cu钎焊接头界面反应产物的变化，测量了金属间化合物层的厚度和晶粒尺寸。结果表明：1.0wt.% SnO2很好的抑制了钎料中β-Sn的长大，细化了晶粒尺寸；含SnO2钎料的熔点与不含SnO2钎料熔点基本相同，但熔程明显减小；钎料熔炼过程中施加超声波可以细化晶粒，制得的钎料熔点和液相线温度也低于普通熔炼钎料。用含SnO2钎料钎焊接头界面处的IMC层更薄且晶粒尺寸更小，主要是因为SnO2纳米颗粒吸附在界面金属间化合物的晶面处阻碍铜板与钎料基体之间的相互扩散，导致IMC的形成驱动力较低，从而抑制了界面化合物的生长。
本文利用超声波辅助法制备了SnO2纳米颗粒增强Sn0.6Cu钎料。研究了SnO2对钎料的微观组织、熔化性能的影响，以及Cu/Sn0.6Cu-XSnO2/Cu钎焊接头界面反应产物的变化，测量了金属间化合物层的厚度和晶粒尺寸。结果表明：1.0wt.% SnO2很好的抑制了钎料中β-Sn的长大，细化了晶粒尺寸；含SnO2钎料的熔点与不含SnO2钎料熔点基本相同，但熔程明显减小；钎料熔炼过程中施加超声波可以细化晶粒，制得的钎料熔点和液相线温度也低于普通熔炼钎料。用含SnO2钎料钎焊接头界面处的IMC层更薄且晶粒尺寸更小，主要是因为SnO2纳米颗粒吸附在界面金属间化合物的晶面处阻碍铜板与钎料基体之间的相互扩散，导致IMC的形成驱动力较低，从而抑制了界面化合物的生长。
2020, 49(12):4303-4310.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191074
摘要:
本文通过将水热碳化法和阳极氧化法相结合制备了具有良好电化学性能的无定型碳包覆的混晶型TiO2纳米环阵列(C@TNTs)。利用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)及电化学测试等表征方法对未修饰的TNTs试样和在550 °C、650 °C和750 °C退火温度下得到无定形碳修饰的C@TNTs分别进行了表征分析。结果表明：水热碳化法可以将厚度约为3.4~6.5 nm无定型碳层均匀地包覆在TiO2纳米管阵列上，但却不会影响其形貌和结构；其中C@TNTs-550、C@TNTs-650和C@TNTs-750的放电比容量分别为2.83 mF·cm-2、6.52 mF·cm-2和1.48 mF·cm-2，相较于未修饰前的TNTs分别提升了27、62和14倍；此外，在TiO2纳米管阵列中引入一定量的金红石相有利于其电化学性能的提升。
本文通过将水热碳化法和阳极氧化法相结合制备了具有良好电化学性能的无定型碳包覆的混晶型TiO2纳米环阵列(C@TNTs)。利用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)及电化学测试等表征方法对未修饰的TNTs试样和在550 °C、650 °C和750 °C退火温度下得到无定形碳修饰的C@TNTs分别进行了表征分析。结果表明：水热碳化法可以将厚度约为3.4~6.5 nm无定型碳层均匀地包覆在TiO2纳米管阵列上，但却不会影响其形貌和结构；其中C@TNTs-550、C@TNTs-650和C@TNTs-750的放电比容量分别为2.83 mF·cm-2、6.52 mF·cm-2和1.48 mF·cm-2，相较于未修饰前的TNTs分别提升了27、62和14倍；此外，在TiO2纳米管阵列中引入一定量的金红石相有利于其电化学性能的提升。
2020, 49(12):4311-4320.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191075
摘要:
由于选区激光熔化(SLM) 制备Inconel 738合金过程中快速熔化凝固的特点，成形合金中存在较高的残余应力，影响合金的服役。本文主要研究了不同退火温度 (700 ~900 ℃)下保温24 h后合金中残余应力、析出相行为、组织和性能演变。结果表明：退火过程中，组织演变机制为静态回复，发生位错迁移和晶界类型转变；形成的短棒状γ"相(240~440 nm)和球状γ"相(50~250 nm)；晶界碳化物分布由点状向连续状转变，类型由MC向M23C6转变；800 ℃退火后，残余应力由380.94 MPa(沉积态)下降至-66.7 MPa，残余应力得到释放；随着退火温度升高，硬度和抗拉强度先增大后减小，延伸率先减小后增加，800 ℃退火后，合金具有最高的硬度、抗拉强度 (581.2 HV、1330 MPa)为铸造性能(410 HV、945 MPa)的1.42倍、1.41倍。
由于选区激光熔化(SLM) 制备Inconel 738合金过程中快速熔化凝固的特点，成形合金中存在较高的残余应力，影响合金的服役。本文主要研究了不同退火温度 (700 ~900 ℃)下保温24 h后合金中残余应力、析出相行为、组织和性能演变。结果表明：退火过程中，组织演变机制为静态回复，发生位错迁移和晶界类型转变；形成的短棒状γ"相(240~440 nm)和球状γ"相(50~250 nm)；晶界碳化物分布由点状向连续状转变，类型由MC向M23C6转变；800 ℃退火后，残余应力由380.94 MPa(沉积态)下降至-66.7 MPa，残余应力得到释放；随着退火温度升高，硬度和抗拉强度先增大后减小，延伸率先减小后增加，800 ℃退火后，合金具有最高的硬度、抗拉强度 (581.2 HV、1330 MPa)为铸造性能(410 HV、945 MPa)的1.42倍、1.41倍。
2020, 49(12):4321-4328.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191078
摘要:
本文提出了一种数字化无模冷冻铸造成形方法。它是用纯水做砂型铸造用粘接剂，预混适量水分的型砂颗粒通过低温冻结后形成冷冻砂坯，然后进行基于减材制造成形原理的冷冻砂型切削的新技术。文中揭示了包覆型砂颗粒的水膜通过低温相变后冻结成冰晶粘接桥的微观形貌演化规律，发现冷冻砂型的强度是由冰晶颗粒和型砂颗粒的界面结合作用产生的，并且随着冷冻温度降低，砂型抗拉强度显著增加。同时系统地开展了A356铝合金在冷冻砂型中的快速凝固成形机理研究，包括冷冻砂型中铸件凝固的铸态微观组织、成分分布及力学行为。结果表明：随着凝固速率提高，组织中初生α-Al相的二次枝晶臂间距（SDAS）显著减小，晶粒尺寸明显细化，Si元素在基体中的溶解度增大。试件抗拉强度、塑性值和微观硬度值均显著升高，金属构件尺寸精度可达CT8级。
本文提出了一种数字化无模冷冻铸造成形方法。它是用纯水做砂型铸造用粘接剂，预混适量水分的型砂颗粒通过低温冻结后形成冷冻砂坯，然后进行基于减材制造成形原理的冷冻砂型切削的新技术。文中揭示了包覆型砂颗粒的水膜通过低温相变后冻结成冰晶粘接桥的微观形貌演化规律，发现冷冻砂型的强度是由冰晶颗粒和型砂颗粒的界面结合作用产生的，并且随着冷冻温度降低，砂型抗拉强度显著增加。同时系统地开展了A356铝合金在冷冻砂型中的快速凝固成形机理研究，包括冷冻砂型中铸件凝固的铸态微观组织、成分分布及力学行为。结果表明：随着凝固速率提高，组织中初生α-Al相的二次枝晶臂间距（SDAS）显著减小，晶粒尺寸明显细化，Si元素在基体中的溶解度增大。试件抗拉强度、塑性值和微观硬度值均显著升高，金属构件尺寸精度可达CT8级。
2020, 49(12):4329-4335.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191094
摘要:
本文以纯铝为基体，利用搅拌摩擦加工(FSP)制备GNPs/Al复合材料，研究了复合材料基体组织、增强相与界面等微观结构与力学性能，探讨了其增强机理。结果表明，添加GNPs并经FSP后复合材料基体晶粒得到明显细化且晶界由小角度为主转变为大角度为主；FSP制备过程致使GNPs片层一定程度剥离的同时，较大片径的GNPs被破碎而形成众多边缘缺陷，使其易发生Al-C原子扩散，结果在GNPs边缘与基体形成界面过渡；GNPs加入量约1.8vol%时，复合材料的屈服强度和抗拉强度达到72MPa和147MPa，较同等条件FSP的基体分别提高了89.5%和79.3%，理论计算界面载荷传递、Orowan和细晶强化依次是复合材料的主要增强机制；随着GNPs加入量的增加，复合材料屈服强度实验值与理论值的增长趋势一致，且偏差也略有提高，但可能因GNPs在复合材料中的杂乱排布，界面载荷传递强化不能充分发挥，实际的复合材料屈服强度与理论值尚有差距。
本文以纯铝为基体，利用搅拌摩擦加工(FSP)制备GNPs/Al复合材料，研究了复合材料基体组织、增强相与界面等微观结构与力学性能，探讨了其增强机理。结果表明，添加GNPs并经FSP后复合材料基体晶粒得到明显细化且晶界由小角度为主转变为大角度为主；FSP制备过程致使GNPs片层一定程度剥离的同时，较大片径的GNPs被破碎而形成众多边缘缺陷，使其易发生Al-C原子扩散，结果在GNPs边缘与基体形成界面过渡；GNPs加入量约1.8vol%时，复合材料的屈服强度和抗拉强度达到72MPa和147MPa，较同等条件FSP的基体分别提高了89.5%和79.3%，理论计算界面载荷传递、Orowan和细晶强化依次是复合材料的主要增强机制；随着GNPs加入量的增加，复合材料屈服强度实验值与理论值的增长趋势一致，且偏差也略有提高，但可能因GNPs在复合材料中的杂乱排布，界面载荷传递强化不能充分发挥，实际的复合材料屈服强度与理论值尚有差距。
2020, 49(12):4336-4340.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191095
摘要:
Sn作为三维封装芯片堆叠瞬时液相键合主要互连材料之一,本文研究了纳米Ti颗粒对三维封装Sn互连材料组织和性能的影响。结果表明：微量的纳米Ti颗粒可以提高Sn膏在铜基板表面的润湿铺展面积,显著增加Sn焊点的拉伸力和剪切力,但是过量的Ti纳米颗粒会恶化焊点的力学性能。基于Ti纳米颗粒含量优化分析证实纳米Ti颗粒的最佳添加量为0.1wt.%左右。对Cu/Sn/Cu和Cu/Sn-0.1Ti/Cu三维封装模拟件进行分析,发现Cu/Sn-0.1Ti/Cu焊点界面金属间化合物的厚度明显小于Cu/Sn/Cu,证实0.1wt.%可以显著降低金属间化合物的生长速度。 基于有限元模拟,发现0.1wt.%Ti可以显著降低三维封装互连焊点的应力-应变,提高三维封装互连焊点的可靠性。
Sn作为三维封装芯片堆叠瞬时液相键合主要互连材料之一,本文研究了纳米Ti颗粒对三维封装Sn互连材料组织和性能的影响。结果表明：微量的纳米Ti颗粒可以提高Sn膏在铜基板表面的润湿铺展面积,显著增加Sn焊点的拉伸力和剪切力,但是过量的Ti纳米颗粒会恶化焊点的力学性能。基于Ti纳米颗粒含量优化分析证实纳米Ti颗粒的最佳添加量为0.1wt.%左右。对Cu/Sn/Cu和Cu/Sn-0.1Ti/Cu三维封装模拟件进行分析,发现Cu/Sn-0.1Ti/Cu焊点界面金属间化合物的厚度明显小于Cu/Sn/Cu,证实0.1wt.%可以显著降低金属间化合物的生长速度。 基于有限元模拟,发现0.1wt.%Ti可以显著降低三维封装互连焊点的应力-应变,提高三维封装互连焊点的可靠性。
2020, 49(12):4341-4347.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191098
摘要:
以La2O3粉、Al粉、CuO粉为反应物原料、纯铜为基体,采用原位合成技术和近熔点铸造法制备颗粒增强Cu基复合材料,研究La2O3对Al-CuO体系制备的Cu基复合材料组织及性能的影响。结果表明：添加La2O3可获得纳米Al2O3颗粒,且弥散分布于Cu基体中,制备的材料组织更加细小、均匀,其材料的电导率及摩擦磨损性能明显提高。当添加0.6%wtLa2O3,复合材料的电导率达到90.2%IACS,磨损量达到最小,相比未添加La2O3,其导电率提高10.1%,磨损量减小36.6%。
以La2O3粉、Al粉、CuO粉为反应物原料、纯铜为基体,采用原位合成技术和近熔点铸造法制备颗粒增强Cu基复合材料,研究La2O3对Al-CuO体系制备的Cu基复合材料组织及性能的影响。结果表明：添加La2O3可获得纳米Al2O3颗粒,且弥散分布于Cu基体中,制备的材料组织更加细小、均匀,其材料的电导率及摩擦磨损性能明显提高。当添加0.6%wtLa2O3,复合材料的电导率达到90.2%IACS,磨损量达到最小,相比未添加La2O3,其导电率提高10.1%,磨损量减小36.6%。
2020, 49(12):4348-4353.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200351
摘要:
通过使用BNi5合金钎料对DD407镍基单晶合金的模拟缺陷进行了焊接修复。采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和微区XRD系统研究了修复区界面的微观组织、析出相、元素分布。结果表明：采用膏状BNi5合金能够对DD407镍基单晶的模拟缺陷进行局部修复。在修复区与母材之间会形成反应界面层，在反应层存在由于元素扩散引起的元素梯度分布，且会析出白色的Cr6Ni16Si7颗粒，随着保温时间延长，颗粒数量越多。随着保温时间的增加，修复区的界面宽度逐渐增加。当保温时间为120min时，界面宽度最大，约为224μm，完全采用BNi5合金作为修复填充金属是导致界面宽度随保温时间增加而增加的主要原因。但采用膏状BNi5合金作为填充材料对模拟缺陷进行修复无法完全复原试样的原始尺寸，还需要深入研究填充合金的成分和类型；同时，还需要进一步延长扩散时间，进而获得均匀的组织，为镍基单晶合金的TLP修复奠定基础。
通过使用BNi5合金钎料对DD407镍基单晶合金的模拟缺陷进行了焊接修复。采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和微区XRD系统研究了修复区界面的微观组织、析出相、元素分布。结果表明：采用膏状BNi5合金能够对DD407镍基单晶的模拟缺陷进行局部修复。在修复区与母材之间会形成反应界面层，在反应层存在由于元素扩散引起的元素梯度分布，且会析出白色的Cr6Ni16Si7颗粒，随着保温时间延长，颗粒数量越多。随着保温时间的增加，修复区的界面宽度逐渐增加。当保温时间为120min时，界面宽度最大，约为224μm，完全采用BNi5合金作为修复填充金属是导致界面宽度随保温时间增加而增加的主要原因。但采用膏状BNi5合金作为填充材料对模拟缺陷进行修复无法完全复原试样的原始尺寸，还需要深入研究填充合金的成分和类型；同时，还需要进一步延长扩散时间，进而获得均匀的组织，为镍基单晶合金的TLP修复奠定基础。
2020, 49(12):4354-4357.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191051
摘要:
高温超导带材一般运行于高压液氮的环境中,较大的压力可能会导致液氮渗透至带材内部。当带材由低温回温至室温时,汽化的液氮会对材料造成损伤。本文通过对不同工艺的高温超导带材进行高压液氮浸泡和回温处理,观测其性能的变化并研究相应的保护措施。
高温超导带材一般运行于高压液氮的环境中,较大的压力可能会导致液氮渗透至带材内部。当带材由低温回温至室温时,汽化的液氮会对材料造成损伤。本文通过对不同工艺的高温超导带材进行高压液氮浸泡和回温处理,观测其性能的变化并研究相应的保护措施。
2020, 49(12):4358-4364.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200100
摘要:
镉(Cd)、硼(B)和一些稀有元素具有较大的热中子吸收截面，在核屏蔽吸收中子领域具有较广泛的应用前景。本文概述了用于核电站乏燃料“湿法”贮存用中子吸收材料的种类，论述了各种中子吸收材料的优点和不足。阐述了铝基碳化硼(B4C/Al)中子吸收材料的研究进展以及不同制备方法的优点和不足，进一步介绍了搅拌摩擦焊方法和扩散焊方法在连接B4C/Al中子吸收材料过程中的优势。在此基础上，对新型中子吸收材料在成分、结构设计方面进行了分析，对未来核屏蔽用中子吸收材料进行了展望。
镉(Cd)、硼(B)和一些稀有元素具有较大的热中子吸收截面，在核屏蔽吸收中子领域具有较广泛的应用前景。本文概述了用于核电站乏燃料“湿法”贮存用中子吸收材料的种类，论述了各种中子吸收材料的优点和不足。阐述了铝基碳化硼(B4C/Al)中子吸收材料的研究进展以及不同制备方法的优点和不足，进一步介绍了搅拌摩擦焊方法和扩散焊方法在连接B4C/Al中子吸收材料过程中的优势。在此基础上，对新型中子吸收材料在成分、结构设计方面进行了分析，对未来核屏蔽用中子吸收材料进行了展望。
48 难熔金属高熵合金研究进展
2020, 49(12):4365-4372.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200246
摘要:
高熵合金以全新的设计理念及优异的性能引起广泛关注。难熔高熵合金（RHEAs）作为高熵合金的一类，主要由BCC晶体结构构成，具有高强高硬的特点，同时具有抗高温软化能力。本文针对难熔高熵合金制备方法、相结构、组织形貌、力学性能、应用领域等方面进行阐述，并对难熔高熵合金的发展方向进行了展望。
高熵合金以全新的设计理念及优异的性能引起广泛关注。难熔高熵合金（RHEAs）作为高熵合金的一类，主要由BCC晶体结构构成，具有高强高硬的特点，同时具有抗高温软化能力。本文针对难熔高熵合金制备方法、相结构、组织形貌、力学性能、应用领域等方面进行阐述，并对难熔高熵合金的发展方向进行了展望。
2020, 49(12):4373-4378.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191033
摘要:
总结了近年来国内外对Ni-Mn-Ti基全d族Heusler合金制冷性能的研究进展。介绍了该系列合金的晶体结构和原子占位,晶体结构为价电子数最少的Ti原子取代原主族元素的位置上形成L21或B2有序结构。改变处理工艺和掺杂元素对马氏体相变温度与居里温度有一定影响,可以借此手段将相变温度调节到室温附近以达到实际应用的目的。着重分析目前Ni-Mn-Ti基全d族Heusler合金的制冷手段及其原理,对未来该系列合金在制冷性能方面的发展进行了展望。
总结了近年来国内外对Ni-Mn-Ti基全d族Heusler合金制冷性能的研究进展。介绍了该系列合金的晶体结构和原子占位,晶体结构为价电子数最少的Ti原子取代原主族元素的位置上形成L21或B2有序结构。改变处理工艺和掺杂元素对马氏体相变温度与居里温度有一定影响,可以借此手段将相变温度调节到室温附近以达到实际应用的目的。着重分析目前Ni-Mn-Ti基全d族Heusler合金的制冷手段及其原理,对未来该系列合金在制冷性能方面的发展进行了展望。
2020, 49(12):4379-4388.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191071
摘要:
由于性价比优势明显，聚硅氧烷衍生硅氧碳（SiOC）陶瓷成为有机聚合物衍生陶瓷技术领域的重要研究内容。对纤维增强SiOC复合材料的研究则是推动聚硅氧烷衍生SiOC陶瓷技术发展的里程碑事件，多年来取得了显著进展，应用前景广阔。本文从不同种类的增强纤维入手，总结了纤维增强聚硅氧烷衍生SiOC陶瓷复合材料的研究现状；面向高温结构应用和功能特性拓展，提出了后续发展建议，指出了需要解决的关键问题。
由于性价比优势明显，聚硅氧烷衍生硅氧碳（SiOC）陶瓷成为有机聚合物衍生陶瓷技术领域的重要研究内容。对纤维增强SiOC复合材料的研究则是推动聚硅氧烷衍生SiOC陶瓷技术发展的里程碑事件，多年来取得了显著进展，应用前景广阔。本文从不同种类的增强纤维入手，总结了纤维增强聚硅氧烷衍生SiOC陶瓷复合材料的研究现状；面向高温结构应用和功能特性拓展，提出了后续发展建议，指出了需要解决的关键问题。
