向地球深部探索,揭示地球起源,开发各种资源,是人类长久的梦想.然而,受技术、装备及地质条件等多种因素制约,人类向地球深部探索的能力发展缓慢.对地下开采矿山而言,井筒是整个矿山的咽喉和生命线工程.超深井建设工程是由地质、构造、工程围岩、工程结构等多种因素构成的复杂工程系统,其建设和服役涵盖勘察、设计、施工、运维等漫长的时间过程.随着深度的增加,井筒穿过的地层条件越来越复杂,高应力、高水压、高地温以及地下水中有害离子化学腐蚀等因素对深井工程建设和生产服役安全带来诸多不利影响,导致多种工程风险.因此,探明工程区域的地质条件,采取科学的技术手段,有效规避和化解各种风险,才能确保超深井工程建设的安全性和可靠性.本文结合我国"十三五"以来金属矿超深井建设方面的工程实践,在对金属矿超深竖井工程建设内容、工艺过程及其特殊环境进行系统分析的基础上,对深井工程建设过程、服役环境及其所面临的各种关键风险进行了剖析,对超深井工程建设中的风险研究方法和控制技术研究提出了建议.
将极端环境金属材料前沿成果转化为中小学科学教育资源,核心难点在于调和材料科学学术逻辑与教学逻辑的内在冲突.本文以中国科技馆"科学方法特训营"为实践载体,以"建设模拟外星科考站"为项目驱动任务,采用案例研究法,跟踪 7所中学 126名初一、初二学生的项目式学习过程,探索材料科学知识的科普转化路径.研究提出以"工程选材任务逻辑"重构"材料科学知识逻辑",将密度、强度、耐腐蚀性、耐热性等材料性能指标嵌入交通科考、环控生保和能源收集等系统设计任务中,并通过称重、硬度测试、腐蚀观察和耐热演示等活动帮助学生形成直观认识.前后测、任务单和课堂观察结果表明,该模式能够提升学生对材料性能与服役环境关系的理解,促进其由单一性能判断转向多因素权衡决策,并增强知识迁移能力.研究表明,前沿工程知识的科普转化不应停留于术语简化,而应重在重构知识组织方式,使学生在真实任务情境中理解科学概念、工程约束与材料选择之间的关系.该模式可为极端环境材料及其他前沿工程主题进入中小学科学教育提供参考.
背衬轴承是多辊轧机辊系中的关键部件,其套圈长期承受高频交变重载,容易发生早期滚动接触疲劳失效.为了提高轴承套圈的抗疲劳能力,本文采用深层多段可控气氛渗碳以及双淬火、双回火复合热处理工艺,对套圈表面进行强化处理,同时利用电子背散射衍射(EBSD)和纳米压入实验分析组织与力学性能变化.结果发现,渗碳热处理能够显著改变轴承套圈表层及内部的组织结构和硬度分布.从外径表面至心部,材料的微观组织和硬度呈现出明显的梯度变化:靠近表面的区域经过强化后硬度更高,更有利于抵抗接触疲劳;而心部仍保持一定韧性,有助于承受整体载荷.相比之下,热处理对材料弹性模量的影响并不明显.通过合理的渗碳和热处理工艺,可以在轴承套圈中形成"表面硬、内部韧"的梯度结构,从而为背衬轴承抗失效设计提供参考.
商业航天快速发展,尤其是可重复使用火箭技术不断成熟,使航天金属材料面临更严苛的服役考验.火箭发动机、贮箱、箭体结构和空间部件不仅要承受高温燃气冲刷、深低温循环、强烈振动,还要面对空间辐照和原子氧侵蚀等复杂环境.本文围绕商业航天中的关键金属材料,梳理了镍基高温合金、铜合金、难熔金属、钛合金、不锈钢和铝锂合金等典型材料的应用特点,分析了它们在极端环境下可能出现的烧蚀、疲劳、开裂、腐蚀和性能退化等问题.同时,文章从合金设计、组织调控、表面防护、增材制造和寿命预测等方面,总结了提升材料服役寿命的主要思路.研究表明,商业航天材料选择正在从单纯追求高性能,逐步转向性能、成本和可制造性的综合平衡.增材制造等新技术也在改变航天零部件的设计和生产方式.对于我国商业航天材料产业而言,未来不仅要提升高端合金的国产化能力,还需要加强材料应用验证、批量制造和供应链协同能力.
