拉伸载荷下镍基粉末高温合金中夹杂物行为

采用扫描电镜原位拉伸方法,跟踪观察了人工植入A12O3夹杂物的镍基粉末高温合金P/MRene95中夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至断裂的过程.结果表明,在单轴拉伸载荷下,裂纹首先萌生于脆性非金属夹杂物A12O3处,大于一定尺寸的夹杂物,还会使该裂纹扩展成为导致合金断裂的主裂纹,从而大大降低合金的屈服强度及断裂强度.     

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.     

夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响

非金属夹杂物对钢性能的影响与夹杂物的特征参数密切相关.首先分析拉伸和疲劳载荷下超高强度钢中TiN夹杂物导致裂纹萌生的扫描电镜原位观察结果,采用MSC Marc有限元分析软件对夹杂物及周围基体的应力场进行计算,然后对拉伸载荷下不同特征参数的TiN夹杂物及周围基体的应力应变场进行模拟.结果表明,有限元法能够解释并预测夹杂物及周围基体的力学行为.三角形夹杂物尖角附近的应力集中最严重.矩形夹杂物内部高应力区的位置受夹杂物与外载荷方向夹角的影响.随邻近夹杂物间距的增大,基体内的最大应力由夹杂物外侧移至夹杂物之间.近表面夹杂物使得基体自由表面附近出现高应力区,基体内最大应力的位置受夹杂物与自由表面距离和尺寸的影响.     

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.     

轴承钢中夹杂物与接触疲劳裂纹萌生的关系

通过在国产JPM—1型接触疲劳试验机上对国产GCr15、瑞典SKF及美国SAE52100三种类似的轴承钢进行的接触疲劳试验,观察到许多接触疲劳微裂纹及引起裂纹萌生的夹杂物。利用金相显微镜、扫描电镜观察并测量萌生裂纹的夹杂物形状、尺寸、位置,并用图相分析仪测定出夹杂物尺寸分布,从而找出轴承钢中夹杂物与接触疲劳裂纹萌生之间的定量关系,为提高轴承钢冶金质量,完善夹杂物评级标准提供科学依据。     

低氧特殊钢中大尺寸DS类夹杂物生成机理

为了探讨低氧特殊钢中大尺寸DS类夹杂物的生成机理,通过ASPEX PSEM explorer自动扫描电镜对比分析国内外低氧特殊钢试样中夹杂物特征(国内、外试样各两个),发现国内试样中夹杂物平均尺寸大于国外试样,夹杂物的最大尺寸则数倍于国外试样：国内试样中夹杂物的最大尺寸分别为24.9和13.1μm,国外试样分别为7.6和7.5μm.对比国内外特钢试样中大尺寸与小尺寸夹杂物可发现二者成分基本相同,推断大尺寸DS类夹杂物可能是细小夹杂物碰撞长大而形成.通过分析大尺寸夹杂物的可能来源,在实验室通过高温共聚焦激光扫描显微镜观察夹杂物在钢中固/液相界面处的行为.结果发现,总氧降低至7×10-6时,尺寸5μm以下的微细夹杂物可被固/液相界面所捕捉,并在固/液相界面处发生碰撞、聚集、长大而生成大尺寸(>12μm) DS类夹杂物.     

IF钢连铸坯表层夹杂物

针对国内某厂以BOF--RH--CC流程生产的IF钢连铸坯,采用氧氮化学分析、光学显微镜分析、扫描电镜分析、能谱分析和金属原位统计分布分析等多种分析方法,综合分析了夹杂物的尺寸、数量、分布以及成分等.结果表明,非稳态浇铸下铸坯二次氧化严重,大型夹杂物增多;铸坯宽度1/4位置表层夹杂物数量高于边部和中部;随着距内弧表面距离的增加,Al系夹杂物平均粒度越来越小,大于10μm的夹杂物比例也越来越小;铸坯表层夹杂物含量和粒度明显高于铸坯内部,其中距内弧6 mm处夹杂物总数最多.     

石油钻杆钢冶炼过程中夹杂物的析出和衍变

系统分析了国内某钢厂复合脱氧工艺下Cr Mo石油钻杆钢夹杂物在EAF-LF-VD-CC流程中的析晶和衍变规律.由于铝酸盐的上浮,LF冶炼前钢中T[O]含量较低,冶炼过程中氮含量逐渐升高.电镜下钢中大尺寸夹杂物(50μm左右)只出现在LF-VD阶段,主要为低熔点的硅锰酸盐、包含Na2O的混合物和含有少量Ca O的镁铝尖晶石,中间包阶段大尺寸夹杂物完全消失.小尺寸夹杂物(<10μm)出现在精炼全过程中,主要成分是Mg、Al、Si和Ca的复合氧化物、Ca S以及二者的复合物,LF冶炼前到中间包阶段小尺寸夹杂物粒径相似,铸坯中其粒径稍微增加.随着精炼过程的进行,钢中小尺寸夹杂物的成分逐渐向复合氧化物的低熔点区域转移,夹杂物中Ca O和Mg O含量存在竞争关系.铸坯中大型夹杂物(>100μm)包括卷渣引起的复合夹杂,耐材剥落产生的Mg O-Ca O夹杂和钢液内生的铝酸盐夹杂.内生铝酸盐与精炼过程中小尺寸夹杂物成分相似,外层包覆Ca S,轧制过程中容易破碎成链状引发钻杆钢裂纹.建议适当延长VD处理后钢液的镇静时间,以去除钢中大型铝酸盐夹杂,提高钻杆钢质量.     

服役U71Mn钢轨疲劳裂纹萌生及扩展分析

采用HV-1000型显微维氏硬度计、光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪等手段,研究了服役后U71Mn钢轨表层力学性能、轨距角处的显微组织以及裂纹萌生和扩展机理.结果表明:钢轨表层轨距角处的硬化程度最严重,并且该区域沿列车运行方向呈现出较为严重的剪切塑性变形,裂纹容易在该处萌生.钢轨轨距角处的裂纹萌生受到表层切应力分布状态、表面摩擦因数以及表层夹杂物等的综合影响,钢轨表层受到循环应力的反复作用,在加工硬化的作用下材料局部发生硬化,塑韧性降低,另外钢轨表层有大量长条状的MnS夹杂物,这些因素都极大地促进了疲劳裂纹的萌生.轨距角处的裂纹沿着钢轨表层剪切塑性变形的方向扩展,主要方式是穿晶扩展,裂纹间隙中较多的氧化物对裂纹扩展有较大的促进作用.     

高压锅炉管钢P12铸锭中夹杂物分布解剖研究

分别采用解剖、总氧分析(T[O])、原位统计分析、金相显微镜统计分析和小样电解实验研究了16.8 t高压锅炉管钢P12铸锭中夹杂物的分布.发现在铸锭的上中部存在夹杂物数量较低的负偏聚区域,而在中心及尾部中心部位存在夹杂物数量较高的正偏聚区域.为了表征夹杂物的偏聚程度,提出了夹杂物偏聚指数的新概念.总氧分析和原位统计分析结果表明铸锭中下部氧化物夹杂物偏聚指数达到1.4～1.6,而在上中部氧化物夹杂物的偏聚指数为0.5～0.7.金相统计分析和小样电解实验可同时分析钢中氧化物和硫化物等夹杂,其分析结果表明铸锭上中部夹杂物的偏聚指数为0.7～0.8,铸锭中下部夹杂物的偏聚指数为1.15～1.35.铸锭中心及锭尾中心区域氧化物夹杂平均尺寸明显大于其他区域,表明大夹杂物在上浮过程中被结晶雨捕获并沉降到底部是铸坯中下部夹杂物偏聚的主要机制.     

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.     

无穷远受载的各向同性基体中球向均匀各向异性夹杂的特殊性质

研究了无穷大各向同性基体中完善粘结的球向各向异性球夹杂,发现当基体在无穷远受均匀荷载时,球夹杂同样具有类似的显著性质。结果表明,当0<κ<1,球夹杂中心将出现无穷大应力。而且,在无穷远拉荷载作用下,当0<κ<1/3,将出现空蚀现象;在无穷远压荷载作用下,当0<κ<1,将出现黑洞现象。     

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.     

形状记忆合金短纤维增强复合材料的热相变行为

基于Eshelby等效夹杂模型和Mori—Tanaka的场平均法，考虑到形状记忆合金材料的强物理非线性和基体材料的弹塑性，发展了增量型的等效夹杂模型．基于该模型，探讨了形状记忆合金短纤维增强弹塑性基复合材料在应力自由状态下的热相变特性，特别研究了基体材料的塑性对复合材料热相变特性的影响．计算结果表明：当基体进入屈服阶段后，在复合材料卸载过程中出现残余应力；弹塑性基体复合材料的特征相变温度偏移随纤维体积分数的变化规律与弹性基体复合材料的变化规律不同，其热相变特性有显著的区别．     

不同角度裂纹缺陷对材料动态断裂行为的影响

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含相互垂直和相互共线两种裂纹缺陷介质在冲击载荷作用下的动态断裂行为进行了研究。结果表明:在动态冲击载荷的作用下,边裂纹缺陷处应力集中程度远大于试件的内部裂纹缺陷处应力集中程度;当裂纹从垂直内部裂纹缺陷的端部再次起裂时,表现为Ⅰ/Ⅱ复合型断裂;起裂后,裂纹的断裂模式很快由Ⅰ/Ⅱ复合型向Ⅰ型转化;而对于内部共线裂纹缺陷而言,裂纹的起裂和扩展始终表现为Ⅰ型断裂形式。当内部裂纹缺陷垂直于边裂纹时,内部垂直裂纹缺陷对边裂纹扩展的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展速度均有抑制作用;且当裂纹再次从内部垂直裂纹缺陷处起裂后,裂纹的扩展速度和应力强度因子也较共线裂纹缺陷时的高;裂纹扩展速度与裂纹尖端的动态应力强度因子呈正相关性。     

燃料电池专用碳纸功能添加剂的合成及聚合反应的研究

通过控制合成工艺条件,合成了具有一定相对分子质量范围的阳离子聚电解质,作为质子交换膜燃料电池专用碳纸功能性添加剂,研究了过硫酸钾亚硫酸钠氧化还原引发体系水溶液聚合的动力学行为,得到的速率方程为:Rp=Kp[K2S2O8]0.55[Na2SO3]0.56[M]1.14。根据Arrhenius经验公式计算出丙烯酰胺(AM)和二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)共聚的表观活化能为39.86 kJ/mol。     

扩散焊接条件下复合材料接合区界面行为研究

对复合材料SiCw-6061A1扩散焊接接合区基体-基体、弱吉相-基本、弱强相-增强相三种界面行为进行了探索性的研究,分析了接头微观组织及其力学性能。研究表明,在试验范围内,当焊接温度低于复合材料固相线温度时,基体-基体界面可以实现良好结合,而增强相-基体-增强相-增强相界面难以实现结合。发现在铝基复合材料SiCw-6061Al液、固两相温度区间存在一个“临界温度”,当焊接温度达到该温度时,接合区出现一定数量的液态基体金属,不仅基体-基体、增强相-基体界面可以实现较好结合,而且增强相-增强相界面将转化为增强相-基体-增强相界面,焊接接头强度达到母材强度;在此基础上首次提出“非夹层液相扩散焊接”新工艺,成功实现复合材料SiCw-6061Al扩散连接。