基于“材料基因组工程”的3种方法在镍基高温合金中的应用

"材料基因组工程"强调以产业应用为导向,集成和发展材料的计算工具、试验工具和数据库等核心基础能力,聚焦解决关系国计民生产业应用中材料的关键问题。本文列举3种基于"材料基因组工程"方法在镍基高温合金中的实际应用,包括高通量合金制备及其关键热力学和动力学数据的高通量采集、显微组织的多尺度和多维度表征、微型试样的力学性能检测。分析表明,定量预测和描述材料成分、工艺、组织和性能关系的计算、表征和数据库技术面临极大挑战,基于"材料基因组工程"的方法将促进镍基高温合金的研发,加快从实验室研究到市场应用的转化。     

二维多晶体材料微结构的力学响应计算

为了研究二维多晶体材料微结构细观尺度的力学性能和失效行为,将材料微结构细观力学响应的数值计算建立在材料微观组织结构的代表性体积单元(RVE)上.利用已开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出二维多晶体材料微结构模型,采用C程序设计和Python脚本语言混合编程的方法,开发出用于材料微结构有限元网格划分与细观应力响应计算的软件AutoRVE,这对评估微裂纹的启裂、扩展,预测复合材料微结构材料损伤后的材料性能,推演微结构"虚拟失效"行为具有指导意义.     

锆基非晶合金激光微织构处理及摩擦磨损性能

研发了一种基于纳秒激光表面微织构的功能化表面制备工艺.此工艺将激光表面加工与低温热处理相结合,先使用一定工艺窗口下的激光加工过程实现非晶合金表面微观形貌的织构化,再使用低温热处理过程调控激光织构非晶合金的表面能/表面化学.研究结果表明:激光加工与低温热处理共同作用下制备的非晶合金表面展现出了表面微纳结构与表面化学的改变,从而实现了超亲水向超疏水特性的转变.同时,微摩擦实验结果表明激光织构化超疏水表面可以在润滑介质的帮助下有效提升其抗摩擦磨损性能.     

三维多晶体材料微结构的力学响应计算

材料微结构细观力学响应的数值计算对于识别"材料结构弱点",评估微裂纹的启裂、扩展,预测微结构材料损伤后的材料性能,推演"微结构虚拟失效"行为具有重要的意义.利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出三维多晶体材料微结构的代表性体积单元,通过C语言程序设计、Python脚本语言混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,从而有效地实现三维多晶体材料微结构的细观应力响应计算.     

MSF特种合金的焊接性能及复合效果

考察了MSF特种合金(金库增强材料)的焊接性能,认为采用恰当的焊接工艺可保证合金含量较高的特种合金与Q235D钢对接的工艺可焊性及力学性能.两种材料的复合可明显提高构件的抗冲击破坏能力,满足使用要求.     

二维复合材料微结构的力学响应计算

复合材料的力学响应数值计算对于多元多向异质体材料微结构的"性能导向型"设计、材料微结构失效的评估与预测具有重要的意义.利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出二维复合材料微结构的代表性体积单元,通过C语言、Python脚本混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,使之用于复合材料微结构几何模型的建立、材料属性与晶粒取向的赋值、边界条件的定义以及有限元网格的划分,从而有效地实现二维复合材料微结构的细观应力响应计算.     

三维复合材料微结构的力学响应分析

复合材料的力学响应数值计算对于多元多向异质体材料微结构的"性能导向型"设计、材料微结构失效的评估与预测具有重要的意义.利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出三维复合材料微结构的代表性体积单元,通过C语言、Python脚本混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,使之用于复合材料微结构几何模型的建立、材料属性与晶粒取向的赋值、边界条件的定义以及有限元网格的划分,从而有效地实现三维复合材料微结构的细观应力响应计算.     

深冲铝板坯冷轧显微组织、织构与力学性能

研究了不同冷轧工艺参数的深冲铝板坯（wA1＞99．75％）的显微组织、织构，测定了不同方向的力学性能；由D－500全自动X射线衍射仪建测极图，按Bunge的方法计算取向分布函数（ODF）；通过透射电镜观察变形显微结构．结合冷轧变形亚组织结构和织构特征，讨论了位错胞结构与板坯塑性变形和力学性能的关系，以及对板坯塑性各向异性的影响，预测材料深冲性能．分析认为，材料力学性能决定于变形组织结构和织构，随冷变形量增大，位错缠结胞变形并发生取向排列形成显微带，使材料产生力学性能各向异性及加工硬化．本研究显微组织和织构特征及力学性能分析结果表明，接近50％冷轧变形量的板坯中变形亚组织均匀、多种织构混存，有利于降低材料深冲制耳率．并经工业制罐试验验证．     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析

为评估ABAQUS有限元软件中混凝土损伤塑性模型分析混凝土材料和构件静力性能的能力,用该模型对混凝土材料单轴、双轴应力状态下力学性能以及构件的抗弯、抗剪性能进行模拟,并与试验结果进行对比分析.结果表明,混凝土损伤塑性模型可以较为精确地模拟单轴受压、单轴受拉、双轴受压以及双轴受拉状态下混凝土材料的力学性能,能较好地反映双轴应力状态下的材料破坏包络线,也能较好地预测钢筋混凝土构件的抗弯和抗剪性能及其破坏特征,但不能很好地描述双轴拉压应力状态下混凝土材料的力学性能,也不能反映材料的体积应变发展变化规律.     

NB-109合金铜带新型制备工艺研究

借助DMIRM金相显微镜、CMT5504微机控制万能试验机和HVS-10数显维氏硬度计等设备,研究了NB-109合金的铸态、加工态及退火态的组织、力学性能及其变化规律.铸态金相组织显示几乎全为α相,为选择冷轧开坯的加工工艺提供了必要的前提条件;为了破坏铸态组织、消除形变织构,获得具有理想组织的成品带材,必须同时具备足够大的冷加工率（约90%）、配合恰当的中间退火温度制度,这是研究的重中之重.根据该材料的特性制备出了具有优异性能的NB-109合金铜带,成功开发出了一种基本与锡磷青铜相同且性能优于锡磷青铜的NB-109合金铜带制备工艺.     

SBF下镁锌钙合金耐蚀性能和耐磨性能研究

面向生物医用镁合金，用Zn、Ca元素微合金化和大挤压比变形工艺制备了Mg-Zn-Ca三元合金，通过金相分析，扫描电镜分析手段对材料的显微组织进行了表征；根据应用场景，在人体模拟体液（SBF）中通过常规电化学测试、微区电化学测试相结合综合评估了该合金的耐蚀性能.同时，通过摩擦磨损测试对材料的滑动磨损性能进行了试验分析.结果表明：通过微合金化和热挤压加工，制备出的合金组织为单相固溶体，合金晶粒尺寸较为均匀，自腐蚀电流密度约为119.33 μA/cm2，腐蚀机制表现为均匀腐蚀.相比于干摩擦，材料本身较好的耐蚀性能协同提高了材料在模拟体液环境下耐磨性能，同时配合模拟体液带来的润滑作用，材料的磨损率得到显著降低.此时，磨损机制以腐蚀磨损为主并伴有轻微的磨粒磨损.     

时效状态对Cu-Cr-Zr系合金性能的影响

采用不同时效状态和随后形变热处理工艺制备了Cu-Cr-Zr系合金,采用微观组织观察、硬度和导电率测试等手段研究了不同时效状态对双级时效Cu-Cr-Zr系合金性能的影响.结果表明：欠时效+冷轧+时效工艺和峰时效+冷轧+时效工艺制备的Cu-Cr-Zr-Mg-Si和Cu-Cr-Zr-Ni-Si合金均可获得力学性能和电学性能的优良组合.其中：欠时效+冷轧+时效工艺所制备的合金综合性能更优,但加工热处理过程中性能变化剧烈,材料生产过程中性能均匀性不易控制;峰时效+冷轧+时效工艺制备的合金综合性能极其稳定,易于在生产中控制.不同工艺下的合金性能差异是由析出相与位错的交互作用机制不同造成的.     

薄带连铸因瓦合金的组织、织构及力学性能研究

将薄带连铸技术引入因瓦合金的制备流程，利用金相显微镜、XRD、EBSD、微观硬度计、拉伸实验机等设备，围绕薄带连铸因瓦合金的组织织构演化及力学性能开展研究.结果表明:在钢液过热度较高的条件下，因瓦合金凝固组织以粗大的柱状奥氏体晶粒为主，织构为强烈的λ纤维织构(<100>//ND).冷轧过程中形成大量的变形亚结构，使硬度(HV)由铸态的165提高至230~240，冷轧织构以典型的铜型织构(112<111>)及S型织构(123<634>)为主.0.7mm厚冷轧板经900℃退火10min，形成包含大量退火孪晶的再结晶组织，织构较漫散，其屈服强度、抗拉强度和断后延伸率分别达293MPa，433MPa和33.4%，与传统流程制备的0.7mm厚因瓦合金的性能相当.     

轧制Fe_(81)Ga_(19)合金薄带再结晶织构演变

对Fe_(81)Ga_(19)合金进行冷轧与再结晶退火,考察了压下率对再结晶织构及磁致伸缩性能的影响.再结晶织构主要由Goss({110}001)和γ(111//ND)织构组成,再结晶织构特征随压下率增加出现明显的改变,归因于变形微结构与冷轧织构的差异.冷轧压下率从60%增加到70%时,剪切带密度增加且{111}112形变织构增强,提高再结晶Goss织构强度与磁致伸缩性能.压下率为80%时,剪切带与形变基体取向变化使剪切带晶核取向漫散,且晶界储能提高为再结晶γ织构提供更多形核位置,导致再结晶Goss织构减弱而γ织构增强,降低薄带磁致伸缩性能.     

不同取向条件下Al-Mg-Sc合金薄板的组织与性能

采用室温拉伸性能测试、金相组织观察、透射电子显微分析以及取向分布函数(ODF)测定研究冷轧态、冷轧-退火态Al-Mg-Sc合金(俄罗斯牌号01570)薄板在不同取向条件下的显微组织和力学性能.研究结果表明:合金薄板在横向、纵向和与纵向成30°方向的强度比45°和60°方向上的强度高,横向力学性能优于纵向力学性能,在45°方向的屈服强度最低,伸长率最高;冷轧态铝合金薄板具有明显的Brass织构{110}<112>,Copper织构{112}<111>和S织构{123} <634>,经350℃退火1h后板材的织构组态变化不大.合金板材中弥散析出的Al3(Sc,Zr)粒子会促进{011}<112>变形织构的形成与稳定,阻止立方织构{100}<001>的形成;不同取向条件下Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金薄板的平面各向异性与合金的晶粒结构及晶体学织构密切相关.     

热浸镀铝合金锅体材料的高温耐蚀性研究

本文主要研究经成分优化后的Ｓｉ－Ｃｒ合金铸铁热浸镀铝合金锅体的高温耐镀浴腐蚀性能，并与不锈钢、Ａ３钢及镀铝用白口铸铁镀锅的腐蚀情况进行对比，结果表明，该合金铸铁具有良好的耐蚀性能，可作为铝合金镀浴的锅体材料。结合扩散方程及该合金铸铁与铝合金度浴的扩散特点，对立了合金铸铁腐蚀过程的动力学方程及腐蚀量的一般计算方法，通过实验数据给出了一个简单的镀锅寿命预测公式。     

锈蚀钢筋混凝土结构抗力衰变综述(Ⅱ):构件层次

为准确预测钢筋混凝土构件的时变抗力,回顾了锈蚀钢筋混凝土构件力学性能的研究现状,总结了既有锈蚀钢筋混凝土结构的梁、柱抗力衰变模型,指出了现阶段研究存在的不足及有待进一步探讨的方向.结果表明:腐蚀影响下的结构抗力衰变模型的建立尚未达成统一共识;抗力衰变研究主要关注承载力、变形等外部宏观力学性能的演化,对破坏过程中内部细/微观损伤研究相对较少;劣化钢筋混凝土构件试验多采用小比例模型,存在一定的尺寸效应;传统的室内加速锈蚀不足以满足实际构件性能演化的模拟需要,依托人工环境模拟试验平台,应综合考虑外部荷载与内部劣化的耦合影响,开展更为先进的加速锈蚀试验.     

基于磁共振影像的乳腺癌计算机辅助检测方法综述

β钛合金具有良好的力学性能、高耐蚀性以及优异的生物相容性，在生物医用材料领域备受关注。β钛合金的超弹性归因于应力诱发的β→α"马氏体相变及其逆转变。阐述了影响β钛合金超弹性的因素，归纳了提高合金超弹性的方法。通过添加合金元素调整相变温度和滑移临界应力使得应力诱发马氏体相变更易发生，延迟β相塑性变形的发生，能够获得更大的相变应变和超弹性回复。通过优化热处理工艺和加工方法调控合金的相组成、晶粒尺寸、位错密度和织构等，也可提高合金的可回复应变，增强合金的超弹性。     

高弹性合金Cu-Ni-Sn的研究与发展

阐述了Cu-Ni-Sn合金依靠其良好的力学性能和环保等特点,作为一种有望替代铍青铜的新型铜基弹性合金,被广泛应用于制作各种接插件、弹簧件和开关等弹性元件.文章介绍了该合金国内外研究现状和制备工艺,分析了Ti、Si、Cr、Al、Co、Fe、In和Mn等元素对合金组织和性能的影响,指出了Cu-Ni-Sn合金未来研究的重点应集中在降低合金偏析程度、优化加工工艺和添加适当微量元素提升其性能等方面.     

超高硬度堆焊材料强韧化分析

针对超高硬度堆焊材料抗裂性差和韧性低的技术难点,以中碳合金系统为基础研究系统,用二次旋转回归设计的方法建立了堆焊金属性能的数学模型,并用函数图直观地分析了各合金元素对堆敷金属强韧性能的定量影响规律.结果表明,合金碳化物对堆敷金属性能影响显著,控制碳与合金元素的配比是获得性能优良的堆敷金属的关键.