TiN晶体尺寸与其力学性能的第一性原理研究

 纳米多晶体材料因其独特的力学性能而成为当前材料科学领域的研究热点之一,尤其是晶粒尺寸对其力学性能的影响倍受关注。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,模拟计算了晶粒尺寸为0.6387—2.332nm的TiN的力学性能,得到应力应变关系及屈服强度。计算结果表明,随着晶粒尺寸的增加,TiN的屈服强度降低,晶粒呈现软化趋势。通过对应力-应变曲线分析可知：TiN在应变5%处开始屈服,其屈服强度大约为21.5GPa;抗拉强度发生在应变约为15%时,且随着晶粒尺寸的增加,抗拉强度降低。本文对照了屈服极限的计算值和有限元方法的拟合值,讨论了实验中TiN表面的微观结构与硬度、弹性模量的关系。研究表明,TiN试样中的缺陷对其硬度和强度有很大影响。     

恒温下结构钢的应力-应变关系

为确定合理的高温中钢材应力-应变关系模型,在已有恒温加载试验研究的基础上,通过对高温中弹性模量、屈服强度、极限强度、硬化应变和极限应变等实测数据的拟合分析,提出高温中钢材的应力-应变关系模型.与ASCE和EC3中钢材的应力-应变关系模型相比,该模型的计算曲线与实测曲线吻合度更好.     

HTRB600级高强钢筋高温下的力学性能

为研究600 MPa级高强钢筋高温下的力学性能,对HTRB600级热处理高强钢筋进行高温下的拉伸试验,分别测得其在20,200,300,400,500,600,700及800℃高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度、极限强度及应力-应变曲线.试验结果表明:HTRB600级高强钢筋高温下屈服强度、极限强度、比例极限与弹性模量均随着温度的升高而显著降低.500℃时其高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度与极限强度降低为不足常温下的50%,800℃时已不足常温下的10%.高温下HTRB600级高强钢筋应力-应变曲线随温度的升高逐渐趋于圆滑,当温度达到200℃时,屈服台阶就已消失.600 MPa级钢筋高温下屈服强度和极限强度的降低程度明显大于其他钢筋500 MPa以下强度的钢筋.最后提出了适用于HTRB600级高强钢筋的高温下应力-应变曲线简化计算模型.     

数字图像相关的不锈钢真实应力应变关系测量

工程上广泛应用的名义应力应变曲线,在材料发生大变形时,由于应力和应变不再沿着试件均匀分布,因而不能真实反映材料在塑性阶段的本构关系。在不锈钢标准板的拉伸试验中连续采集试件散斑表面的数字图像,采用数字图像相关技术对序列数字图像进行相关运算以获得其每个变形状态下的变形场,得到了整个拉伸过程中试件的变形形态。以光学虚拟引伸计的方法分别测量横向和竖向的实时应变数据,结合体积不变理论计算得到真实应力应变曲线。采用Johnson-Cook材料模型对真实应力应变曲线进行拟合,得到了塑性本构关系;最后根据以上实验结果和真实应力应变曲线获取了材料的力学特性参数。实验结果表明了基于数字图像相关方法对不锈钢真实应力应变关系测量的有效性和可靠性,对实验结果的真实应力应变曲线后处理,获得不锈钢材料的弹性模量为169 GPa,屈服强度为236.8 MPa,并获得了Johnson-Cook简化模型的所有三个参数A、B和n的数值。     

应力-应变曲线形式对铝合金板料成形极限的影响

为使板料的成形性分析更符合实际,以Marciniak-Kuczynski(M-K)理论为基础,提出了采用应力-应变测量数据预测铝合金板料成形极限的方法.分别采用应力-应变测量数据、幂指数以及多项式拟合曲线三种应力-应变形式对6016-T4和7075-T6铝合金板料的成形极限进行研究.通过单向拉伸实验得到材料的应力-应变数据,构建了不同形式的曲线模型,计算了相应的极限应变,并绘制了板料成形极限曲线.将理论上预测的FLC与胀形实验结果进行对比,结果表明,采用应力-应变测量数据对板料成形极限的预测最好,而常用的幂指数拟合曲线得到的预测结果与实验存在一定的偏差.     

压缩载荷下6005A铝合金力学性能的研究

利用电子万能实验机和Hopkinson压杆实验装置对高速动车组使用的铝合金材料分别进行了准静态和不同应变率下的动态压缩实验,得到了相应的应力.应变曲线.实验结果表明,在不同应变率下,整个应力-应变曲线无明显的屈服现象,也无明显的屈服极限;该铝合金材料的屈服极限、瞬时流动应力均随着应变率的增大而增大,但在应变率较低时,两者增大的幅度并不显著,在应变率较高时,两者才随着应变率的增大而急剧增大;在动态加载条件下,该铝合金材料的变形表现出非线性特征.     

直流磁控溅射Ti-Si-N 超硬纳米复合膜的结构与力学性能

采用Ti-Si复合靶在321不锈钢基体上用直流磁控反应溅射方法制得超硬纳米复合Ti-Si-N膜层,并借助能谱仪(EDX)、X射线衍射(XRD)、X光电子谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)、纳米压入仪和划痕仪对膜层的成分、结构和力学性能进行了分析.结果表明:随着膜层中Si含量的增加,Ti-Si-N膜的硬度逐渐升高,当a(Si)=11.2%时达到峰值42 GPa;随着Si含量的进一步增长,膜层硬度开始下降.XRD和XPS结果显示,最硬的Ti-Si-N膜层包含大小约为8 nm的TiN纳米晶以及包围在其周围的非晶态Si3N4.XRD结果显示,随着Si的引入,膜层中TiN晶粒的择优取向由纯TiN膜层中的(111)变为Ti-Si-N膜层中的(200).划痕实验也显示了Si的添加对膜层结合力的影响.最后对该纳米复合膜的强化机制进行了探讨.     

X80钢弯曲的力学性能测试

针对钢管制管过程中钢材板卷反复弯曲展平对钢材强度的影响，对X80钢制成的试样进行了4点弯曲实验．在各弯曲试样得到不同的预应变后，又对其进行反向加载，记录不同预应变下各试样反向加载的弯矩随表面应变的变化曲线．实验结果表明，存在预应变后，试样的弯矩-应变曲线低于初次加载的弯矩-应变曲线，且试样的预应变越大，弯矩-应变曲线越低，即随预应变的增加，材料的屈服强度降低，且出现了包申格效应．通过进一步理论计算，得出了材料预弯到屈服后再反向加载时，不同预应变下的屈服弯矩值，且实验测试和理论计算的屈服弯矩值能较好地吻合．     

超低温下钢筋单轴受拉时的应力-应变关系

按照《金属材料低温拉伸试验方法》(GB/T13239—2006)的要求制作拉伸试件,对3种钢筋(热轧带肋钢筋HRB335、HRB400和热轧细晶粒钢筋HRBF400)共84根试件在-180℃~-80℃温度下的力学性能进行单轴受拉试验,研究低温下钢筋力学性能的变化规律.结果表明,随着温度的降低,钢筋的应力-应变曲线形状及极限应变基本不改变,但屈服平台长度、屈服强度、极限强度、强化应变增加.根据试验结果,给出了低温下钢筋屈服强度、极限强度、强化应变等力学特征值随温度的变化规律,进而可建立超低温下钢筋的应力-应变关系.     

国产Q550高强钢高温力学性能试验研究

通过稳态拉伸法对国产Q550高强钢高温力学性能进行试验研究,得到20~800℃下钢材的试验现象、力学性能参数、应力-应变关系曲线,并将所得试验结果与国内外相关规范和研究成果对比.试验表明:不同温度下试件破坏时表面及断口形貌区别明显;300℃后随着温度升高,弹性模量、屈服强度、极限强度下降,应力-应变关系曲线的弹性段和强化段缩短,下降段趋于平缓.450℃内高温对断后伸长率影响不大,此后随温度升高断后伸长率急剧增大.现有钢材高温力学性能参数模型对国产Q550高强钢并不适用.因此,分别采用多项式模型和美国国家标准与技术研究院的钢材高温通用材料模型进行拟合,得到高温下Q550高强钢力学性能参数的数学模型.     

TiN/Si3N4界面结构对Ti-Si-N纳米晶复合膜力学性能的影响

采用多层膜模拟的方法研究了Ti-Si-N纳米晶复合膜中Si3N4界面相的存在方式,以探讨纳米晶复合膜的超硬机制。研究结果表明：Si3N4层厚对TiN／Si3N4多层膜的微结构和力学性能有重要影响。当Si3N4层厚小于0．7nm时,因TiN晶体的“模板效应”,原为非晶态的Si3N4晶化,并反过来促进TiN的晶体生长,从而使多层膜呈现TiN层和Si3N4层择优取向的共格外延生长。相应地,多层膜产生硬度和弹性模量升高的超硬效应,最高硬度和弹性模量分别为34．0GPa和352GPa．当层厚大于1．3nm后,Si3N4呈现非晶态,多层膜中TiN晶体的生长受到Si3N4非晶层的阻碍而形成纳米晶,薄膜的硬度和弹性模量亦随之下降。由此可得,Ti-Si-N纳米晶复合膜的强化与多层膜中2层不同模量调制层共格外延生长产生的超硬效应相同。     

Superhard nano-multilayers and nanocomposite coatings

This paper reviews the recent development of nano-multilayers and nanocomposite coatings. The hardening mechanisms and design of hard coating are discussed in details. Recent research on Ti/TiN and nitride/nitride multilayer, Ti-Si-N and Ti-Al-Si-N nanocomposite coatings is described, and the perspectives of the related research are proposed.     

Numerical simulation on the microstress and microstrain of low Si-Mn-Nb dual-phase steel

According to the stress-strain curves of single-phase martensite and single-phase ferrite steels, whose compositions are similar to those of martensite and ferrite in low Si-Mn-Nb dual-phase steel, the stress-strain curve of the low Si-Mn-Nb dual-phase steel was simulated using the finite element method (FEM). The simulated result was compared with the measured one and they fit closely with each other, which proves that the FE model is correct. Based on the FE model, the microstress and microstrain of the dual-phase steel were analyzed. Meanwhile, the effective factors such as the volume fraction of martensite and the yield stress ratio between martensite and ferrite phases on the stress-strain curves of the dual-phase steel were simulated, too. The simulated results indicate that for the low Si-Mn-Nb dual-phase steel, the maximum stress occurs in the martensite region, while the maximum strain occurs in the ferrite one. The effect of the volume fraction of martensite (f_M) and the yield stress ratio on the stress-strain curve of the dual-phase steel is small in the elastic part, while it is obvious in the plastic part. In the plastic part of this curve, the strain decreases with the increase of f_M, while it decreases with the decrease of the yield stress ratio.     

TC4合金氩弧熔覆TiN复合涂层的组织及耐磨性

为提高钛合金表面性能,以TiN粉和Ti粉为原料,利用氩弧熔覆技术,在TC4合金表面成功制备出TiN增强Ti基复合涂层。采用扫描电镜、X射线衍射仪分析了熔覆涂层的显微组织和物相组成;利用显微硬度仪、摩擦磨损试验机测试了复合涂层的显微硬度和室温干滑动磨损条件下的耐磨性能。结果表明:氩弧熔覆涂层组织均匀致密,熔覆层与基体呈冶金结合,熔覆涂层主要由TiN棒状树枝晶和TiN颗粒组成,复合涂层明显改善了TC4合金的表面硬度,涂层的最高显微硬度可达9.5 GPa;复合涂层在室温干滑动磨损实验条件下具有优异的耐磨性,磨损机制主要是磨粒磨损,其耐磨性较TC4合金基体提高近9倍。     

氩弧熔覆原位合成TiN复合涂层的组织与耐磨性

为提高钢材料的耐磨性,以Ti、TiN和Ni60A三种粉末作为涂层材料,采用氩弧熔覆、原位合成技术,在Q235钢表面制备TiN复合涂层.利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、显微硬度计及滑动磨损实验机（MMS-2B）对复合涂层的显微组织结构、硬度和耐磨性进行分析.结果表明：涂层主要由TiN和α-Fe组成,TiN分布均匀且与基体呈现冶金结合,涂层显微硬度最高达738.17 GPa,耐磨性为Q235钢的8倍.涂层在室温干滑动摩擦磨损条件下表现出优异的耐磨损性能,具有应用价值.     

轴心受压FRP约束混凝土柱应力-应变关系曲线计算

采用多轴应力下Ottosen混凝土应力-应变关系及Ottosen破坏准则,以核心混凝土与FRP约束层变形协调为边界条件,通过编制程序对FRP约束混凝土轴压短柱应力-应变关系曲线进行了计算,并与试验结果进行了对比,结果表明理论计算方法与实验结果吻合良好.     

改进组合式L形钢管中核心混凝土应力-应变关系

在已有轴压试件试验的基础上研究改进组合式L形钢管中核心混凝土轴压应力-应变关系,详细分析核心混凝土应力-应变关系参数计算方法.在分析主要影响参数的基础上,回归了所提应力-应变关系的参数表达式.最后,采用所提应力-应变关系对改进组合式L形钢管混凝土柱轴压荷载-应变关系曲线进行了全过程计算.结果表明,核心混凝土平均峰值应变计算值与试验值的比值平均值为0.962 1,轴压极限荷载计算值与试验值的比值平均值为0.972 8,计算曲线与试验曲线吻合程度较好,验证了所提核心混凝土应力-应变关系的合理性.     

高能发射药在高速冲击下屈服强度的分析方法刘计划

为了研究高能发射药在高速冲击下屈服强度的分析方法,利用落锤试验机进行常温(20℃)和低温(-40℃)下DAGR125发射药的冲击试验,得到不同冲击速度下发射药轴向应力的演化规律.在此过程中,结合高速摄像技术,获得冲击过程中发射药表面的灰度图像,通过数字图像相关方法得到发射药表面变形,从而建立高能发射药在冲击载荷作用下的应力应变曲线.随后,利用3种分析方法(分别为初始拐点法、切线法及二次导数法)获得了发射药在高速冲击下的屈服强度.经过对比分析发现,常温20℃下DAGR125屈服强度的有效分析方法为初始拐点法,而切线法对低温-40℃下DAGR125发射药屈服强度的确定适用性更好.