马氏体相变微结构演化过程的模拟与分析

实验中观察到形状记忆合金在应力诱发马氏体相变过程中,出现多界面的微结构,马氏体相会逐渐长大变粗,同时会出现由马氏体形核造成的应力突然降低.用多阱的弹性能函数来刻画此相变与微结构演化过程,发现相变时会出现多界面的微结构且伴随着马氏体相的形核至奥氏体相的消失过程,出现了界面数先增后减的变化,同时应力会出现跳跃而不连续.相对应的动力学模型的有限差分的计算结果同样显示形核时出现了多界面的微结构并伴随着应力的大幅振荡,随着载荷的增加界面位置随之移动,使得马氏体相区域逐渐长大.理论分析与数值模拟的结果较好地刻画了实验中观察到的马氏体相变过程中的形核,产生多界面,再到马氏体逐渐长大这一微结构的演化过程.     

梯度纳米晶NiTi形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应相场模拟

通过建立考虑两个马氏体变体的二维相场模型,对梯度纳米晶镍钛(NiTi)合金系统的超弹性、单程和应力辅助双程形状记忆过程进行了模拟和预测.模拟结果显示: 在梯度纳米晶NiTi合金的超弹性过程中,较粗晶粒的区域保留了传统粗晶的马氏体相变和逆相变特征,即局部马氏体带的形核-扩展和缩减-消失, 而随着晶粒尺寸的减小,细晶粒区域表现为均匀相变的特点, 即无局部马氏体带产生; 此外,在超弹性和形状记忆过程中,马氏体相变和重取向都首先在较粗晶粒区域开始并逐步向细晶粒区域传播,而逆相变则相反.马氏体相变和重取向的逐步扩展使梯度纳米晶NiTi合金的应力-应变和应变-温度曲线呈现出“硬化状”,其可归因于纳米多晶NiTi合金中马氏体相变对晶粒尺寸的依赖性,即随着晶粒尺寸的减小, 相变或重取向壁垒逐渐增大,马氏体相变或重取向的形核、扩展越来越困难. 可见,梯度纳米晶结构具有比传统均匀晶粒尺寸NiTi合金更宽的相变应力区间、重取向应力区间和相变温度区间,可显著提高该合金非弹性变形的可控性.      

伪弹性TiNi合金圆薄板的准静态力学行为实验研究

采用阴影云纹和应变片方法对伪弹性TiNi合金圆板在固支条件下的准静态力学行为进行了实验研究,得到了载荷位移曲线、全场离面位移和局部应变等数据.载荷位移曲线呈现非线性、滞回耗能和无残余变形的特性,表明试样已经发生马氏体相变.应变测量显示,相变局限于加载中心较小区域,相变区内,环向应变大于径向应变,且拉伸侧应变大于压缩侧的应变.有限元模拟揭示出相变区内两侧表层的相变范围、相变铰区和马氏体相含量的不对称分布规律.     

试样形状对轴承钢绝热剪切带微观组织的影响

绝热剪切带(ASB)的微观组织受试样几何形状的影响。对圆柱、帽形和剪切压缩型三种不同形状的试样进行分离式霍普金森压杆高速冲击试验，研究试样形状对轴承钢绝热剪切带的形成和微观组织的影响。结果表明，在应变率为1 800～3 100 s^-1的范围内，材料对应变率的敏感性很低。圆柱试样呈现明显的应变硬化，而帽形试样和剪切压缩型试样(SCS)在不同应变率下分别出现应变硬化和无应变硬化的特征，但流变应力并未因应变硬化而提高。试样形状对ASB的微观形貌和组织有很大影响。圆柱试样上产生了窄且细长的ASB，只发生了应变诱发的晶粒细化，属于形变ASB；帽形试样和SCS则形成大片状的ASB，由等轴晶组成，且发生了体心立方体(BCC)马氏体转变为面心立方体(FCC)奥氏体的相变，属于相变ASB。尤其是SCS中ASB的等轴晶，有非常清晰的晶界，是典型的动态再结晶晶粒。温升计算结果显示，圆柱试样ASB的温升远低于奥氏体相变温度，而帽形试样和SCS的温升高于马氏体的熔点，导致局部熔融。     

热弹性马氏体相变连续介质热力学研究

介绍形状记忆合金热弹性马氏体相变连续介质热力学研究方法和最新进展, 着重分析 了在推广的非线性弹性力学的框架下, 应用变分方法研究热弹性马氏体相变的理论和方法、 存在的问题及发展趋势. 首先介绍如何计算马氏体相变24种变体的变形梯度, 然后拓展非 线性弹性力学, 引入描述相变的多阱非凸弹性势能, 进而讨论了界面能和非局部能对相变微 结构和相变过程的影响的相关研究理论方法和进展.     

具有体膨胀和剪切效应的结构陶瓷相变塑性细观本构模型:Ⅰ.非比例加载历史

本文在对结构陶瓷的四方至单斜(t→m)马氏体相变进行细观力学、热力学和微观机制分析的基础上,导出了在非比例加载条件下考虑材料的体膨胀和剪切效应的相变塑性细观本构模型。作者首次采用 Mori-Tanaka 方法以自洽的方式导出了材料构元的 Helmho-ltz 自由能及余能函数的解析表达式,它是外加宏观应力(或应变)、温度、相变夹杂体积分数以及夹杂内平均相变应变的函数,其中夹杂体积分数和平均相变应变为描述材料构元微结构变化的内变量。最后按 Hill-Rice 本构理论框架导出相变塑性屈服面方程及增量本构关系。     

TiNi合金冲击相变过程中温度变化规律的实验研究

针对初始SME(shape memory effect)和PE(pseudo-elastic)状态TiNi合金试样,采用带有红外测温系统的SHPB冲击压缩装置,实时测量了冲击相变过程中两种材料试样表面瞬态温度,并根据实验结果计算了相应的温度变化。实验结果表明,冲击加载相变过程中,温度随相变应变的增大而升高,当应变最大时,温度最高;卸载过程中,对初始PE状态试样,温度降低,对初始SME状态试样,温度保持最高温度不变或降低,这同加载最高温度有关;卸载完成后,两种试样温度均高于其初始温度。计算温度结果表明,相变耗散功对加、卸载相变过程中温度变化的作用不可忽略。     

具有体膨胀和剪切效应的结构陶瓷相变塑性细观本构模型:Ⅰ.非比例加载历史

本文在对结构陶瓷的四方至单斜(t→m)马氏体相变进行细观力学、热力学和微观机制分析的基础上,导出了在非比例加载条件下考虑材料的体膨胀和剪切效应的相变塑性细观本构模型。作者首次采用 Mori-Tanaka 方法以自洽的方式导出了材料构元的 Helmho-ltz 自由能及余能函数的解析表达式,它是外加宏观应力(或应变)、温度、相变夹杂体积分数以及夹杂内平均相变应变的函数,其中夹杂体积分数和平均相变应变为描述材料构元微结构变化的内变量。最后按 Hill-Rice 本构理论框架导出相变塑性屈服面方程及增量本构关系。     

马氏体相变过程中形核、失稳及多界面微结构的动力学模拟

材料发生相变的过程中会出现失稳、滞后回线及多界面的微结构等复杂现象，而稳定性的丧失使其动力学方程的求解十分困难。对于形状记忆合金中的马氏体相变，相变过程中材料的等效杨氏模量变为负值，使得传统的动力学方程成为病态的，无法直接求解，必须要进行正则化。而相变的滞后回线与微结构的出现也说明经典的弹性理论不再适用，必须要引入新的能量项以能刻画这些现象。本文在非线性弹性理论的框架下，引入应变梯度界面能和位移非均匀能，利用变分原理建立了材料相变的一维动力学模型。高阶项的引入极大地改善了方程的性质，使数值求解成为可能。计算结果表明，该模型确能较有效地描述相变时的失稳与微结构。     

Cu-Al-Mn相变合金对树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

将Cu-11.9Al-2.5Mn相变合金粉以20%,30%和40%的质量百分数掺入到酚醛树脂基摩擦材料中,采用摩擦试验机测试试样的摩擦系数和磨损率,利用扫描电镜观察试样的磨损表面,并比较分析了相变合金粉对试样摩擦和磨损性能的影响.结果表明:与未掺相变合金粉的试样相比,掺入合金粉后,试样的热衰退程度大大降低,盘温为350℃时摩擦系数反而略有升高.此现象应与Cu-11.9Al-2.5Mn合金发生逆马氏体相变,吸收摩擦热,延缓温度上升有关.当掺入比例为30%时,摩擦系数稳定性最好.随着掺入比例的提高,磨损率上升.当掺入比例提高至40%时,由于树脂相对量减小,使合金颗粒与基体的结合性能变差,合金颗粒脱落量增大,磨损率在350℃时剧增.     

Nonlinear viscoelasticity of fat crystal networks

The rheology of fat crystal networks under linear shear deformations has been extensively studied due to its role in material functionality and sensory perceptions. In contrast, there has been limited focus on their viscoelastic response under large shear deformations imposed during processing and product use. We probed the nonlinear viscoelastic behavior of fats displaying mechanics akin to ductile and brittle solids using large amplitude oscillatory shear (LAOS). Using the FT-Chebyshev stress decomposition method, and local measures of nonlinear viscoelasticity, we obtained rheological properties relevant to bulk behavior. We found that ductile fats dissipate more viscous energy than brittle fats and show increased plastic deformation. Structural characterization revealed the presence of three hierarchy levels and layered microstructures in ductile fats in contrast to only two hierarchies and random microstructures in brittle fats. We suggest that these structural features account for increased hypothesize dissipation, which contributes to their ductile-like macroscopic behavior.     

激光激励微型硅悬臂梁的振动特性研究

本文用光学探测方法研究了半导体硅悬臂梁的振动问题;运用基于外差干涉原理的实验装置得到了悬臂梁在激光激励下的振动响应（振动振幅和相位随调制激光频率的变化）;采用等离子波和热弹性波的数学模型,对悬臂梁的振动进行了理论分析;可看到实验与理论模拟结果吻合很好,同时通过分析可得振动相位与调制激光频率的平方根之间有线性关系。关键词词: 光学探测, 硅悬臂梁,振动.      

双相高强钢FeNiAlC的动态剪切行为及微结构机理

绝热剪切带是金属材料在高应变率载荷下常见的一种失效模式。利用霍普金森压杆装置,对双相钢Fe-24.86Ni-5.8Al-0.38C不同微结构的帽形样品施加冲击载荷,研究它的动态剪切变形行为及微结构机理。先通过对固熔处理得到的粗晶态样品进行大应变冷轧获得冷轧态样品,再使用透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征两种样品冲击前后微结构的变化差异。结果表明,双相钢FeNiAlC拥有较优异的动态剪切性能,剪切强度达1.3 GPa,均匀剪切应变达1.5。变形前,材料由奥氏体相和马氏体相构成,马氏体体积分数约为20%。变形过程由位错滑移和孪生变形主导,但因应变速率较高致使马氏体相变被抑制。不同微结构样品内均形成绝热剪切带,带内发生动态再结晶,形成超细晶粒,平均晶粒尺寸约300 nm,且剪切带内不发生相变;冷轧态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值(12.3 μm)较好吻合,而粗晶态剪切带宽度的实验值（14.6 μm）与理论计算值（30 μm）相差甚远,初步分析可能是因为粗晶态样品应变较大基本不满足完全绝热的理论条件。在变形过程中,粗晶态因塑性变形做功产生的绝热温升高达720 K,而冷轧态的只有190 K。通过实验结果与热塑模型分析,得出绝热温升不是形成绝热剪切带的唯一因素,而应考虑材料的微观结构和局部化变形等的共同影响。     

CHARACTERISTICS OF STRESS-INDUCED TRANSFORMATION AND MICROSTRUCTURE EVOLUTION IN Cu-BASED SMA

The mechanical behavior of shape memory alloys （SMAs） is closely related to the formation and evolution of its microstructures. Through theoretical analysis and experimental observations, it was found that the stress-induced martensitic transformation process of single crystal Cu-based SMA under uniaxial tension condition consisted of three periods： nucleation, mixed nucleation and growth, and merging due to growth. During the nucleation, the stress dropped rapidly and the number of interfaces increased very fast while the phase fraction increased slowly. In the second period, both the stress and the interface number changed slightly but the phase fraction increased dramatically. Finally, the stress and the phase fraction changed slowly while the number of interfaces decreased quickly. Moreover, it was found that the transformation could be of multi-stage： sharp stress drops at several strains and correspondingly, the nucleation and growth process occurred quasi-independently in several parts of the sample.     

乳、恒牙釉质及本质体外摩擦行为的对比研究

采用往复式滑动摩擦磨损试验考察了人体乳、恒牙牙釉质及牙本质在人工唾液润滑下的摩擦学性能.结果表明:人体牙的摩擦磨损行为同其微观结构密切相关;恒牙釉质磨痕表面存在轻微擦伤迹象;乳牙釉质的磨损表面主要呈现裂纹和轻微犁沟,二者都存在腐蚀磨损的现象;乳牙和恒牙本质的摩擦磨损行为相似,磨损明显加剧,磨斑表面呈现严重犁削和剥落特征.     

快速凝固过共晶铝硅合金的微观组织特征及耐磨性研究

利用单辊旋淬快速凝固法制备Al-21Si和Al-30Si过共晶铝硅合金,采用扫描电镜、透射电镜及XRD技术对所制备合金的组织形貌和相结构进行表征.结果表明:快速凝固合金形成微纳米晶组织,晶粒明显细化.Al-21Si过共晶合金凝固组织由羽毛针状(α-Al+β-Si)共晶体和雪花状α-Al相组成;快速凝固有效抑制初生硅相的形核与生长,α-Al相领先共晶形核生长,形成微纳米级亚共晶组织.Al-30Si高硅过共晶合金初生硅相细小钝化,初晶Si相显微结构为孪晶形貌,呈典型的过共晶组织特征.快速凝固显著提高了合金的显微度和耐磨性,快速凝固Al-21Si合金的耐磨性是传统铸造合金的5倍.     

确定复合材料宏观屈服准则的细观力学方法

运用细观力学中的均匀化方法，分析了含周期性微结构复合材料的宏观屈服准则，并对Hill-Tsai准则进行了修正。从基于复合材料细观结构的代表性胞元入手，运用塑性极限理论中的机动分析以及有限元方法，计算了细观结构的极限载荷域。通过宏细观尺度对应关系，得到复合材料的宏观屈服准则。     

Experimental investigation of the start-up phase during direct chill and low frequency electromagnetic casting of 6063 aluminum alloy processes

On the basis of conventional hot-top casting and Casting, Refining and Electromagnetic process, a lower frequency electromagnetic field was applied during the conventional hot-top casting process. Nine thermocouples (type K) were introduced into the metal to study the temperature profile in the ingot during the start-up phase of casting process. The experimental results show that under the effect of the low frequency electromagnetic filed, the heat transfer is changed greatly and the film boiling disappears, which could restrain the formation of fine subsurface cracks; the sump is shallow, and the macrostructure of the ingot butt is fine during the start-up phase of direct chill casting process.