含氢气体环境中管线钢材料氢相容性评价的力学性能关键指标研究

本文在不同分压氢气环境中对材料为X42,X52,X60,X70和X80的管线钢材料进行慢应变速率拉伸、断裂韧性和疲劳裂纹扩展测试,研究了含氢气体对管线钢强度、塑性、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率等性能的影响,讨论了氢分压对管线钢材料氢环境相容性的影响,提出了适于管线钢氢环境相容性量化评价的关键力学性能指标和相应的指标测试方法,以便科学评估管线钢材料对氢环境的适应性。

     

钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在钛合金TC4表面制备了梯度结构DLC薄膜,并研究了DLC薄膜微观形貌结构、力学性能以及不同对偶球材料(包括4种陶瓷与4种金属材料)对其摩擦学性能的影响. 结果表明:所制备的梯度结构DLC薄膜表面相对光滑平坦且与基底结合紧密,具有良好的力学性能;对于陶瓷球/DLC配副,在摩擦过程中由于对偶球硬度较大且耐磨,从而在陶瓷球表面易于形成稳定的碳质转移膜,SiC/DLC、Si₃N₄/DLC和ZrO₂/DLC表现为轻微的磨粒磨损和黏着磨损,而Al₂O₃球表面的碳元素含量较高使得DLC薄膜虽然发生破损和剥落但其摩擦系数仍保持在较低水平;金属球/DLC与陶瓷/DLC相比较,由于金属对偶球硬度较低,在摩擦过程中碳质转移膜无法稳定地覆盖在金属球,引起较高的摩擦系数,Al/DLC主要表现为严重的磨粒磨损,而Brass/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC主要为轻微的磨粒磨损或黏着磨损;SiC/DLC、ZrO₂/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC的DLC薄膜均具有较低的摩擦系数和磨损率且对偶球的磨斑较小,故其为较合理的摩擦副. 赫兹接触分析表明,陶瓷/DLC中除了ZrO₂/DLC,平均摩擦系数和计算接触半径的变化趋势是一致的,而在金属/DLC中并未发现这一规律.      

复层孔隙分布铁基粉末冶金材料的力学和摩擦学性能

采用粉末冶金工艺制备基体致密、表层多孔含油的复层铁基含油材料,利用SEM、EDX和XRD分析材料微观组织形貌、组元和物相组成及断口形貌,并基于HDM-20端面摩擦磨损试验机评价其摩擦磨损性能. 结果表明:在铁基粉末冶金材料中添加适量TiH₂可有效提高材料的孔隙率,同时在孔隙附近内生TiC硬质相,有效弥补孔隙对力学性能削弱;添加TiH₂后,材料的硬度提高,压溃强度有所降低,材料的断裂机理逐渐由韧性断裂转变为脆性断裂;随着TiH₂含量增加,材料的摩擦学性能呈现先变好后恶化趋势,含质量分数3%TiH₂材料的综合力学和摩擦学性能较好,能实现较高强度与良好自润滑特性的统一. 研究工作为研制高性能铁基含油轴承材料提供新的思路.      

超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式,以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象,通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试,获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为,分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法,获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度,通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能,讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异,分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关,但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异;在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下,3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关,Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征,其断裂失效主要取决于材料的剪切强度,而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性,其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

标准超声振动气蚀孕育期内材料响应与表面形貌

材料在气蚀孕育期内仅发生极轻微的磨损,但以弹/塑性变形和晶粒拔出等方式对气蚀做出响应,具体的响应方式则随材料种类而不同.通过对孕育期内材料响应和磨损表面形貌的研究,探索不同材料响应与磨损表面形貌的关系,从而建立以表面粗糙度测量和光学显微镜观察等方式进行材料孕育期的研究.本文在标准超声振动气蚀试验机上进行了纯铜、镍基合金Hastelloy C-276和Sialon陶瓷共三种材料的气蚀试验,着重考察了它们在各自孕育期内的表面粗糙度参数（表面粗糙度R_a和核心粗糙度深度R_k）以及蚀坑面积比的变化.研究结果表明：纯铜和Hastelloy C-276在孕育期内主要以塑性变形为主.R_k不仅可以更好地反映孕育期乃至整个气蚀过程的材料表面形貌变化,还能反映不同金属在孕育期内塑性变形的程度.Sialon陶瓷在孕育期内以新蚀坑的形成为主,伴随着少量蚀坑的长大,蚀坑面积比很好地表征了陶瓷材料孕育期的变化.     

铁素体/珠光体组织对管线钢中氢扩散行为的影响

长距离管道输送是氢气输送的重要发展方向之一。氢在管线钢的扩散和局部聚集导致材料力学性能下降,在外界作用下引发脆性失效。因此,氢在管线钢材中的扩散和富集是评价管线钢相容性与判断管道升级可行性的重要参考依据。以三种不同等级的管线钢（X52,X65,X70）共22种材料为研究对象,结合图像处理技术与基于材料内铁素体/珠光体组织结构的连续介质数值计算,推算长期服役后结构内部氢的扩散和富集。考虑到铁素体和珠光体组织中的氢扩散速率与晶界的扩散阻碍作用,通过对比量化不同铁素体/珠光体的结构分布和组织取向下氢质量浓度和扩散通量的差异,分析铁素体/珠光体组织对管线钢中氢的扩散和富集作用,为长距离输氢管道材料选用提供技术参考。

     

C2H2/Ar流量比对a-C:H涂层结构及摩擦学性能的影响

a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能,使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景,而涂层中的H含量和sp2C/sp3C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素. 本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层,对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:增大C₂H₂/Ar流量比,涂层的生长率及H含量逐渐增大,但致密性降低. 由于涂层中C-H键及致密性的变化,a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C₂H₂/Ar流量比的增大而逐渐减小,但结合强度却先增大后降低. 当C₂H₂/Ar流量比低于4:3时,涂层表现出良好的减摩耐磨性能,当C₂H₂/Ar流量比高于4:3时,涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象. 总体而言,a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C₂H₂/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势. 由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化,使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损. 当C₂H₂/Ar流量比为1:1时,a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10?8 mm3/(N·m)],表现出最佳的力学及摩擦学性能,这种性能的变化与涂层中的H含量和sp2C/sp3C比密切相关.      

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

PTFE材料在高应变率冲击下的力学性能

聚四氟乙烯(PTFE)在高速碰撞或者爆炸加载时的应变率可高达10⁶ s^-1,高应变率下PTFE材料的力学响应会对其材料性能产生较大影响。本文中采用压剪炮试验系统(PSPI)测试了PTFE材料在高应变率(10⁵~10⁶ s^-1)下的压缩力学性能,实验中碳化钨(WC)飞片板以一定速度撞击由前靶板、试件和后靶板组成的三明治结构,并采用激光干涉仪记录后靶板自由面的速度变化。对实验结果处理后得到该PTFE材料的应力应变数值,并拟合得到应力应变曲线。本研究对PTFE/金属复合材料制成的动能侵彻体强度及其冲击碎化机理的分析具有指导意义。

     

碳化硅薄膜的力学性能测试分析

对利用射频磁控溅射及真空退火方法在(100)硅晶片衬底上制备的纳米晶碳化硅(SiC)薄膜,用纳米压痕仪进行了力学性能测试分析。纳米压痕技术测试给出两块SiC薄膜样品I和II的弹性模量/硬度分别约为106GPa/9.5GPa和175GPa/15.6GPa。纳米划痕技术测试两块SiC薄膜的摩擦系数分别约为0.02~0.15和0.05~0.18,显示出良好的润滑性能;对薄膜的临界附着力等进行测量以评价膜基结合强度,分析了划痕过程中薄膜近表面弹塑性变形和断裂信息。在原子力显微镜下对SiC薄膜样品的初始表面及残余压痕和划痕形貌进行了观察分析,与测试结果相符。综合比较,样品II的整体性能优于样品I。本文中薄膜的弹性模量和硬度值较低可归因于制膜技术的不同和表层碳含量偏高。     

Nano-Ni粉体对Fe/WC涂层组织和性能的影响

在Fe/WC喷涂材料中添加不同量的Nano-Ni粉体,采用亚音速火焰喷涂技术在Q235基体上制备涂层,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等设备进行显微组织、表面形貌观察及物相分析,利用MM-W1磨损试验机和HXD-1000TM型显微硬度仪对涂层的性能进行测试.结果表明:Nano-Ni粉体可以细化涂层组织,提高涂层的致密性,随着Nano-Ni粉体添加量的增大,相应的力学性能均得到提高,在涂层形成过程中Nano-Ni粉体与喷涂材料中的其他成分形成了一些新相,如Fe-Ni固溶体和CeNi3,这些新相为改善涂层组织和提高涂层的力学性能起到积极作用.     

TiSiN/Ag纳米多层涂层海水环境磨蚀性能研究

本文中采用多弧离子镀系统在Ti-6Al-4V合金(TC4)上沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层. 使用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描型电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构,并使用纳米压痕测试其硬度. 用Rtec MFT500摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦磨损性能进行测试. 结果表明:涂层具有致密的结构和清晰的多层界面,TiSiN层与Ag层交替沉积,涂层中包含TiN、Ag和Si₃N₄相,非晶Si₃N₄包裹纳米晶TiN. 相比TC4合金基体,沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层后,摩擦系数在大气环境和海水环境均能下降0.15以上,磨损率降低两个数量级. 人工海水中摩擦状态下材料出现腐蚀摩擦交互作用,主要损耗形式为腐蚀对磨损的促进,TiSiN/Ag纳米多层涂层的耐磨蚀性能远优于基体材料.      

钛合金表面掺金属类金刚石薄膜的摩擦磨损性能研究

采用阳极层流型矩形气体离子源结合非平衡磁控溅射法在钛合金基体表面制备掺金属类金刚石(Me-DLC)薄膜,通过X射线光电子能谱仪、俄歇微探针、表面形貌仪及扫描电子显微镜等对薄膜结构进行表征,用SRV型摩擦磨损试验机评价其摩擦磨损性能.结果表明,类金刚石薄膜可以提高钛合金基体的承载能力和硬度,对基体材料起到有效的耐磨减摩作用,掺钨类金刚石薄膜的硬度及膜/基结合强度较高,具有良好的耐磨减摩性能,且在膜层承载能力范围内,载荷越高,DLC梯度薄膜的摩擦系数越小.     

工艺过程对固体氧化物燃料电池材料力学性能的影响

固体氧化物燃料电池在生产过程中采用不同的加工手段,加工过程会产生一定的损伤,同时材料烧结过程产生比较大的残余应力,这些因素都会影响电池的使用寿命和完整性.本文通过实验测试,研究了不同加工过程对材料性能的影响,其中包括直接冲剪,激光切割以及切割后研磨等方法,并测试了这些加工手段对应的试件的强度.结果显示,直接冲剪法造成性能的分散性比较大,激光切割的性能较好,而研磨加工法对材料的性能影响最小;受残余应力或各层有效应力的作用,单层阳极材料的强度要高于双层电池结构材料的强度;利用弯曲法测试了半电池结构中的残余应力和不同薄膜对应的厚度残余应力,测试的结果和热弹性力学计算结果进行了对比.由于在高温时阳极材料有应力松弛现象,计算得出的残余应力高于实验测试结果.     

异种不锈钢激光焊缝材料的动态本构关系

利用等应变测试法获取了304及316L激光焊接焊缝材料的准静态应力应变曲线,发现焊缝材料 具有明显的细晶硬脆化趋势。利用SHTB技术对304、316L及焊接构件材料高温动态力学性能进行了研究。 根据动态实验数据对不锈钢304及316L母材应变率及温度相关的Johnson-Cook本构方程参数进行了拟合。 利用LS-DYNA建立了SHTB动态拉伸实验数值模型,发现了在应力波加载初始阶段由于结构效应及材料 阻抗不匹配引起的应力不平衡现象。通过动态实验与数值模拟相结合的方法确定了焊缝材料的应变率相关 本构参数。     

热氧化温度对TC4钛合金在生理盐水中腐蚀磨损性能的影响

本文中考察了在大气环境下经热氧化处理后TC4钛合金在生理盐水中的腐蚀磨损性能,重点研究了热氧化温度(500~900 ℃)对TC4钛合金的表面氧化物薄膜的结构及腐蚀磨损性能的影响. 结果表明:经热氧化处理后TC4钛合金表面的氧化膜的结构主要由三部分组成:TiO₂与α-Al₂O₃混合组成的表层,以TiO₂为主的亚表层以及氧扩散层内层,热氧化温度对氧化膜的物相结构、表面硬度、膜基结合性能和腐蚀磨损性能有显著影响,其中,在700 ℃下热氧化处理获得的氧化层膜基结合性能最好,表面硬度最高,耐腐蚀磨损性能最好.      

DZ125高温合金表面激光熔覆Co基合金的组织和冲蚀性能研究

利用激光熔覆技术在DZ125高温合金表面制备了Co基合金熔覆层,采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪及HV-1000型显微硬度计测试了Co基合金熔覆层的组织结构,截面显微硬度.利用自制冲蚀设备对其耐冲蚀性能进行研究.结果表明:熔覆层与基体形成良好的冶金结合,交界处组织具有定向凝固特征且晶粒生长方向垂直于界面;在不同角度下熔覆层耐冲蚀性能各异,熔覆层的硬度是材料抗冲蚀性能影响因素之一.     

氢在钢管壁内的扩散及氢腐蚀实验研究

运输含氢气氛的钢管会发生氢腐蚀而性能受损。本研究通过分析原子氢渗透扩散机理,选取常用的三种钢管（20#,16Mn,X52）进行Devanathane–Stachurski渗氢实验。采用扫描电子显微镜分析渗氢后钢材形貌,并以动电位极化曲线比较渗氢前后自腐蚀电位和电流的变化。结果表明：20#钢的氢扩散系数最大,X52最小。随着充氢电流密度增大与充氢时间增长,钢材腐蚀程度也加剧。动电位极化曲线测试表明,16Mn自腐蚀电流上升两个数量级,性能下降明显;X52钢的抗腐蚀性较好,性能下降最少。

     

电镀铜薄膜力学性能的实验研究

电子器件中大量使用铜膜作为电信号通道,而且一般采用电镀工艺制成.铜膜的力学性能参数对于其热疲劳可靠性的研究非常重要.目前有关该材料的力学性能研究尚不充分,而且数据极为不统一.本文借助于纳米压痕法、声发射等实验手段对电镀铜薄膜的静态力学性能(包括弹性模量和屈服强度等)及疲劳性能进行了测试.结果发现,与大块铜材料相比,电镀铜薄膜的弹性模量低很多,但屈服强度与大块铜材料相当,甚至高出200％.同时,本文采用弯曲疲劳实验,以电阻变化为失效判据,对镀铜材料的疲劳性能进行了测试,获取了该材料不同失效判据下的疲劳寿命预测模型的系数.     

陶瓷粉填充尼龙1010的摩擦磨损性能研究

以微米级有机陶瓷粉末为增强材料,用KH-550硅烷偶联剂对陶瓷粉末进行表面处理制备出陶瓷/尼龙复合材料,在环-块摩擦磨损试验机上评价了陶瓷/尼龙复合材料与钢配副的摩擦磨损性能,并对其力学性能进行测试.结果表明:陶瓷粉末含量在5%～25%时,陶瓷/尼龙1010复合材料的摩擦系数增至0.46左右,当陶瓷粉末含量为30%～40%时,其摩擦系数降至0.41;含5%～40%陶瓷粉末的陶瓷/尼龙1010复合材料的相对磨损率为纯尼龙相对磨损率的26%～42%;陶瓷粉末填充尼龙可以提高复合材料的力学性能,其表面硬度随着陶瓷粉含量增加而呈线性增长,拉伸强度提高16.7%;硅烷偶联剂能够改善陶瓷粉末与尼龙基体的结合强度.这是由于复合材料表面熔融和粘着转变为浅的犁沟,致使陶瓷/尼龙1010复合材料的相对磨损率减小.