超声自冲铆复合连接成形性及力学行为研究

该文选用6061和2A12航空铝合金薄板材料,进行自冲铆接和超声自冲铆复合连接试验,基于拉伸-剪切和电子显微镜测试,研究超声自冲铆接成形性及力学行为。结果表明：超声自冲铆接头较自冲铆接头的内锁量提升了44.8%;其钉头高度下降了34.4%;超声自冲铆接头的静载强度提升了18.1%,缓冲吸震性能提升了17.5%;超声焊接致使自冲铆接头的铆钉颈部与上板接触区域、铆钉腿部与上板接触区域形成固相焊;超声焊接可有效提高自冲铆接头的稳定性。     

压电振子阵列型超声喷丸强化*

为了提高超声喷丸强化加工的面积、效率及加工质量,对传统单振子超声喷丸强化技术进行了改进,提出了压电振子阵列型超声喷丸强化加工方法。分析了超声喷丸强化的机理,进行了压电振子的优化设计,分析了激振片的谐振响应,实验测试了系统样机在不同超声电源功率下弹丸撞击工件的区域分布;探究了超声电源功率、喷丸距离、弹丸直径和喷丸时间对加工样件显微硬度的影响,结果表明：以超声电源功率作为唯一变量,弹丸冲击工件表面的区域面积随超声电源功率增大而增大;7075铝合金样件的表面显微硬度及其提高率,随超声电源功率的增大、喷丸时间的增加、喷丸距离的减小及弹丸直径的增大而增大;超声电源功率为50W、喷丸时间为20min、喷丸距离为5mm、弹丸直径为1.5mm时喷丸效果最好,此时工件表面显微硬度增加量为65.1HV,表面显微硬度提高率为36.7%。压电振子阵列型超声喷丸强化技术可以有效增加喷丸冲击工件的面积,提高工件的表面显微硬度和加工效率。     

阵列式压电振子超声复合喷丸强化*

为了进一步改善超声喷丸强化质量,提升工件表面残余应力和显微硬度的均匀性,对压电振子阵列型超声喷丸强化加工系统进行了改进,提出了在强化加工过程中辅助工件往复运动的方法。对改进后的压电振子阵列型超声喷丸强化加工原理进行了阐述,分析了激振片的振动特性并进行了结构尺寸优化,应用Abaqus对工件往复运动下超声喷丸强化过程进行了仿真研究,分析了在不同的工件往复运动频率下,工件表面残余应力分布情况。实验测试了在不同喷丸强化时间及工件往复运动频率下超声喷丸强化加工质量,探究了喷丸时间和工件往复运动频率对工件表面显微硬度的影响。结果表明：在压电振子阵列型超声喷丸强化过程中辅助工件往返运动,可以有效提高工件表面残余应力和显微硬度分布的均匀性,工件表面强化质量得到提升。     

金属增材制件的超声无损检测与评价研究进展

金属增材制件在航空航天、核电等高端领域应用日益广泛,及时获取缺陷和微观组织结构信息,对改进制造过程、保证产品质量和相关设备的安全稳定运行具有重要意义。然而,特殊的制造工艺导致金属增材制件内部晶粒粗大,组织各向异性复杂,声波衰减严重,给超声检测带来了很大挑战。该文简要梳理了金属增材制造过程中常见的缺陷类型和成型件微观组织结构特征;从传统水浸式超声检测、相控阵超声检测和激光超声检测3个方面,重点论述了超声检测技术在金属增材制件缺陷检测领域的应用现状;提出基于超声检测技术无损评价金属增材制件微观组织结构和力学性能的原理以及评价模型建立方法,并对相关重难点做了阐述;最后总结了超声无损检测技术在金属增材制件质量评价领域应用中面临的挑战和发展趋势,并对未来应重点关注的研究方向给出建议。     

痕量改性纳米SiC粉体强化铸铁的组织性能

"为了提高传统铸铁材料的性能,对经过表面改性处理的纳米SiC粉体进行强化处理,并对微观组织、力学性能以及耐磨损性能进行了研究．结果表明,经过改性处理后,纳米SiC粉体表面形成结构缺陷,增加了表面活性,不仅有利于结晶形核,而且改善了石墨形态．作为外来异质核心的纳米SiC粉体改变了过冷度,导致基体组织中铁素体和珠光体比例发生变化．此外,加入质量分数仅为0.01%的纳米SiC粉体,就能够有效提高铸铁的力学性能和耐磨损性能,并在此基础上探讨了强化机理以及粉体之间的自由距．"     

微型轴承内滚道超声辅助超精研磨系统的设计研究*

为了提高5G基站中微型轴承的精度和使用寿命,基于微型轴承外套圈结构特征提出一种超声振动辅助研磨轴承外圈滚道的加工工艺。通过坐标变换及运动合成,获得了振动研磨轴承外圈滚道的工作面轨迹特点,阐明了振动高效研磨的本质特征;之后,分别采用等效电路法和有限分析法,建立了振动系统的等效电路图与频率方程,分析了该系统模型的固有模态与谐响应特性;最后,通过对自行研制的超声辅助研磨系统分别进行振动特性测试和加工效果测试。结果表明,加工系统振动频率相对设计频率的误差率为10‰,超声振幅为12.95μm,加工轴承滚道的粗糙度和轮廓度较传统研磨加工分别降低了27.17%和24.1%。     

阶梯圆环压电超声换能器径向振动性能的理论研究*

提出了一种阶梯圆环径向振动压电超声换能器,根据力电类比原理建立了阶梯圆环及阶梯圆环换能器的径向振动等效电路,推导了阶梯圆环的径向共振频率方程和位移放大系数,在此基础上进一步推导了换能器的径向共振和反共振频率方程。通过理论推导和有限元仿真模拟分析了阶梯圆环压电超声换能器的径向振动性能。结果表明,增大阶梯圆环中内外环的径向厚度之比K1或减小轴向厚度之比K2,阶梯圆环的一阶径向共振频率减小,二阶径向共振频率增大;在二阶径向共振模式下,K1、K2值在一定范围内阶梯圆环可实现由内向外的径向位移振幅放大;随着压电陶瓷圆环的内半径增大,阶梯圆环压电超声换能器的一阶、二阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振下的有效机电转换系数趋于零;增大阶梯圆环内环的外半径,换能器的一阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振和反共振频率先增大后减小,理论推导与仿真模拟结果符合良好。本文研究结果为阶梯圆环压电超声换能器的工程应用提供理论参考。     

高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究*

为探究临床常用的7 MHz高频聚焦超声在多层生物组织中的声传播以及毫秒级时间内的生物传热规律问题,基于Westervelt方程和Pennes传热方程,使用有限元方法建立高频聚焦超声辐照多层组织的非线性热黏性声传播及传热模型。首先分析了线性模型和非线性模型之间的差异,然后在非线性模型下探究换能器的参数对声场和温度场的影响。仿真结果显示：在7 MHz频率下,当换能器输出声功率超过5 W时,声波传播的非线性效应不可忽视(p <0.05);当声功率从5 W增大到15 W时,非线性模型与线性模型预测的温度偏差从20%增加到34.703%;高频聚焦超声波的非线性行为比低频更加显著,基频能量向高次谐波转移的程度增大,声功率为10 W和15 W时4次谐波与基波之比分别达到7.33%和12.12%;高频换能器参数的改变对组织中声场和温度场分布的影响较大,换能器焦距从12 mm减小到11.2 mm,焦点处最高温度增加了77%。结果表明,7 MHz聚焦超声的非线性声传播需要考虑到4次谐波的影响。该文提出的多层组织非线性仿真模型可为高频聚焦超声换能器参数优化及制定安全、有效的术前治疗方案提供理论参考。     

骨导超声听觉感知进展与研究*

骨导超声听觉感知是超声振动通过头骨传导产生听觉感知的一种特殊现象。本文首先介绍了骨导超声听觉感知研究领域的国内外发展现状,在此基础上设计了一套骨导超声听觉感知测试系统,并完成了系统的软、硬件平台实现。利用该系统,分别对听力正常和听力障碍被试者进行了主观测试,围绕单频超声感知效果及单频可听声、汉语语音由超声载波调制后的感知效果开展研究,比较了多种不同调制方式下的主观感知效果,并分析了空气传导声对实验结果的影响。     

超声辅助滚压系统的设计与研究*

鉴于风力发电机组主轴的复杂工作情况和疲劳断裂失效形式,提出一种基于表面强化技术的超声辅助滚压加工系统;首先基于运动合成原理,获得了滚轮接触线的运动轨迹特征,并应用ANSYS/LS-DYNA软件分析了加工过程的特点;之后,基于一维振动理论、等效波长理论与牛顿迭代理论,推导了并求解了复合变幅杆的频率方程,实现了该复合变幅杆的纵向振动。通过对该变幅杆进行有限元仿真分析与振动特性测试,结果表明二者相对设计频率的偏差仅在0.817％以内。最后,通过对40Cr主轴进行超声辅助滚压测试,结果获得了粗糙度Ra 0.085μm和表面硬度32.2HRC的加工表面,较普通滚压加工粗糙度降低了69.1％,显微硬度提高了60％。     

Effects and mechanism of ultrasonic irradiation on solidification microstructure and mechanical properties of binary TiAl alloys

In spite of their high temperature and reactivity, the binary TiAl alloys are successfully imposed by the ultrasonic irradiation and the microstructure evolution, solidification behaviors and mechanical properties are elaborately investigated. After ultrasonic irradiation, a high quality ingot without shrinkage defects and element segregation is obtained and the coarse dendrite structure is well modified into fine non-dendrite globular grains. The coarse lamellar colony and lamellar space of Ti44Al alloy is refined from 685 μm to 52 μm and 1185 nm to 312 nm, respectively (similarly, 819 μm to 102 μm and 2085 nm to 565 nm for Ti48Al alloy). For Ti48Al alloy, the α peritectic phase is simultaneously precipitated from the melt as well as the β primary phase before the peritectic reaction and the solidification is transformed into the mixed α-solidifying and β-solidifying. Ultrasonic irradiation promotes the peritectic reaction and phase transformation completely and the phase constituent becomes more close to the equilibrium level. The compressive strength of Ti44Al and Ti48Al alloys are increased from 623 MPa to 1250 MPa and 980 MPa to 1295 MPa, respectively. The grain refinement and dendrite transformation enhance the grain boundary sliding improving the plastic deformation ability. Ultrasonic irradiation significantly accelerates the melt flow and solute redistribution and the main grain refinement mechanism is the cavitation-enhanced nucleation by inclusion activation and heightened supercooling.     

金属氢化物力学性能的第一性原理研究

采用第一性原理方法详细研究了氟化钙结构的多种金属氢化物MH₂ (M= La, Nd, Gd, Tb, Y, Dy, Ho, Er, Lu, Sc, Ti, Zr, Hf)的力学性质(弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量).计算结果表明, MH₂ (M= La, Nd, Gd, Tb, Y, Dy, Ho, Er, Lu, Sc)在低温下具有稳定的氟化钙结构,其抵抗体积形变, 切应变和拉伸(或压缩)形变的能力从LaH₂, NdH₂, GdH₂, TbH₂, YH₂, DyH₂, HoH₂, ErH₂, LuH₂到ScH₂逐次递增, 而MH₂ (M= Ti, Zr, Hf)在低温下的氟化钙结构不稳定.通过对两种稳定的氢化物(TbH₂, ErH₂) 和两种不稳定的氢化物(TiH₂, HfH₂)的电子态密度以及差分电荷密度进行对比, 发现它们的稳定性与金属和氢之间的相互作用有密切关系.     

Ti-B-C-N纳米复合薄膜结构及力学性能研究

利用反应磁控溅射方法在单晶硅和高速钢(W18Cr4V)基片上制备出不同C含量Ti-B-C-N纳米复合薄膜. 使用X射线衍射和高分辨透射电子显微镜研究了Ti-B-C-N纳米复合薄膜的组织和微观结构,用纳米压痕仪测试了它们的硬度和弹性模量. 结果表明,利用往真空室通入C₂H₂气体的方法制备得到的Ti-B-C-N纳米复合薄膜中,在所研究成分范围内只发现TiN基的纳米晶. 当C₂H₂流量较小时,C元素的加入可以促进Ti-B-C 关键词： Ti-B-C-N薄膜 磁控溅射 微观结构 力学性能     

激光沉积修复BT20合金的显微组织和力学性能

针对BT20钛合金锻件当量孔损伤进行激光沉积修复试验,考察了修复试样的组织和力学特点。修复区与基材之间形成了致密冶金结合,Al,Zr,Mo,V合金元素由锻件基体到激光修复区均匀分布,无宏观偏析,硬度分布从基材到修复区依次提高。热影响区组织是由基材的双态组织过渡到网篮组织;修复区组织为粗大的原始柱状晶,晶粒内为/网篮组织,晶内片层取向随机, 宽0.4~0.5 m。修复过程中发现,激光加工工艺参数选择不当、坡度过大等原因会造成修复区组织形成气孔和熔合不良等缺陷,但是通过优化工艺参数可以获得无缺陷修复试样。修复试样的室温静拉伸结果表明,试样的抗拉强度接近锻件基体强度,但修复件的韧性比锻件稍有提高。     

金属丝力学性能测试的设计性实验

将金属丝力学性能测试实验引入设计性物理实验,自组手工加载机构,再配以力传感器和位移传感器,构成手工测量应力和应变及其关系的仪器.利用该试验装置对金属丝进行了测试,得到了应力-应变曲线和屈服强度、强度极限、延伸率等力学指标.     

Temperature dependent ultrasonic properties of aluminium nitride

Hexagonal wurtzite structured aluminium nitride has been characterized by the theoretical calculation of ultrasonic attenuation, ultrasonic velocity, higher order elastic constants, thermal relaxation time, acoustic coupling constants and other related parameters in temperature range 200-800 K for wave propagation along the unique axis of the crystal. Higher order elastic constants of AlN at different temperatures are calculated using Lennard-Jones potential for the determination of ultrasonic attenuation. A decrease in ultrasonic velocity with temperature has been predicted, which is caused by reduction in higher order elastic constants with temperature. The temperature dependent ultrasonic properties have been discussed in correlation with higher order elastic constants, thermal relaxation time, thermal conductivity, acoustic coupling constants and thermal energy density. Anomalous behaviour of the attenuation is found at 400 K. On the basis of attenuation, the ductility and performance of AlN have been studied.     

高温合金活性剂激光微焊接接头的组织性能研究

采用配方均匀设计法,配制了SiO2-MnO2-CaO-TiO2-CaF2-NaF多组元活性剂,利用微型脉冲激光器对500 m厚GH4169高温合金进行了活性剂激光焊接试验。分析并讨论了焊接接头的显微组织和力学性能。试验结果表明,与传统激光焊相比,所配制的20种活性剂均增加了焊缝熔深,并且其中F12系混合活性剂增加熔深能力最为显著,使焊缝深宽比增加了159%,证明通过使用活性剂来增加微激光焊焊缝熔深,降低高温合金板激光焊接的成本是可行的。在活性剂作用下,焊缝显微组织仍由柱状晶和等轴晶组成,接头抗拉强度达到927 MPa,为母材强度的92.7%。     

Application and mechanism of ultrasonic static mixer in heavy oil viscosity reduction

In the present study, heavy oil viscosity reduction in Daqing oil field was investigated by using an ultrasonic static mixer. The influence of the ultrasonic power on the viscosity reduction rate was investigated and the optimal technological conditions were determined for the ultrasonic treatment. The mechanism for ultrasonic viscosity reduction was analyzed. The flow characteristics of heavy oil in the mixer under the effect of cavitation were investigated using numerical modeling, and energy consumptions were calculated during the ultrasonic treatment and vis-breaking processes. The experimental results indicated that the ultrasonic power made the largest impact on the viscosity reduction rate, followed by the reaction time and temperature. The highest viscosity reduction rate was 57.34%. Vacuole was migrated from the axis to the wall along the fluid, accelerating the two-phase transmission and enhancing the radial flow of the fluid, which significantly improved the ultrasonic viscosity reduction. Compared to the vis-breaking process, the energy consumption of ultrasonic treatment process was 43.03% lower when dealing with the same quality heavy oil. The optimal process conditions were found to be as follows: ultrasonic power of 1.8 kW, reaction time of 45 min and reaction temperature of 360 °C. The dissociation of the molecules of heavy oil after ultrasonication has been checked. After being kept at room temperature 12 days, some light components were produced by the cavitation cracking, so the viscosity of the residual oil could not return to that of the original residual oil, which meant that the “cage effect” was not reformed.     

TaC和Ta2C结构稳定性、电子结构及力学性能的研究简

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对TaC和Ta2C的结构及结构稳定性、电子结构和力学性能进行了系统地分析和研究.研究结果表明:TaC的最稳定结构为岩盐构型(RS-TaC),而Ta2C在零压下的最稳定结构为C6-Ta2C,随着外压力的增大,在23.5GPa处最稳定结构转变为L′3-Ta2C.同时还计算分析了TaC和Ta2C稳定结构的电子结构特征,解释了该材料具有优异力学性能的微观机制,并计算分析了外压力对其力学性能的影响.