以在我国西北风沙环境下运行 1.73×106 km的动车组动车和拖车ER8 钢车轮轮毂为研究对象,通过硬度测试、表面和截面损伤形貌观察等方法,分析了动车和拖车车轮轮毂表面的微动损伤行为.结果表明:动车车轮轮毂表面平均硬度约为 335 HV,硬化层深度约为 300 μm,最大塑性变形层厚度约为 29 μm,均大于拖车车轮轮毂(310 HV,250 μm,25 μm);拖车车轮轮毂表面损伤以相互交错的浅犁沟为主,同时存在较多连片的剥落坑和疲劳裂纹,并发生氧化磨损,截面损伤以剥落为主,部分区域还存在小角度的长裂纹;动车车轮轮毂表面损伤主要为方向一致的深犁沟和少量大剥落坑,表面疲劳裂纹较少,截面损伤以小角度长裂纹为主,部分区域表层存在沿塑性变形线向内部扩展的裂纹.
以AlxCoCrFeNi高熵合金(x=0,0.5,1,物质的量比)作为黏结剂,采用低压烧结法制备Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了AlxCoCrFeNi高熵合金黏结剂对金属陶瓷微观结构和高温抗氧化性能的影响.结果表明:所制备的金属陶瓷均主要由面心立方(FCC)结构的Ti(C,N)相和FCC结构的高熵合金黏结相组成,在高温烧结时Al0.5CoCrFeNi和AlCoCrFeNi高熵合金发生了体心立方(BCC)结构相到FCC结构相的转变;金属陶瓷中均形成了典型的芯-环结构,以AlCoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷中含有较多孔隙;在1 000℃氧化6 h后,以CoCrFeNi、Al0.5CoCrFeNi和AlCoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷的单位面积质量增加量分别为3.58,2.95,2.81 mg·cm-2,以Al-CoCrFeNi高熵合金为黏结剂制备的金属陶瓷具有最优的高温抗氧化性能.
对液压支架用中厚Q960钢板进行焊接热模拟试验,分析了不同冷却速率(0.5～100℃·s-1)下热影响区粗晶区的显微组织和硬度;通过铁研试验和焊接接头力学性能试验,对机器人焊接工艺进行了确定.结果表明:在焊前预热100℃条件下,当冷却速率低于80℃·s-1,即焊接热输入大于6.5 kJ·cm-1时,模拟得到热影响区粗晶区硬度可稳定在420 HV以下;在焊前100℃预热,焊接热输入为13.95 kJ·cm-1条件下,机器人焊接Q960钢板接头具有良好的抗冷裂纹敏感性;匹配ER96-G焊丝,13.02～15.18 kJ·cm-1焊接热输入下机器人焊接中厚Q960钢板接头的性能均能满足标准要求.适宜的机器人焊接参数为焊前预热100℃、焊接电流460 A、电压33 V、焊接速度60 cm·min-1、送丝速度8.5 m·min-1,此时焊接熔敷率可达到8 kg·h-1.
增材制造以及焊接过程都是多物理场耦合的复杂过程,难以采用试验方法直接观测熔池显微组织的演变过程.随着计算材料学和数值模型的快速发展,从数值模拟出发研究凝固过程中的显微组织演变成为可能.对比分析了几类常用的显微组织模拟方法,其中相场法在晶粒形貌模拟准确性上具有独特的优势.综述了相场法在增材制造及焊接领域模拟显微组织的应用现状,并对未来的研究方向进行了展望.
某超临界机组小汽轮机轴封回汽管道运行8.1 × 104h时发生断裂.采用宏观形貌观察、金相检验、硬度检测、力学性能试验等方法分析了该回汽管道断裂的原因.结果表明:回汽管道所用TP304H奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀能力差,且在冷弯后未进行固溶处理,造成弯头处位错密度和残余应力增加,从而加速了含铬化合物的析出,形成了晶间贫铬区;在腐蚀环境及残余应力等因素综合作用下,管道内外表面萌生晶间腐蚀裂纹,裂纹沿贫铬区被弱化的晶界不断扩展,最终导致回汽管道发生晶间腐蚀断裂.
制备了 CCF300碳纤维/BA9916-Ⅱ环氧树脂复合材料加筋壁板,研究了该加筋壁板在干态和湿热状态下的压缩行为;建立加筋壁板有限元模型,使用经验公式对湿热环境下的材料参数进行修正,通过模拟分析了不同状态加筋壁板的压缩屈曲与后屈曲行为,并进行了试验验证.结果表明:加筋壁板在干态与吸湿状态下均有较强的后屈曲承载能力;湿热环境会对加筋壁板稳定性与承载能力造成较大负面影响,随吸湿时间延长,其屈曲及破坏载荷均呈先快后慢的下降趋势;模拟得到干态加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷与试验结果的相对误差分别为3.1％和5.2％,吸湿饱和态下的相对误差分别为5.6％和6.9％,误差较小,证明了所采用模拟方法的准确性和所建立有限元模型的合理性.
研究了预应变(0.5％,1.0％,1.5％,2.0％,2.5％)、加载应变速率(4.0×10-5,1.2× 10-4,4.0×10-4 s-1)和连续温度应力松弛试验的初始温度(750,900 ℃)对DZ411定向凝固镍基合金应力松弛行为的影响;基于加工硬化和回复软化动态平衡的稳态变形,假设稳态松弛应变速率与传统蠕变持久试验的最小蠕变速率随应力的变化规律一致,通过短时应力松弛试验对最小蠕变速率进行预测,并进行验证.结果表明:试验合金在加工硬化和回复软化动态平衡时开始松弛,当预应变不低于1.0％时能快速达到稳态松弛;初始温度对稳态松弛行为的影响较小;加载应变速率会影响起始松弛应变速率,但对稳态松弛应变速率随应力变化的影响较小;通过稳态松弛应变速率主曲线可以预测不同温度、应力下的最小蠕变速率,蠕变持久试验结果均落在稳态松弛应变速率主曲线的99％可靠度曲线内.
采用雾化法制备Fe-9Cr-1.5W-0.3Ti-0.3Y合金粉,经不同时间(12,20 h)球磨处理后,使用热等静压工艺制备9Cr氧化物弥散强化(ODS)钢,研究了 9Cr-ODS钢的显微组织与拉伸性能.结果表明:雾化合金粉末为规则球状α-Fe相合金粉,平均粒径为47.83 μm,晶粒尺寸约为20μm;球磨20 h后,合金粉末的平均粒径和晶粒尺寸均明显下降,分别为30.50 μm,12 nm;随着球磨时间的延长,制备的9Cr-ODS钢的晶粒尺寸减小,析出相含量增加;延长球磨时间有利于提高9Cr-ODS钢的室温和高温抗拉强度,但不利于提高高温韧性.
激光熔覆技术是一种发展前景广阔的新型表面改性技术,既满足了材料表面特定性能的要求,又节约了大量的贵重元素.裂纹问题是制约激光熔覆技术广泛工业化应用与进一步发展的主要阻碍之一.介绍了激光熔覆层裂纹产生的原因,综述了裂纹的控制措施,包括熔覆层材料成分设计、设置过渡层、工艺参数优化、基体预热、外场(力)辅助等,最后对当前激光熔覆层裂纹控制措施中仍存在的问题进行了总结,并展望了未来的研究方向.
采用TC4钛合金薄板防屈曲装置,在不同扭矩(1.5～2.5 N·m)和不同应变水平(0.25％～1.0％)下对SAPH440钢薄板试样进行拉压疲劳试验,研究了摩擦力对薄板试样疲劳寿命的影响,验证了防屈曲装置的适用性.结果表明:在以弹性应变为主导的低应变水平(0.25％)下,试样的疲劳寿命随摩擦力的增大而略微降低;在以塑性应变为主导的中高应变水平(0.5％～1.0％)下,试样的疲劳寿命随摩擦力的增大而增大;应变水平为0.25％,0.5％时试样裂纹扩展区中段疲劳辉纹间距均值分别为0.45,0.86 μm,随着应变水平继续增大,疲劳辉纹变得不明显,出现了较为明显的二次裂纹.
以Q345低合金高强钢对接接头为研究对象,建立热-冶金-力学耦合的三维有限元模型,在考虑相变情况下采用三维双椭球体热源模型对单道焊的焊接温度场进行数值模拟,再基于提取的热循环曲线(TCC)对该热源模型进行简化.分别采用三维双椭球体热源模型和基于TCC简化的热源模型对单道焊和多道焊对接接头的残余应力进行计算,并进行了试验验证.结果表明:根据温度场模拟得到的单焊道焊缝TCC与试验结果吻合良好,相对误差小于2.34％,验证了提取的TCC的准确性;采用三维双椭球体热源模型和基于TCC简化热源模型模拟得到的接头残余应力与试验结果吻合良好,其中单焊道接头纵向残余应力相对误差分别小于11.38％,4.34％,验证了 2种模拟方法的准确性;与三维双椭球体热源模型相比,基于TCC简化热源模型的计算效率提高32％以上.
对铁道机车用轴承钢锻坯进行水淬预处理,再分别对锻坯和水淬预处理钢进行奥氏体化+等温淬火处理,研究了水淬预处理对轴承钢显微组织和力学性能的影响.结果表明:轴承钢锻坯的显微组织为珠光体十铁素体,水淬预处理后组织变为马氏体+少量铁素体;奥氏体化+等温淬火处理后,锻坯和水淬预处理钢中都出现了细长贝氏体板条束和块状马氏体/奥氏体(M/A)岛,水淬预处理钢中的贝氏体板条束更细小,M/A岛数量更多且尺寸更小;奥氏体化+等温淬火处理后,水淬预处理钢的抗拉强度和屈服强度较锻坯分别提高了 8.68％和17.07％,冲击功也高于锻坯,但两者的断后伸长率相近.
采用下引连铸定向凝固技术制备直径为14 mm的Cu-2Ag-0.04La合金棒,再经过连续挤压获得直径为7 mm的合金丝,最后经过6道次拉拔获得直径为2 mm的合金线,研究了连续挤压及拉拔对合金组织和性能的影响.结果表明:铸态合金在连续挤压时,｛001｝<100>织构减弱并形成少量的｛111｝<112>和｛110｝<112>织构,经过拉拔后,｛001｝<100>织构基本消失,｛111｝<112>和{110｝<112>织构增强.连续挤压态合金的抗拉强度、断后伸长率、硬度、导电率分别为270.0 MPa,31.2％,84.3 HV,93.2％IACS,拉拔后分别为 566.1 MPa,4.6％,151.6 HV,88.9％IACS.
对S31035钢进行喷丸处理,再在665 ℃下进行高温蒸汽氧化试验,研究了喷丸处理对该钢抗高温水蒸气氧化行为的影响.结果表明:未喷丸试样在氧化100 h后即出现明显的氧化物衍射峰,氧化3 000 h后形成双氧化物层,氧化膜厚度约为8.07 μm;喷丸试样在氧化1 000 h后才出现微弱的(Fe,Cr)2O3衍射峰,在氧化3 000 h后表面氧化膜仍然较薄,厚度仅为0.45μm;在氧化过程中,喷丸试样的氧化速率常数比未喷丸试样低3个数量级,抗水蒸气氧化性能较好;喷丸处理细化了表层晶粒,为铬元素扩散提供了更多通道,使表面形成Cr2O3保护膜而提高了该钢的抗高温水蒸气氧化性能.
以锌粉、铝粉为原料,硝酸镧为添加剂,制备了硝酸镧改性无铬达克罗涂层,研究了改性涂层在质量分数5％NaCl溶液中浸泡后的腐蚀产物物相组成和微观形貌,探究了涂层的腐蚀行为和防腐机理.结果表明:在NaCl溶液中浸泡10 d后,涂层中部分富锌相优先腐蚀形成Zn5(OH)8Cl2·H2O,表面呈蜂窝状形貌;浸泡30 d后,腐蚀产物增多,生成Zn5(OH)6(CO3)2,表面呈海绵状结构;浸泡60 d后,腐蚀产物逐渐溶解、剥落,表面呈三维多孔网络结构.涂层的防腐机理包括腐蚀产物和稀土钝化膜的自修复作用、有机硅烷钝化膜和片状锌铝粉分层堆叠的物理屏蔽作用、锌和铝金属的牺牲阳极作用以及稀土钝化作用和缓蚀剂的缓释作用.
某化工厂柴油加氢循环20碳钢管道发生脆性爆裂.对该管道残片分别进行去应力退火处理和去氢处理,通过与未处理原始状态残片的显微组织和力学性能进行对比,并结合化学成分检测和断口形貌观察等方法对管道爆裂原因进行了分析.结果表明:管道材料在长时间服役后发生应变时效脆化,导致管道脆性爆裂;管道材料的氮元素含量相对偏高,且晶粒出现较大的变形,是发生应变时效脆化的主要原因.
对Fe-0.9C-1.4Si-1.6Mn-0.8Cr-0.2Mo-0.25Al钢锭分别进行冷轧与热轧变形处理,再进行850～1 100 ℃奥氏体化处理和300 ℃等温处理,研究了轧制预变形和奥氏体化温度对显微组织和拉伸性能的影响.结果表明:经950 ℃奥氏体化后,冷轧预变形钢主要由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成,热轧预变形钢则由贝氏体和残余奥氏体组成,相比于未预变形钢,残余奥氏体含量减少;冷轧变形可同时提高钢的抗拉强度和断后伸长率,热轧变形则会降低断后伸长率.当奥氏体化温度在850～1 050 ℃时,冷轧预变形钢的残余奥氏体含量变化不大,当奥氏体化温度为1 100 ℃时,残余奥氏体含量减少并出现片状魏氏体铁素体;随着奥氏体化温度升高,冷轧预变形钢的抗拉强度和断后伸长率先略微增大后减小,当奥氏体化温度为950 ℃时达到最大.
以Cu+催化叠氮炔环偶极加成点击化学反应,在不同催化剂(CuBr/五甲基二乙烯三胺或CuSO4·5H2O/抗坏血酸钠)和反应温度(55,65,75 ℃)下制备三唑环基含氟芳香烃改性纳米氧化锌(ZnO-sTRF),研究了不同ZnO-sTRF的化学结构和元素组成;将表面接枝量最高的ZnO-sTRF与聚氨酯(PU)复合制备ZnO-sTRF/PU涂层,研究了该涂层的疏水性能、抗菌性能以及防污性能.结果表明:当催化剂为CuSO4.5H2O/抗坏血酸钠,反应温度为75 ℃时,改性纳米ZnO表面接枝量最高,制备的ZnO-sTRF/PU涂层表面水接触角可达105.4°,表面大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和假交替单胞菌的死菌面积覆盖率是ZnO/PU涂层和3-氨丙基三乙氧基硅烷改性ZnO/PU涂层的10倍以上;在实际海洋环境中浸没120 d后,涂层表面无明显硬质生物的附着.
对比研究了金刚石刀具和硬质合金刀具镜像铣,以及化学铣切2A12-T4铝合金试样的表面形貌、表面粗糙度、残余应力、硬度和疲劳性能.结果表明:镜像铣等厚度平板试样(一面硬质合金刀具加工,一面金刚石刀具加工)的细节疲劳额定强度比化学铣切试样提高了 4.27％,而金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度则提高了 22.46％;金刚石刀具镜像铣试样获得了比硬质合金刀具镜像铣试样以及化学铣切试样更高的疲劳抗力.金刚石刀具镜像铣在试样表面引入了残余压应力,提高了表面硬度,降低了表面粗糙度,并未使表层组织受到破坏,因此裂纹萌生和扩展阻力提高.化学铣切试样表面存在的点蚀坑、晶间腐蚀缺陷及残余拉应力,以及硬质合金刀具镜像铣试样表面存在的较深刀痕沟槽和残余拉应力均促进了裂纹的萌生.
以自制的高纯Y2O3粉为原料,借助大气等离子喷涂工艺在A6061铝合金表面制备Y2O3涂层,基于响应曲面法构筑了相应的响应曲面图,分析了喷涂电压(60～80 V)、喷涂电流(500～600 A)和喷涂距离(100～120 mm)的交互作用对涂层硬度和孔隙率的影响,优化了等离子喷涂工艺.结果表明:基于响应曲面法建立了涂层显微硬度和孔隙率的二次数学模型;模型预测Y2O3涂层的优化工艺参数为喷涂电压78 V、喷涂电流500 A、喷涂距离120 mm,涂层的显微硬度和孔隙率分别为633.28 HV和3.22％,与试验值的相对误差分别为1.92％和1.26％,验证了模型的准确性.优化工艺下制备的涂层表面粗糙度为5.733 μm,结合强度为25.6 MPa.
