PM Rene 95合金中夹杂物的微观力学行为

采用人工植入Al2O3夹杂物的试样,通过SEM原位观察及非线性有限元分析,研究了在单轴拉伸条件下P/MRene95合金中夹杂物与基体的相互作用机理.结果表明,不同尺寸及位置的夹杂物对拉伸进程影响不同;夹杂物/基体界面的裂纹萌生及扩展取决于界面附近基体材料的应力状态.     

拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物特征参数对航空用超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响

为了研究非金属夹杂物对航空用超高强度钢性能的影响,采用扫描电镜原位观测的方法,跟踪观察了拉伸和低周疲劳载荷作用下两种航空用超高强度钢中不同种类、形态和尺寸的夹杂物导致裂纹萌生与扩展的微观行为.结果表明,对于单个TiN和AlN夹杂,在拉伸载荷作用下,裂纹均首先在夹杂内部萌生.夹杂面积越大,夹杂内萌生的裂纹条数越多,第1条裂纹萌生所需的应力越小.在疲劳载荷作用下,对于单个TiN夹杂,裂纹也首先萌生于夹杂内部.但对于以点链状形式存在的AlN夹杂,无论是在拉伸还是疲劳载荷作用下,裂纹均首先在点链状夹杂内部两夹杂之间的母材中萌生,然后沿点链状夹杂向两侧扩展.以点链状形式存在的夹杂对材料疲劳性能的危害比单个夹杂严重得多,夹杂物对材料疲劳性能的危害远大于对拉伸性能的危害.     

易切削钢中夹杂物的纳米压痕表征

利用纳米压痕技术对钢中BN、MnS、Al2O3、TiN等夹杂物进行纳米压痕表征,详细讨论了BN夹杂物对钢的切削性能的改善作用,并分析了纳米压痕表征及宏观硬度测量的误差.研究表明:铸态BN夹杂物硬度低于MnS夹杂物,锻造态BN夹杂物硬度高于MnS夹杂物,三者均远低于钢基体;铸态与锻造态BN夹杂物均能在钢中起到应力集中源、润滑及包裹硬质点的作用,改善钢的切削性能;纳米压痕表征及宏观硬度测量均存在一定的误差.     

P/M Rene95合金夹杂物微观力学行为观察

以典型粉末高温合金P/M Rene95为研究对象,在扫描电镜原位下观察了其中尺寸不同的陶瓷夹杂物在拉伸载荷下导致裂纹萌生的过程.结果表明,在SEM原位拉伸试验中,随着载荷的增加,裂纹在陶瓷夹杂物处萌生.Al2O3夹杂物的尺寸不同,导致裂纹萌生的方式不同.小尺寸的夹杂物引起的裂纹萌生易于产生在夹杂物内部,即夹杂物本身开裂,产生裂纹是在基体大面积屈服之后;而大夹杂物处的裂纹则是在合金基体未屈服之前萌生,位于夹杂/基体的界面.     

Ti-Mg复合脱氧钢中夹杂物细化机制

为了探讨钢中细小夹杂物的形成机制,采用扫描电镜和能谱仪表征了钢中夹杂物的形貌、尺寸、成分及数量,理论计算了脱氧产物的生成优势区图,讨论了夹杂物长大的影响因素.钢中夹杂物的组成以MgO-A12 O3-TiOx为核心,表面包裹析出MnS,钢液中未发现单独的Al2O3和TiOx夹杂;夹杂物的形貌为近球形,平均尺寸为1μm左右,数量在1000 mm-2以上.镁含量较高的钢中含有少量以MgO-Al2O3和MgO为核心的夹杂物,不利于夹杂物的球形化,镁含量宜控制在50×10-6以下.镁的脱氧能力强,形核临界尺寸小、形核数量多以及钢液中镁、铝和钛复合脱氧的高熔点产物的特性有效地控制了钢中夹杂物的扩散与碰撞长大趋势.     

中碳钙硫易切削钢夹杂物形态控制

在实验室进行了1 kg坩埚实验,研究了中碳高硫结构钢钙处理前后夹杂物的形态、尺寸及组?结果表明:钢钙处理后获得了可以改善钢切削性的纺锤形夹杂物,夹杂物的平均纺锤形率为68.11%,并且随钢中[Ca]/[S]增加夹杂物纺锤形化趋势增加;钙处理后小于2.5 μm的夹杂物占夹杂物总量的76.05%,夹杂物细小、弥散分布于钢基体中;夹杂物类型以钙铝酸盐芯硫化物外壳的复合夹杂物、(Mn,Ca)S形式的硫化物为主,有少量的铝酸钙与CaS的复合夹杂物;含钙硫的45钢铸态钢锭比普通45钢铸态钢锭切削性能有所改善.     

IF钢中含Ti夹杂物的衍变规律

系统研究了Ti-IF钢冶炼过程和铸坯中含Ti夹杂物的组成、分布与微观形貌,揭示了含Ti夹杂物的衍变规律.热力学分析和实验结果表明:在IF钢冶炼过程中无TiN生成,含Ti夹杂物的存在形式是以TiO₂为主的钛氧化物结合其他氧化物的复合夹杂:而在连铸凝固过程中,由于钢液温度降低和元素的偏析作用,TiN夹杂以异质形核的方式生成.IF钢铸坯中非金属夹杂物主要是大尺寸Al₂O₃颗粒和存在中间过渡层的TiN—Al₂TiO₅-Al₂O₃复合夹杂物,其形核长大过程是[Al]、[Ti]和[O]先在细小的Al₂O₃颗粒上反应生成一层Al₂TiO₅,然后TiN在Al₂TiO₅表面形核长大.根据连铸过程和铸坯中含钛夹杂物的研究得出,Ti-IF钢铸坯中TiN夹杂难以去除,但是可以使其变性以实现对钢中含钛夹杂物的控制.     

含0.065%Ti的高强度低合金钢中夹杂物

本文用扫描电镜分析了钛质量分数为0.065%的高强度低合金钢在钙处理后铸坯和板材中夹杂物的形貌和大小;用EDS探针分析了夹杂物的成分.结果表明钛质量分数为0.065%的高强度低合金钢的夹杂物绝大部分为CaO-Al2O3-TiOx-CaS系夹杂物,并有少量的TiN,统计表明钢液钙处理效果良好.最后通过热力学计算分析了钢中TiN、CaS夹杂物的析出规律.     

H13模铸钢锭中夹杂物的分布解剖

对5.0 t H13铸锭进行了解剖,采用扫描电镜和能谱分析对铸锭中夹杂物进行了形貌和组成分析,通过T[O]分析和金相显微镜统计分析对铸锭中夹杂物的分布进行了研究.结果表明铸锭中氧含量较高,平均值达到27.8×10-6,必须进一步精炼;铸锭中夹杂物主要为近球形的CaO--Al2O3--SiO2夹杂,块状TiN--VN夹杂,沿晶界分布的条状VC--CrC--MoC夹杂物和少量的CaS--MnS夹杂;尺寸较大的VC--CrC--MoC夹杂物对H13钢的韧性影响较大,必须在后续热处理及精炼中加以控制;T[O]和夹杂物在铸锭中分布不均匀,在铸锭头部中心附近,夹杂物及总氧呈负偏聚;而在铸锭中部及锭尾中心附近,夹杂物及总氧呈正偏聚;同时,铸锭中下部大尺寸夹杂物数量比较高.为了表征夹杂物的偏聚程度,本文提出了夹杂物偏聚指数的新概念.在5 t H13铸锭头部中心夹杂物偏聚指数达到0.75～0.85,而在中下部夹杂物偏聚指数达到1.2～1.3.     

中间包吹氩去除钢水夹杂物

通过现场实验,研究了中间包吹氩位置和氩气流量对钢水洁净度的影响,重点探讨了在注流区吹氩对钢水洁净度的影响.结果表明:在T型中间包注流区内进行合适流量吹氩可提高钢水洁净度,在浇铸区拐角处和塞棒附近吹氩对钢水洁净度没有明显的影响;在注流区内吹氩,合适的氩气流量为6L·min-1,与不吹氩相比,钢中总氧降低率和夹杂物的去除率均可提高10%左右,但15L·min-1的大流量吹氩将会显著增加钢中总氧和大型夹杂物数量.分析认为:注流区内大的湍流强度可将氩气泡击碎成弥散小气泡,大量小气泡在钢液中上浮,不但提高了气泡捕捉夹杂物的概率,而且增加了夹杂物之间的碰撞机会,其结果是增大了夹杂物的粒径,促进了夹杂物的上浮去除;同时,注流区离水口距离最远,在注流区吹氩,碰撞长大的夹杂物有更长的时间上浮排出.以上两个因素的共同作用,使得在注流区吹氩对去除钢水夹杂物有显著效果.     

Effects of the shape and size of rectangular inclusions on the fatigue cracking behavior of ultra-high strength steels

The fatigue cracking behavior of ultra-high strength steels containing rectangular inclusions of small sizes were investigated based on in situ observations by scanning electron microscopy (SEM). The size and shape of rectangular inclusions affect markedly the initiation site and propagation path of a fatigue crack. Especially, the initiation site of a fatigue crack depends strongly on the angle between the long-axis of a rectangle inclusion and the loading direction, and the length/width ratio of this rectangle inclusion because the residual stress distribution fields vary with these conditions. The results coincide very well with those of finite element analysis.     

夹杂尖端奇异性场的新型杂交元分析

提出了一种夹杂尖端邻域杂交元模型,与全域杂交应力元结合,求解夹杂尖端的奇性应力场的数值解. 利用高次内插有限元法求解特征问题, 得到反映夹杂尖端场奇异性状况的特征值和特征角分布函数;利用Hellinger-Reissner 变分原理以及特征问题的解,推导夹杂尖端邻域的单元矩阵.模型只考虑夹杂尖端邻域的边界, 避免了在夹杂尖端划分高密度网格. 采用正方形夹杂作为算例, 数值结果显示了良好的精确性.     

In-depth analysis of the fatigue mechanism induced by inclusions for high-strength bearing steels

A numerical study of stress distribution and fatigue behavior in terms of the effect of voids adjacent to inclusions was conducted with finite element modeling simulations under different assumptions. Fatigue mechanisms were also analyzed accordingly. The results showed that the effects of inclusions on fatigue life will distinctly decrease if the mechanical properties are close to those of the steel matrix.For the inclusions, which are tightly bonded with the steel matrix, when the Young's modulus is larger than that of the steel matrix, the stress will concentrate inside the inclusion; otherwise, the stress will concentrate in the steel matrix. If voids exist on the interface between inclusions and the steel matrix, their effects on the fatigue process differ with their positions relative to the inclusions. The void on one side of an inclusion perpendicular to the fatigue loading direction will aggravate the effect of inclusions on fatigue behavior and lead to a sharp stress concentration. The void on the top of inclusion along the fatigue loading direction will accelerate the debonding between the inclusion and steel matrix.     

In-depth analysis of the fatigue mechanism induced by inclusions for high-strength bearing steels

A numerical study of stress distribution and fatigue behavior in terms of the effect of voids adjacent to inclusions was conducted with finite element modeling simulations under different assumptions.Fatigue mechanisms were also analyzed accordingly.The results showed that the effects of inclusions on fatigue life will distinctly decrease if the mechanical properties are close to those of the steel matrix.For the inclusions,which are tightly bonded with the steel matrix,when the Young’s modulus is larger than that of the steel matrix,the stress will concentrate inside the inclusion;otherwise,the stress will concentrate in the steel matrix.If voids exist on the interface between inclusions and the steel matrix,their effects on the fatigue process differ with their positions relative to the inclusions.The void on one side of an inclusion perpendicular to the fatigue loading direction will aggravate the effect of inclusions on fatigue behavior and lead to a sharp stress concentration.The void on the top of inclusion along the fatigue loading direction will accelerate the debonding between the inclusion and steel matrix.     

平面双分支水平井分支连接处井壁稳定研究

针对潜在走滑型应力场中钻平面反向双分支水平井分支连接处井壁稳定性问题,根据岩石力学相关理论,依据Drucker–Prager 准则,建立了分支井连接部分有限元分析模型,并采用牛顿–拉普森平衡迭代法求解。结合某油藏某井区实际地质资料,研究了最大水平主应力和分支井筒井斜角对分支井连接部分井筒稳定性的影响。结果表明：最大Von–Mises 应力大小和出现位置受井筒平面与原地最大水平主应力之间的夹角和分支井筒井斜角共同影响;最大Von–Mises 应力随着井筒平面与原地最大水平主应力之间的夹角增大而增大,随分支井筒井斜角增大,先减小,后增大,在分支井筒井斜角约为15◦时,最大Von–Mises 应力取得谷值。     

Effect of main inclusions on crack initiation in bearing steel in the very high cycle fatigue regime

This work aims to investigate the effect of main inclusions on crack initiation in bearing steel in the very high cycle fatigue (VHCF) regime. The size and type of inclusions in the steel were quantitatively analyzed, and VHCF tests were performed. Some fatigue cracks were found to be initiated in the gaps between inclusions (Al₂O₃, MgO-Al₂O₃) and the matrix, while other cracks originated from the interior of inclusions (TiN, MnS). To explain the related mechanism, the tessellated stresses between inclusions and the matrix were calculated and compared with the yield stress of the matrix. Results revealed that the inclusions could be classified into two types under VHCF; of these two, only one type could be regarded as holes. Findings in this research provide a better understanding of how inclusions affect the high cycle fatigue properties of bearing steel.     

利用已钻井资料构建区域地层压力剖面的方法

地层压力是油气钻探和开发过程中钻井工程设计与施工的基础数据。针对新探区地层压力预测问题,提出地层压力矩阵的概念,在有效应力理论和Eaton方法计算地层孔隙压力的基础上,给出地层孔隙压力矩阵的构建方法,通过地层压力矩阵可以得到地层压力曲线或含不确定信息的地层压力剖面。在地层压力矩阵的基础上,利用深度平差方法和反距离加权算法,建立计算同构造区域内待钻井地层压力的外延移植算法。某构造区域内的井筒资料计算表明:由该方法得到的待钻井地层孔隙压力值与该井完井后利用测井资料计算的压力值最大相对误差为3.43%;邻井地层压力资料、邻井空间位置和目标区域空间连续性是影响地层压力外延移植方法计算精度的关键因素;对于存在断层或者地质构造比较复杂的地区,需要充分掌握地质构造特性并借助地震资料分构造、分区块建立目标井的地层压力。     

静态载荷下下前牙双端固定桥基牙牙周膜应力的三维有限元法分析

目的:用三维有限元法分析静态载荷下,下颌前牙固定桥基牙牙周膜的应力和应变分布规律,为固定桥的设计和制作提供理论依据。方法:建立下颌前牙双端固定桥及其支持组织的三维有限元模型并进行静态条件下的垂直及斜向加载,计算基牙牙周膜的应力和应变值,绘出牙周膜的应力分布图。结果:固定桥修复前,垂直载荷下,基牙牙周膜的应力以压应力为主,应力集中在根尖;斜向载荷下,基牙牙周膜的应力主要是拉应力和压应力,应力集中在唇、舌颈缘;固定桥修复后,基牙牙周膜的应力和应变分布规律与修复前相似,但最大应力、应变值都明显增大;牙周膜内表面的应力大于牙周膜外表面;垂直载荷时,牙周膜内、外表面的应力差异更为显著。结论:固定桥的修复基本没有改变基牙牙周膜的应力和应变分布规律,但使上述值明显增大。牙周膜具有明显的应力缓冲作用,垂直载荷作用下的应力缓冲作用比斜向载荷作用下明显。     

纤维增强聚合物圆柱体与刚性平面接触应力场的有限元分析

对纤维增强聚合物圆柱体与刚性平面线接触问题进行了有限元分析,研究了接触区内纤维的存在以及取向变化对基体和纤维上应力的影响。结果表明:纤维的存在使得纤维下方基体的应力降低,纤维上方基体应力增大;纤维上的最大应力以及纤维端面上的接触应力均与纤维轴向角成线性关系,且受切向角影响较小;纤维的弹性能随着纤维轴向角和切向角均线性变化,且受轴向角影响更大。