Experimental measurements and theoretical calculations of the atomic structure of materials with subangstrom resolution and picometer precision

Lattice defects are unavoidable structural units in materials and play an important role in determining material properties. Compared with the periodic structure of crystals, the atomic configurations of the lattice defects are determined by the coordinates of a large number of atoms, making it difficult to experimentally investigate them. In computational materials science, multiparameter optimization is also a difficult problem and experimental verification is usually required to determine the possibility of obtaining the structure and properties predicted by cal- culations. Using our recent studies on oxide surfaces as examples, we introduce the method of integrated aberra- tion-corrected electron microscopy and the first-principles calculations to analyze the atomic structure of lattice defects. The atomic configurations of defects were mea- sured using quantitative high-resolution electron micros- copy at subangstrom resolution and picometer precision, and then the electronic structure and dynamic behavior of materials can be studied at the atomic scale using the first- principles calculations. The two methods complement each other and can be combined to increase the understanding of the atomic structure of materials in both the time and space dimensions, which will benefit materials design at the atomic scale.     

纯铜表面纳米化的微观结构演化及其力学性能研究

利用表面机械滚压处理（surface mechanical rolling treatment,SMRT）工艺在纯铜表面制备出梯度纳米结构层,获得了最表层为取向随机的纳米晶粒、亚表层的晶粒尺寸在厚度方向上呈梯度分布的结构层。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对微观组织进行表征,研究了晶界、位错、孪晶界等微观结构的演化。通过改变SMART工艺参数,在纯铜表面制备出不同厚度的梯度纳米结构层,对比分析了梯度纳米结构层厚度对纯铜力学性能的影响。结果表明：经SMRT后,试样距表面大约5 μm处的显微硬度高达1.56 GPa,其横截面的硬度随着距表面深度增加呈递减趋势;相比于粗晶铜,SMRT后纯铜的屈服强度提高了2倍多,而塑性损失很少,并且SMRT后纯铜的屈服强度随着梯度纳米结构层厚度的增加而提高。     

TB2/Cu/TB2扩散焊的界面反应

通过OM,SEM,XRD,EDS,EPMA等分析测试手段,对采用Cu箔作中间夹层的TB2扩散焊界面组织、反应相生成及其生长规律进行了分析。依照Cu-Ti二元相图,选择扩散焊温度分别为1123 K, 1173 K和压 力为5MPa,经30,60,120min扩散焊后,Cu与Ti分别生成Cu3Ti2,CuTi,CuTi3,这三者都硬而脆,尤其是CuTi3的生成使界面的剪切性能严重恶化。     

WC晶粒度不同的双层硬质合金中的梯度结构

以晶粒度不同的2种WC粉末为原料,制备双层硬质合金试样.研究结果表明:在试样的层界面附近,出现过渡显微组织,其WC晶粒度、硬度呈现梯度分布,细晶层一侧的WC晶粒粗化,Co相平均自由程增大,硬度下降;粗晶层一侧的硬度上升;合金两侧的WC颗粒均处于非平衡状态.液相烧结时,界面两侧都有从外界吸入液态钴相以便使WC颗粒达到平衡状态的趋势,由于溶解-析出机制的作用,细晶侧的WC颗粒溶解后通过界面在粗晶侧的WC颗粒上析出,从而使粗晶侧的WC长大并达到平衡状态;与粗晶侧的WC相比,细晶侧的WC颗粒处于更加不稳定的状态,因此,粗晶侧的液态钴相流向细晶侧,使细晶侧的WC骨架发生重组而达到稳定状态.     

电解铜箔表面结构及性能影响因素

对铜箔进行化学处理,考察阴极钛辊表面粗糙度及阴极钛辊的腐蚀对铜箔的性能及表面图像影响。研究结果表明:增加处理液中Cu2+浓度及提高电流密度,有利于表面粗糙度增加,抗剥离强度增大,蚀刻因子Ef降低。若同时降低浸泡复合液中Cu2+和Zn2+浓度,增加Sb2+浓度,则表面粗糙度及抗剥离强度降低,蚀刻因子增加;复合液中Sb2+浓度增加也能使表面粗糙度增加,蚀刻因子增加,但是,抗剥离强度基本没有变化。添加CuSO4后,阴极钛辊腐蚀速度下降,当CuSO4质量浓度达到20 g/L后,钛的耐腐蚀速度在0.050 mm/a以下;当钛辊表面粗糙度Rz降低时,电解铜箔表面相对平整,晶粒大小较均匀,排列较规则。     

轧制油对铝箔退火表面质量的影响

针对铝箔轧后退火时,轧制油对铝箔表面的污染进行分析研究.首先利用热重与差热分析仪对轧制油和添加剂的退火失重和差热曲线进行测定,发现轧制油随温度增加,经历了两个阶段变化:先大量挥发,后发生氧化.退火油斑的形成取决于后者,这从理论上解释了轧制油在退火时的热物性变化对铝箔退火表面的影响.     

滚压诱导纯铜梯度纳米晶层及其微动磨损性能

为提高滚压铜的表面性能,采用剧烈塑性变形方式的滚压工艺,通过加大滚压力进行多次滚压,实现了纯铜表层梯度纳米化,并在干摩擦条件下对滚压样和粗晶样进行了球/平面微动磨损实验,考察滚压对组织结构、表面结构和摩擦磨损性能的影响,分析纳米晶铜的磨损机制．结果表明: 所获得的滚压样的表面晶粒尺寸范围为 4 ～18 nm,平均晶粒尺寸约为 9 ～10nm; 滚压样的表面粗糙度从粗晶样的 1．50μm 显著降低到 0．55μm,显微硬度从粗晶样的 52．2 大幅提高到 120．0; 滚压样在实验负载范围内均具有比粗晶样更好的抗摩擦磨损性能; 滚压样在低负载下以磨粒磨损、疲劳磨损为主,在高负载下以磨粒磨损、粘着磨损为主．     

液氮环境下表面机械研磨处理对纯铜的影响

使用表面机械研磨处理（surface mechanical attrition treatment,SMAT）在液氮环境中分别对退火态铜板进行30、60 s及120 s的加工处理. 通过对样品进行准静态拉伸测试发现SMAT样品的屈服强度相较于退火态纯铜均提升了2 ~5倍,其中SMAT 60 s样品的屈服强度相比于退火态纯铜提高了211.3%,而其均匀延伸率仍可保持在24.6%. 结合硬度测试和金相观察,发现处理过后的样品从表面到芯部形成了明显的梯度结构. 综合结果表明在60 s SMAT处理后的样品具有最佳的强度−延展性匹配关系.     

压力容器用钢的低周疲劳行为与常规机械性能的关系

本文从疲劳应变能的角度推导出了应变-寿命关系式。通过测定常规机械性能,就可预测材料在不同应变幅下的低周疲劳寿命;讨论了低周疲劳抗力与常规机械性能之间的关系,指出了材料本身对低周疲劳行为的主要影响因素;提出了选择抗低周疲劳材料的基本原则。     

残余应力对接触疲劳裂纹萌生寿命的影响

采用光学显微镜跟踪测量法研究了支承辊钢滚动接触疲劳垂直短裂纹的形成和不扩展特性。结果表明:这种短裂纹生成很快、初始扩展速率非常高,但很快就停止扩展;经过大约表面损伤寿命的70%~80%周次循环后,一部分短裂纹又转向沿圆周方向且平行于表面扩展,并具有长裂纹扩展特征。利用垂直短裂纹的这种不扩展特性及其可跟踪性,将其转向扩展作为区分长短裂纹分界点判据。根据这种判据,实验测得残余拉压应力下的寿命比为0.5~0.54,与理论计算的残余拉压应力下的寿命比0.333~0.375相差较大。     

曲轴模型的构建及滚压强度分析

为确定圆角滚压提高曲轴疲劳强度和综合机械性能的情况,从曲轴圆角滚压强化原因、工艺过程、滚压变形影响因素等方面,构建了Q485曲轴模型,提出了一种基于ANSYS的曲轴滚压强度分析方法,在材料疲劳破坏特性的理论基础上,对曲轴的圆角滚压进行理论分析,得出曲轴在静态载荷及滚压条件下的受力云图及变形。     

化学沉积法合成周期性大孔硫化铜

利用单分散的SiO2球构成的胶态晶体为模板，通过简单的化学沉积方法，在室温到160℃的比较温和的条件呀合成了三维周期性的大孔径CuS，同时研究构成其骨架的孔壁对热和超声的稳定性。     

液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹的作用

建立基于耦合欧拉?拉格朗日方法的液体-裂纹流固耦合数值模型,分析移动轮轨接触荷载下液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹面之间的压力分布情况,研究了不同黏度液体对不同长度、不同角度裂纹的作用.结论发现:高黏度液体对裂纹全长均有压力,对裂纹面的压力是低黏度液体压力的4.8～5.9倍,且越靠近裂纹尖端的压力越大,算例工况下脂类对裂纹尖...     

预制表面缺陷对钢滚动接触疲劳性能的影响

10Cr4Ni4Mo4V是在Cr4Mo4V的基础上研制的航空发动机轴承材料。为研究表面损伤对这两种材料疲劳性能的影响,通过含预制表面缺陷和无表面缺陷的滚动接触疲劳实验,研究了表面洛氏缺陷及其边缘突起对这两种材料接触疲劳性能的影响。通过扫描电镜分析了含表面缺陷试样疲劳发展过程及失效形貌,用X射线应力测定仪测量了试样实验前后残余应力随表面至芯部距离的分布。结果表明,表面缺陷以及缺陷边缘的突起均使材料疲劳性能劣化,10Cr4Ni4Mo4V的接触疲劳性能优于Cr4Mo4V。     

材料设计：材料科学的发展趋势

材料设计的提出是材料科学发展的一个里程碑，是材料科学方法论的一次革命．本文讨论材料设计的概念，材料设计的各个组成部分及其相互关系，材料设计的发展现状，材料设计前景展望等．材料设计的基础是材料物性数据库，材料设计的理论和模型需用量子化学、固体物理和宏观系统工程知识．现代微观分析技术和人工智能计算机的发展使材料设计真正成为可能．梯度功能材料的发展是材料设计成功的一个实例．材料设计的发展必将大大缩短新材料的研制周期，从而带来巨大的社会、经济效益．     

可展有理Bezier曲面的设计与修正

通过构造与给定有理Bezier曲线形状相似的曲线,构造出可展曲面,从而提出了一种用于可展有理Bezier曲面的设计与修正方法.并进一步根据需要给出约束平面,对于与约束平面相交的曲面片,将被其所在的曲面族中的一个与约束平面相切或插值于约束平面边界的曲面片所取代.该方法不需要重新计算曲面的控制点和权因子,减少了计算量.修正后的曲面片不穿过约束平面,且仍为可展的曲面片.数值实验表明该方法简单、快速、有效.     

滚轮接触疲劳可靠性分析

针对工程上典型运动机构中常用的滚轮滑轨,在已知滚轮额定载荷、额定失效概率及其对应的额定寿命的前提下,基于Basquin关系,考虑滚轮疲劳寿命服从对数正态分布,建立了滚轮接触疲劳寿命可靠性分析模型,提出了一种滚轮在实际使用环境中不同使用寿命下计算滚轮失效概率的可靠性分析方法。最后,结合飞机型号进行了实例计算,其计算结果可为确定滚轮维修及更换周期提供有益参考。     

Integral Theorems Based on a New Gradient Operator Derived from Biomembranes （Part Ⅱ）： Applications

Based on the second gradient operator and corresponding integral theorems such as the second divergence theorem, the second gradient theorem, the second curl theorem, and the second circulation theorem on curved surfaces, a few new scalar differential operators are defined and a series of integral transformations are derived. Interesting transformations between the average curvature and the Gauss curvature are presented. Various conserved integrals related to the Gauss curvature and the second fundamental tensor are disclosed. The important applications of the results in disciplines such as the geometry, physics, mechanics, and biology are briefly discussed.     

Integral Theorems Based on a New Gradient Operator Derived from Biomembranes （Part I）： Fundamentals

A new gradient operator was derived in recent studies of topological structures and shape transitions in biomembranes. Because this operator has widespread potential uses in mechanics, physics, and biology, the operator‘s general mathematical characteristics should be investigated. This paper explores the integral characteristics of the operator. The second divergence and the differential properties of the operator are used to demonstrate new integral transformations for vector and scalar fields on curved surfaces, such as the second divergence theorem, the second gradient theorem, the second curl theorem, and the second circulation theorem. These new theorems provide a mathematical basis for the use of this operator in many disciplines.