通过表面机械加工调控Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5非晶合金的结构和韧性

作为一种新型结构材料,非晶态合金的韧性需要进一步提高.提高非晶态合金韧性的方法有引入枝晶相、调整其成分改变其泊松比影响其剪切带衍生、裂纹扩展等.本文通过表面机械加工的方法来调控非晶态合金的微观结构及韧性.我们采用真空电弧熔炼、亚稳态薄板离心浇铸系统制备了Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅(原子百分比)(Vit105)非晶合金板,并用表面机械研磨处理方法 (surface mechanical attrition treatment, SMAT),在Vit105板上形成纳米尺度局域类晶体序结构.基于差示扫描量热分析、纳米压痕实验,我们发现SMAT处理后的Vit105合金板表面附近弛豫焓更低,微观结构更加均匀、稳定.通过显微维氏硬度计测试,发现SMAT处理后样品的表面附近硬度增大,硬度值分布也更均匀.通过三点弯断裂实验,可得到SMAT处理后合金板缺口韧度值从70.7±4.7 MPa·m^1/2提高到112.8±3.7 MPa·m^1/2<...     

经不同表面改性处理的钛合金的微动疲劳和微动磨损行为对比研究

对比研究了钛合金微动疲劳(FF)和微动磨损(FW)失效行为,考察了表面喷丸强化和氮化等表面处理对钛合金微动疲劳和微动磨损性能的影响,探讨了钛合金微动磨损和微动疲劳性能的相关性.结果表明,钛合金微动疲劳和微动磨损损伤表面形貌特征相似;当微动位移幅较大、微动区发生整体滑动时,微动接触区磨损有利于延缓微动疲劳裂纹萌生;而在小位移幅、部分滑移情况下,局部磨损促进微动疲劳裂纹萌生.利用喷丸强化在钛合金表面引入残余压应力,可以在降低摩擦系数的同时,提高钛合金抗微动疲劳和微动磨损失效的能力;氮化处理后钛合金表面硬度提高,有利于改善其微动磨损性能,但表面韧性降低导致抗微动疲劳能力降低.因此,在提高表面硬度的同时,不应忽视表层韧性的降低对钛合金微动疲劳性能的不利影响.     

非晶合金剪切带动力学行为研究

剪切带是一种材料塑性变形高度局域化的变形模式,广泛存在于非晶体系的形变中,控制着这些无序体系失稳、灾难性断裂行为.传统的非晶体系如岩石,胶体,玻璃和聚合物等因较差的力学性能以及过于复杂的结构而不利于剪切带的实验研究.近几十年来,非晶合金的出现极大丰富了剪切带的研究,推进了对剪切带的认识.通过大量非晶合金中剪切带的实验和理论研究,人们发现剪切带行为具有空间不均匀性和时间不连续性的特征,表现出复杂的动力学特征,和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.同时,剪切带的性质尤其是其动力学行为对非晶合金的宏观力学行为和性能有重要的影响,对理解这类材料的微观变形机理也起着重要的作用.本文结合团队近年来在非晶合金剪切带行为方面的研究结果,对剪切带的运动行为和物理机制进行介绍,包剪切带间歇性运动行为、以及间歇性运动在表征其动力学性质中的作用以及物理机制,以及剪切带的自组织临界行为、物理机制等.最后对非晶合金剪切带行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.     

非晶合金剪切带动力学行为研究

剪切带是一种材料塑性变形高度局域化的变形模式,广泛存在于非晶体系的形变中,控制着这些无序体系失稳、灾难性断裂行为.传统的非晶体系如岩石,胶体,玻璃和聚合物等因较差的力学性能以及过于复杂的结构而不利于剪切带的实验研究.近几十年来,非晶合金的出现极大丰富了剪切带的研究,推进了对剪切带的认识.通过大量非晶合金中剪切带的实验和理论研究,人们发现剪切带行为具有空间不均匀性和时间不连续性的特征,表现出复杂的动力学特征,和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.同时,剪切带的性质尤其是其动力学行为对非晶合金的宏观力学行为和性能有重要的影响,对理解这类材料的微观变形机理也起着重要的作用.本文结合团队近年来在非晶合金剪切带行为方面的研究结果,对剪切带的运动行为和物理机制进行介绍,包剪切带间歇性运动行为、以及间歇性运动在表征其动力学性质中的作用以及物理机制,以及剪切带的自组织临界行为、物理机制等.最后对非晶合金剪切带行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.     

金属玻璃与爆炸加工

金属玻璃,亦称非晶态合金,它是近十几年来兴起的一种新材料,与一般合金相比具有强度高、韧性好、超耐腐蚀及高导磁等特性.经常采用有 Fe_(8c)·P_(18)·C_7·Fe_2·Ni_8·P_(13)·C_7及贵金属的 Pd_(30)·Si_(2c)等.六十年代金属玻璃仅仅是实验室的珍品,七十年代国外采用新工艺方法制成非晶态合金带及细丝做为商品出售,当时在世界上引起很大的反响.世界各国对非晶态合金的研究极为重视,1974年美国把非晶态合金的研究列为三大重点课题之一. ...     

数字图像相关法测量局域变形场中形函数和模板尺寸的影响

数字图像相关法测量均匀变形场已被普遍接受, 其测量结果可与应变片测量结果比较. 然而, 在工程测量中, 针对局域变形场(应变高度集中, 如波特文-勒夏特利埃带、试件缺口附近和裂纹尖端等), 应变片受限于其尺寸, 其测量结果是接触面内的平均应变值. 此时, 采用数字图像相关法能够测量这些局域变形场. 但形函数和模板尺寸等计算参数对计算结果影响很大, 这也导致使用者很难判断计算结果的可靠性. 论文通过对合金拉伸实验获得的不同应变梯度的波特文-勒夏特利埃带和模拟生成的带的计算分析, 发掘了形函数和模板尺寸作用于计算结果的深层机制, 证明了二阶形函数比一阶形函数更适用于高度非均匀的局域变形场. 提出了在局域应变场测量中, 当一阶和二阶形函数计算结果的相对误差小于10% 时, 二阶形函数的结果是可靠的判据.      

轴承钢滚动接触疲劳亚表面夹杂处损伤分析

轴承钢在滚动接触疲劳(RCF)中失效的主要原因之一是亚表面白蚀区(WEA)的形成.本文中从塑性应变累积引起剪切局域化新的角度对WEA进行了研究.通过耦合晶体塑性和相场损伤理论建立了损伤演化本构模型,研究了非金属夹杂处塑性应变累积和损伤演化.研究表明,接触疲劳载荷引起的塑性应变局域化导致了剪切带的形成.剪切带的形貌、取向和应变与WEA的一致,表明WEA实际上是应变局域化的剪切带.晶体取向对WEA损伤的形成和发展有很大的影响,WEA仅在择优的晶体取向下形成.与软夹杂周围的剪切带和损伤演化不同,硬夹杂处的剪切带与夹杂相切,形成的4条剪切变形带将夹杂“包围”.剪切带内部处于高应变和低应力的状态,带中心处应变达到最大,随带宽两侧急剧减小,而中心处应力却最小,几乎为零,沿带宽两侧增大,这说明裂纹在剪切带内萌生和扩展.该结论阐明了裂纹和WEA形成的关系,即裂纹是在WEA形成过程中因应变不协调产生,而非裂纹先产生,裂纹上下表面相互摩擦导致WEA形成.     

平头弹冲塞靶板的绝热剪切数值模拟

针对绝热剪切形成时由于变形高度局域化,塑性功产生的热导致局部高温,有时会伴随动态再结晶(DRX)的现象,采用一种考虑动态再结晶过程的绝热剪切破坏准则,利用有限元方法模拟了Arne工具钢平头弹冲塞Weldox 460 E钢靶板的实验.数值模拟揭示了剪切带产生、传播的过程,温度分布情况表明在绝热剪切带中具备动态再结晶形成的...     

分子动力学模拟金属玻璃板拉伸时剪切带的形成和演化过程

金属玻璃在低温高应力条件下容易生成剪切带而导致结构的破坏,大大限制了它的推广应用。本文采用分子动力学模拟研究了三种Cu64Zr36（不带缺口、一侧带缺口、两侧带缺口）金属玻璃板试样在拉伸过程中剪切带的形成和演化过程及其力学性能。结果表明：不带缺口金属玻璃板试样在低温高应力的拉伸过程中会自发出现局部剪切转变区,发生剪切局部化,继续拉伸会在与加载轴大约成45°方向上形成剪切带。剪切带的形成与剪切转变区的分布和局部化有关,带缺口比不带缺口的试样会更早出现应变局部化,即在较低的拉伸应变下便形成剪切带,其拉伸强度也相应较低。相同条件下,一侧带缺口与两侧带缺口的试样在拉伸强度上几乎相同,但两侧带缺口试样的应变局部化程度稍低,主要是两侧缺口处均出现了剪切转变区,导致其分布和局部化不够集中,这也是形成主剪切带和次剪切带的主要原因。以上结果为进一步从原子尺度理解金属玻璃剪切带的形成和演化特征提供了重要的信息。     

分子动力学模拟金属玻璃板拉伸时剪切带的形成和演化过程

金属玻璃在低温高应力条件下容易生成剪切带而导致结构的破坏,大大限制了它的推广应用。本文采用分子动力学模拟研究了三种Cu64Zr36（不带缺口、一侧带缺口、两侧带缺口）金属玻璃板试样在拉伸过程中剪切带的形成和演化过程及其力学性能。结果表明：不带缺口金属玻璃板试样在低温高应力的拉伸过程中会自发出现局部剪切转变区,发生剪切局部化,继续拉伸会在与加载轴大约成45°方向上形成剪切带。剪切带的形成与剪切转变区的分布和局部化有关,带缺口比不带缺口的试样会更早出现应变局部化,即在较低的拉伸应变下便形成剪切带,其拉伸强度也相应较低。相同条件下,一侧带缺口与两侧带缺口的试样在拉伸强度上几乎相同,但两侧带缺口试样的应变局部化程度稍低,主要是两侧缺口处均出现了剪切转变区,导致其分布和局部化不够集中,这也是形成主剪切带和次剪切带的主要原因。以上结果为进一步从原子尺度理解金属玻璃剪切带的形成和演化特征提供了重要的信息。     

爆炸自紧残余应力及对构件疲劳强度的影响

用贴腻子炸药法和动液压法两种爆轰工艺对不同类型厚壁构件实施了爆炸自增强处理,并对爆炸处理形成的残余应力进行了实验测定。对内壁有缺口和裂缝的厚壁圆环以及带缺口的超高压圆筒和四通构件进行了爆炸自紧处理并进行了疲劳实验检验,结果是:在高周疲劳阶段,经爆炸处理的构件缺口根部疲劳裂纹萌生寿命可提高5倍,内压疲劳开裂寿命可提高8~10倍。在低周塑性疲劳阶段构件的疲劳开裂寿命仍可提高1倍左右。由于用贴腻子炸药方法可使构件表面硬度增加从而获得更高的残余压应力,故其自增强效果优于动液压法。     

钛合金表面加弧辉光离子无氢渗碳层的摩擦磨损性能研究

利用加弧辉光离子无氢渗碳技术对Ti6Al4V合金表面进行渗碳处理;用球-盘摩擦磨损试验机考察了渗碳改性层的摩擦磨损性能.结果表明:Ti6Al4V合金表面经离子无氢渗碳处理后形成的表面改性层均匀;改性层的显微硬度同Ti6Al4V合金相比大幅提高,达到936HV;渗碳后的试样在干摩擦滑动距离较小的情况下表现出良好的减摩作用,耐磨性能也显著增强.     

动态载荷下剪切变形局部化、微结构演化与剪切断裂研究进展

总结和评述了近年来金属与合金变形局部化的形成、微结构演化与剪切断裂方面作者和相关的研究工作成果. 材料包括低碳钢, SS304不锈钢, Fe-15%Ni-15%Cr单晶, Al-Li合金,α-Ti和Ti-6Al-4V, Al/SiCp复合材料等.综述内容主要包括:采用改进的Hopkinson扭杆装置,对剪切变形局部化形成、发展和演化过程进行了实验观察与数值模拟;采用"侧剖"与"对接"等定点方法制备电子显微镜薄膜试样,对剪切带内相变与再结晶、非晶转变、旋涡结构等动态变形现象,以及与宏观动态力学行为对应的位错胞的形成、发展和坍塌等微结构特征进行了观测;提出了应变和应变率同时作为剪切带形成的两个必要条件的直接实验证据;在剪切带内发现了α'$-马氏体相变现象,以及相变产物与母体之间的晶体学关系;通过位错单滑移或交滑移等微观剪切最后发展成为宏观剪切的机制;对剪切带内再结晶结构的观测和对再结晶动力学本构关系的定量描述;对剪切带特别是``白色'腐蚀带(或相变带)的形成机制的分析和新的解释,指出 ``白色'是带内亚结构取向趋于一致,其在光学或扫描显微镜下很难辨认这些亚结构的取向差所致,并非表明剪切带内一定发生了相变;通过截断实验和实时跟踪观测发现,剪切带内微裂纹的萌生与聚合是材料承载能力骤然下降并导致最后断裂的主控因素.此外,本文对近年来在准静态和循环加载下材料的局部化形变与剪切断裂的实验结果予以简要评述,指出其微观机制与动态载荷下的截然不同, 是由位错的平面滑移所控制的,与热效应无关的等温变形.      

等径弯角挤压法制备的TiNiFe合金的滑动摩擦磨损性能研究

采用先进的等径弯角挤压工艺制备微米晶TiNiFe合金块体材料,分析经过等径弯角挤压工艺处理后TiNiFe合金的显微组织,测定其显微硬度,并考察等径弯角挤压工艺对TiNiFe合金摩擦磨损性能的影响.结果表明:高温等径弯角挤压处理可以细化TiNiFe合金的微观组织,显著提高其显微硬度和摩擦磨损性能;未经处理TiNiFe合金的磨损表面较为粗糙,沿滑动方向存在较深的犁沟和大块磨粒剥落,呈现出明显的磨粒磨损特征;而经过高温等径弯角挤压处理后,TiNiFe合金的磨损表面较为光滑、平整,呈现出较轻微的磨粒磨损特征.     

激光处理合金铸铁的摩擦磨损性能研究

利用SRV摩擦磨损试验机考察了激光微精处理合金铸铁的摩擦磨损性能,利用扫描电子显微镜分析了激光淬火组织剖面微结构及磨斑表面形貌,同时采用X射线光电子能谱仪(XPS)分析了激光微精处理合金铸铁的表面成分及典型元素化学状态.结果表明,激光处理的合金铸铁具有理想的表面形貌和较高的表面硬度,在含添加剂的油润滑条件下,其抗磨性能大幅度提高.3种添加剂的承载能力顺序为二烷基二硫代磷酸锌＞磷酸三甲酚酯＞硫化异丁烯.二烷基二硫代磷酸锌与激光微精处理的合金铸铁磨痕表面发生摩擦化学作用,形成由微量硫酸盐、磷酸盐及相应的氧化产物组成的表面润滑与防护薄膜,从而使得激光微精处理合金铸铁的摩擦磨损性能明显改善.     

组织结构对化学沉积镍磷合金层耐磨性的影响

本文通过光学和电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和磨损试验机研究了化学沉积镍磷合金层的组织结构与耐磨性的关系。研究结果表明,硬度不是影响化学沉积镍磷合金层耐磨性的唯一因素;组织结构对其耐磨性有很大影响:非晶态比晶态结构的耐磨性差,滑动摩擦时固溶体的耐磨性随其硬度升高而提高;在相同硬度条件下,机械混合物比固溶体的耐磨性好。机械混合物的耐磨性随Ni_3P硬质相的增加而提高。因此,为了获得优良的耐磨性,化学沉积镍磷合金层应在高温(>400℃)下加热,使其转变成镍磷固溶体和Ni_3P相的机械混合物组织。     

基于DIC的退火NiTi合金断裂力学行为研究

断裂是镍钛合金(NiTi合金)材料和构件失效的重要原因之一.为了研究退火工艺对NiTi合金断裂力学行为的影响,采用二维数字图像相关(Digital Image Correlation,简称DIC)加载系统分别在室温(19℃)和高温(150℃)环境下对经不同退火温度处理的带张开型(I型)缺口的NiTi合金试件进行单轴拉伸...     

TiAlNb9合金表面Si-Y共渗层的组织及摩擦磨损性能

通过1080℃下Si-Y扩散共渗5h的方法在TiAlNb9合金表面制备了Si-Y共渗层,采用SEM、EDS和XRD分析了共渗层组织结构,对比研究TiAlNb9和Si-Y共渗层与GCr15球对摩时的摩擦磨损行为.结果表明:Si-Y共渗层厚约33μm,组织均匀、致密,共渗层的外层主要为(Ti,Nb)Si2相,中间层分为上下两层,分别为(Ti,Nb)5Si4相和(Ti,Nb)5Si3相,内层为γ-TiAl相;在试验条件下,Si-Y共渗处理可显著提高TiAlNb9合金的抗摩擦磨损性能,TiAlNb9合金的磨损机理为犁削磨损和磨粒磨损,而Si-Y共渗层表面由于较高的硬度未发生明显磨损.     

表面粗糙度对TC4钛合金柱壳剪切带形成的影响

剪切带是材料在高应变率加载条件下特有的变形和损伤形式之一,关于影响金属材料中剪切带形成的敏感性因素及其机理的研究,一直是科学研究和工程设计中关注的重点问题. 在柱壳高速坍塌过程中,剪切带优先在内表面形核, 其形核及扩展行为受内表面介观状态的影响显著.本文采用爆轰加载厚壁圆筒坍塌实验技术,结合材料表面处理技术、微结构表征技术和剪切带理论模型分析,研究了内表面粗糙度变化对TC4钛合金柱壳剪切带形成影响的细观动力学规律.结果表明, 在爆炸加载形成的高应变率条件下,表面粗糙度对TC4钛合金柱壳中剪切带形成具有明显影响. 在相同的变形条件下,随着试样内表面粗糙度的增大, 剪切带数量、长度和形核速率均增大;表面粗糙度越大, 部分剪切带扩展速率越快, 剪切带长度差异越大,剪切带的屏蔽效应增强. 分析表明,实验获得的剪切带间距与W-O模型和M模型预测结果基本吻合,具体数值受试样内表面粗糙度影响, 随着表面粗糙度的增大,实验结果逐渐小于预测数值.      

NiAlCoCrFeTi系高熵高温合金的摩擦学性能研究

采用真空电弧熔炼技术制备了NiAlCoCrFeTi (HESA-1)和NiAlCoCrFeTiTaMoW (HESA-2)这2种典型的高熵高温合金,研究了其微观组织、力学性能和25～900℃的摩擦学性能.结果表明：2种合金均由无序面心立方晶格(FCC)结构的γ相和有序FCC结构的γ’相组成;γ相使该合金具有良好的塑性和韧性,γ’相赋予其较高的强度和硬度. 25～900℃,2种合金的摩擦系数和磨损率均随温度的升高而呈下降趋势. 25℃时,磨损机制主要为磨粒磨损,摩擦系数较大且磨损率较高. 400℃以上时,在摩擦氧化和热氧化的作用下,磨痕表面开始形成1层不连续的氧化物釉质层,摩擦系数和磨损率均有所降低.当温度达到900℃时,磨痕表面上形成了1层光滑且致密的氧化物釉质层,该釉质层具有良好的减摩抗磨作用,使HESA-1和HESA-2这2种合金的摩擦系数分别降至0.26和0.25,磨损率分别降至13.3×10^-6和8.0×10^-6 mm³/(N·m).在高温摩擦过程中,合金表面的Al、Cr、Ni和Co等元素在摩擦热和环境热的共同作...