微观相场法研究镍基合金扩散通道取向效应与相间作用机制

基于微观相场动力学模型，以Ni75Al6.0V19.0合金为对象，研究了其相变过程的扩散通道取向效应及其通道形成过程中相间作用机理．研究表明：在弹性错配应力场作用下，V原子会沿着[1001方向形成扩散通道，形成沿其短轴方向生长的D022相，从而促使Al原子在相邻处也沿着相同的方向形成扩散通道，产生L12相的定向生长；应力的升高，取向效应先增强再减弱；在较大应力下，V原子的平均占位较晚达到稳定、Al原子则较早．     

空间高能电子探测中的几何因子讨论

高能电子探测是空间环境探测的重要组成部分. 由于高能电子穿透本领很强, 常常采用厚探测器组成的粒子望远镜作为传感部件. 由于不同能量电子将穿透不同深度, 所以几何因子随入射电子能量变化. 结合AE8模型, 以中巴资源一号卫星01和02星的粒子监测器为例, 讨论电子探头的几何因子问题. 根据计算, 低能档(0.5~1.0 MeV)与高能档(≥2.0 MeV)几何因子不同, 分别为2.468和1.736 cm²·sr. 这与传统估算的几何因子为1.18 cm²·sr有较大出入. 伴随几何因子计算, 讨论了探头的方向响应函数, 可用来协助探头设计及方向测量分析.     

合金凝固列状晶/等轴晶转变

在考虑合金组元局部线性叠加的基础上, 结合计算相图, 对多元合金凝固枝晶列状/等轴生长特性进行了系统的研究. 通过考虑枝晶生长界面前沿的形核生长及竞争, 发展了一个适用于多元合金凝固列状晶/等轴晶转变的理论模型, 其与实验结果能很好的吻合.     

刀触点网格上整体光顺五轴数控加工刀轴方向的模型与算法

针对球头铣刀的五轴数控加工,分析了刀轴方向对切削力的影响,根据刀轴方向变化的度量指标,提出了在刀触点网格的可行空间中整体光顺刀轴方向的模型与算法,该方法有两个优势:可以同时保证进给和相邻行两个方向上刀轴方向的整体光顺性;仅需要计算网格点处的可达方向锥,提高了计算效率.用仿真方法分析了整体光顺刀轴方向对加工效率、机床进给运动平稳性和切削力的影响,并用实验验证了规划的刀具路径.     

双折射消偏振薄膜设计

给出了倾斜入射条件下光轴垂直于入射面的单轴双折射薄膜内非寻常光及寻常光传播的2×2特征矩阵, 而且计算了双折射薄膜对两种偏振态光波的透射反射特性, 为倾斜入射条件下单波长及宽带范围内的消偏振薄膜设计提供了新的方法. 另外, 利用多层双折射薄膜实现了倾斜入射条件下单波长消偏振分束薄膜、消偏振截止滤光片及可见光范围内宽带消偏振减反薄膜等设计.     

氧化锆基阻变存储器中金掺杂效应的第一性原理研究

氧空位在过渡金属氧化物阻变存储器的电阻转变中有重要作用.采用第一性原理计算方法,研究Au掺杂前后阻变层材料ZrO_2的能带结构、态密度、氧空位的形成能和迁移势垒能来分析氧化锆基阻变存储器中的Au掺杂效应.研究发现,Au掺杂后ZrO_2费米能级处出现了局域化杂质带且禁带宽度减小,由此提升了ZrO_2的导电能力;Au掺杂后氧空位形成能及迁移势垒能显著降低,从而有利于氧空位的形成和迁移,进而降低ZrO_2基阻变存储器的形成(forming)电压与置位(set)电压.我们利用电子局域函数模拟ZrO_2超晶胞[001]方向包含掺杂元素Au的氧空位列,结果表明局域在杂质周围的氧空位在[001]方向形成有序导电通道.     

万向联轴节速比关系式及带传动压轴力计算式等的修正

根据多体理论,在右手坐标系中推导出万向联轴节主、从动轴之间转速关系.以主动轴为研究对象,求得在既定位置中间十字架上某点的坐标,再根据中间十字架的特点,求得从动轴某点的坐标,从而确定从动轴的转角,进而得出主动轴与从动轴的位置关系,再而通过求导得到两轴的速比关系式.该关系式与采用矢量计算法得到的结果相同.根据微积分原理和力的叠加原理,考虑离心力,分析了带传动中带的受力情况,推导了拉力表达式.导出了一种压轴力简化计算式.提出了一种详细计算压轴力的方法:在进行微段带的受力分析时将轴向压力分解在两个正交方向上,然后时两组算式沿带长进行积分,求得两个方向上的压轴力,最后将两力合成为带传动作用在带轮上的压轴力.以上修正可作为相关教材教学内容的补充.     

方向微孔表面动压效应实验研究

表面微孔的方向性可以改变表面流体的流向,在孔区末端的汇聚挤压形成明显的流体动压效应.文中以椭圆微孔表面为研究对象,通过环环润滑实验考察了方向微孔表面的动压效应.对不同倾斜角、方向因子和开孔面积的微孔表面,在不同载荷和转速工况下的膜厚和摩擦扭矩的变化规律进行了研究.实验结果表明：方向微孔通过改变流体的流向形成表面流体膜动压效应,方向微孔表面具有显著的动压承载能力,使摩擦副端面迅速打开,容易形成全膜润滑,避免表面间的摩擦磨损;微孔方向因子、倾斜角等参数对表面动压效应影响明显,方向性越强、转速越高,动压效应越大,表面流体膜承载能力越高.实验结果与理论分析相一致,方向性微孔可有效改善密封端面的动压开启性能.     

非磁性细微颗粒的负磁泳耦合分选规律研究

非磁性细微颗粒的磁泳分离在生物工程、材料工程和环境工程等领域具有广阔的应用前景.为了分选直径非常接近的非磁性微粒,设计了负磁泳耦合的水动力分选器,为了确保分选器具有优异的性能,数值研究了在不同的磁场强度、磁铁个数、微通道参数、入口流速和速度比时, 3, 4, 5μm的3种非磁性颗粒的运动轨迹,计算3种颗粒侧向偏移和颗粒分布带之间的距离(即带间距).结果表明:3种细微颗粒的侧向偏移距离和带间距都随磁场强度和颗粒尺寸的增大而增大;但是颗粒的侧向偏移并不会因为磁铁数量的增加而持续增加;颗粒的分离效果随着入口流速的减小,流速比的增大而提高.此外,当微通道结构参数H_a/H_b越小,不同颗粒分布带之间的距离就越大,不同直径的颗粒就越容易分离;最后,利用微-PIV实验获得了3种颗粒带的分布,并计算颗粒分布带宽和带间距,与数值模拟结果比较发现一致性很好.研究结果对非磁性颗粒分选器的设计具有指导意义.     

轴流转桨式水轮机压力脉动数值预测

首先利用修正模型系数的RNGκ-ε湍流模型对轴流转桨式模型水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算，经与模型实验结果对比，表明所采用的数值方法和计算结果是准确可靠的．进一步对比分析原型和模型水轮机的计算结果，可以看出原型水轮机压力脉动和模型水轮机压力脉动具有相同的传播规律，但是幅值并不存在相似关系．考虑机组的实际运行状态，在最后部分给出了在考虑转轮流固耦合效应影响下，预估的原型轴流转浆式水轮机压力脉动结果．通过与未考虑流固耦合效应影响的计算结果对比，发现叶片的弹性变形对于水轮机压力脉动的频率和振幅都有降低作用．     

硅单晶上类金刚石薄膜织构和外延取向与界面价电子结构的关系

金刚石和立方氮化硼薄膜由于其优异的性能已经获得了实际应用. 该类薄膜的特定取向对其在光学和微电子学领域的应用有特殊意义. 用固体与分子经验电子理论(EET)计算了衬底硅不同晶面与金刚石和立方氮化硼薄膜不同晶面的相对电子密度差, 从计算结果分析认为, 对所研究的薄膜, 薄膜与基底界面的电子密度差越小, 薄膜在热力学上越稳定, 界面的电子密度差是决定薄膜织构或外延取向的本质原因. 这些推断与实验事实符合得很好. 该计算方法和理论不仅为探讨金刚石和立方氮化硼在硅单晶表面上的薄膜生长机制提供了一个新视角, 还可能为其他薄膜取向的预测提供指导.     

Ni2MnGa铁磁形状记忆材料

铁磁形状记忆合金 (FSMA)是在一定温度范围马氏体相稳定同时又具铁磁性的一类特殊的形状记忆合金。Ni2MnGa铁磁形状记忆合金近年来成为呈现磁场驱动大应变的新型驱动材料 ,这些应变来自磁场诱发马氏体孪晶的重排 ,而不是磁场对奥氏体至马氏体相变的作用。孪晶变体的重排在宏观上呈现为正或切应变 ,一非化学计量比Ni2 MnGa单晶于室温加 0 .4T磁场能产生6 %的应变 ,Ni Mn Ga单晶在高至 15 0Hz的交变磁场仍可得到 2 .5 %的应变。本文阐述了与这种磁控形状记忆效应相关的孪晶界迁动的磁学和晶体学理论。马氏体相的大磁晶各向异性能使磁化沿c轴方向有利 ,穿过孪晶界c轴刚好转动 90度 ,同时 ,这个孪晶界也构成了约 90度的畴界。在各向异性的情况下 ,孪晶界的迁动仅有相邻孪晶变体的Zeeman能差驱动 ,μ0 ΔMis·Hi。磁场和外应力对应变的影响通过对一简单的自由能表达式取极小值来表示 ,自由能表达式包括Zeeman能、磁晶各向异性能和外应力以及在某些情况下需考虑的内部弹性能 ,模型的所有参数可通过应力 应变曲线和磁化曲线测量得到。铁磁形状记忆合金的磁场诱发应变可类比传统热弹性形状记忆效应 ,与更为人们所熟知的磁致伸缩现象不同。     

Fe-Mn-Si基形状记忆合金中FCC相的电子结构与稳定性

利用基于第一原理的离散变分法研究了Fe-Mn-Si合金的电子结构与FCC相稳定性的关系. Si元素使Fe原子的d带空穴数减少, 而Mn的影响较复杂. 以此为基础, 从电子浓度的角度解释了这两种元素对合金层错能的影响, 并结合对合金结合能的计算结果—— Si降低合金的结合能而Mn的作用相反, 阐述了Mn降低而Si升高马氏体相变温度的物理原因. 在不同方向上施加应力时, 合金的电子结构发生变化, Fermi能级处的总态密度有明显提高. 从Fermi能级附近的能谱变化可看出, 应变使能隙减小, 能级的简并性提高. 在同一方向上施以不同的应变, 中心原子的3d和4s轨道上的电子数减少, 3d局域态密度变窄, 且峰值增加. 对比电子密度的变化, 在应力方向上的成键轨道有减弱的趋势, 而在垂直于应力的方向上出现增强, 导致FCC结构的稳定性降低. 这是外场(应力)作用下合金的马氏体相变温度提高的重要原因.     

金属Co的电子结构和物理性质

依据ＯＡ理论确定ｈｃｐ结构α－Ｃｏ的电子结构为［Ａｒ］（３ｄｎ）＾０．４６（３ｄｍ）＾１．８６（３ｄｃ）＾５．４５（４Ｓｃ）＾０．０３（４Ｓｆ）＾１．２０，计算了它的势能曲线、晶格常数、结合能、原子磁矩、弹性以及比热和热膨胀系数随温度的变化。     

底部加热长方体腔内空气自然对流的稳定结构及三维特性的研究

采用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法对底部加热长方体腔内空气的自然对流进行了实验研究和数值计算.1）当四周壁面绝热时,腔内流体形成平行于短轴方向的多个长条状涡卷,而平行于长轴方向没有形成涡卷.当Rayleigh数较小时,腔内流动表现出明显的二维特性,沿短轴各个截面的涡卷流动基本一致,三维模型平行于短轴的各截面平均Nusselt数除了边壁处差别较大,中间大部分区域均与二维模型平均Nusselt数比较接近,腔内的空气流动在长轴方向除了边壁附近差别较大,中间大部分区域均呈现明显的二维特性,二维与三维模型计算结果一致,且与实验结果吻合.随着Rayleigh数的增加,涡卷数量与形状都会发生改变,在腔内出现多边形的涡卷,腔内的流动表现出明显的三维特性,此时采用三维模型才能取得与实验一致的计算结果.2）侧壁绝热或者传热量较小时,长高比为16时,三维模型计算得到与实验一致的结果,形成平行于短轴的10个长条状涡卷.当侧壁面有传热时,方腔内流动形成了平行于长轴方向的涡卷,并且热流方向相反时涡卷的旋转方向也相反.3）底部加热长方体腔内空气的自然对流换热,低Rayleigh数时流动和换热处于稳态,当Rayleigh数超过某一临界值时,流动和换热就会发生非线性振荡.随着Rayleigh数的增加,流动的情况基本分成四个区域：稳定区域、单倍周期区域、多倍周期区域和混沌区域.     

对流作用下枝晶生长行为的数值模拟

应用一个二维的改进元胞自动机(modified cellular automaton, MCA)－传输耦合模型, 对流场作用下枝晶的非对称生长行为进行了模拟研究. 模型采用MCA技术模拟枝晶的生长, 同时采用一个传输模型对流场和由对流和扩散所控制的质量传输进行数值求解. MCA考虑了热过冷、成分过冷和曲率过冷对枝晶生长的作用, 也考虑了枝晶的择优生长方向和凝固过程中的溶质再分配. 在传输模型中, 采用SIMPLE算法求解动量和质量传输的控制方程. 应用该模型模拟研究了Al-3% Cu(质量分数)合金中单枝晶和多枝晶在不同流动方向的流体作用下的生长规律. 模拟结果表明, 金属液对流对枝晶的生长形貌产生重要的影响.     

基于等离子体X射线多通道弯晶谱仪的设计与研究

为诊断0.165～0.775 nm和0.014～0.165 nm范围的软硬X射线,研制了一台多通道(四个反射通道和一个透射通道)柱面晶体谱仪.利用光电检测单元获得了由Qz、LiF和Ge制成的多种不同晶体取向弯晶衍射等离子X射线谱相.谱仪采用离线标定和在线复位技术,可降低由于光源不准引起的光谱偏差,已应用在激光装置的诊断实验上,达到了惯性约束核聚变(ICF)实验要求.     

圆钢管混凝土柱轴压破坏行为与尺寸效应理论研究

当前混凝土材料层次的尺寸效应理论已较为完备,而对钢管混凝土构件层次的尺寸效应理论研究则远远不足.针对圆钢管混凝土柱,考虑混凝土细观非均质性及钢管-混凝土相互作用,建立了研究其轴压破坏行为的三维细观数值分析模型.在模拟结果与已有试验结果吻合良好的基础上,基于细观模拟方法研究了不同横向约束作用(以套箍系数来表征)及不同尺寸下钢管混凝土柱的轴压破坏机理与失效模式,揭示了钢管横向约束作用对混凝土柱名义轴压强度及其尺寸效应的影响规律.最后,结合钢管对混凝土柱轴压强度的影响机制——"强度增强效应"与"尺寸效应削弱效应",在材料层次尺寸效应律的基础上,建立了能反映横向约束作用的混凝土柱轴压强度的尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性.     

深过冷Ni-Mo合金中Ni枝晶的快速生长

采用落管技术实现了Ni-39.3%Mo和Ni-45%Mo亚共晶合金与Ni-47.7%Mo共晶合金在不同过冷条件下的无容器快速凝固. Ni-39.3%Mo合金在深过冷条件下形成了初生Ni枝晶和共晶组织. 随着过冷度的增加, Ni枝晶发生组织细化, 枝晶间的间距L_g显著减小. Ni-45%Mo亚共晶合金中的初生Ni枝晶, 随着过冷度的增大由粗大的枝晶向等轴晶转变. 当过冷度小于43 K时, 液滴中形成许多碎断的Ni枝晶. 当过冷度在43~113 K之间时, 凝固时间小于枝晶熔断时间, Ni枝晶不再发生熔断, 形成呈辐射状的粗大枝晶. 当过冷度大于113 K时, 液滴中形成等轴晶, Ni固溶体与NiMo金属间化合物两相分离生长. Ni-47.7%Mo共晶合金凝固组织随着过冷度的增加由层片共晶组织向不规则共晶组织转变. 理论分析表明, 深过冷Ni-39.3%Mo, Ni-45%Mo和Ni-47.7%Mo熔体中, Ni枝晶的生长随着过冷度的变化发生了溶质扩散控制生长向热扩散控制生长的转变, 发生转变所需的过冷度ΔT_ct分别为66.6, 81.9和85.0 K. 随着合金中Ni含量的增高, Ni枝晶的生长发生动力学转变所需的温度T_ct逐渐降低.     

三维Hall MHD数值模拟中初始载流子对场向电流分布的影响

用Hall MHD数值模拟的方法研究了Hall等离子体中不同初始粒子载流情形下磁场拓扑形态结构的改变以及场向电流与Alfven波的产生．在考虑了初始离子载流子的影响后，模拟结果中磁场的拓扑形态结构更加复杂．模拟结果中除了传统的By四极结构以外，还出现了一个与传统By四极结构相反的反四极结构，这种结构的出现使Hall MHD理论能解释完全电子载流情形下不能解释的观测现象，作为事例给出了Cluster卫星观测事例．同时还得出以下几个非常有意义的结果：1）受Hall效应影响的区域（空间变化尺度小于或相当离子回旋半径的区域）电子与离子分离．在非Hall效应影响的大部分区域，受初始离子＋y方向运动的影响整个磁结构向＋y方向偏移；而在受Hall影响的较小区域，受电子运动影响磁力线向-y方向弯曲．随之，By产生；2）由于By的出现，场向电流（FACs）产生．与完全电子载流的情形相比，结果中场向电流分布的中心随离子载流比例的增加向＋y方向偏移，场向电流主要分布在y〉0的区域；3）模拟结果中Ae≈0．76，Ai≈1．36，Ae×Ai≈1．03，完全符合Hall等离子体中的瓦伦关系，证实了Alfven波的存在．