微成形中尺寸效应研究的进展

微纳米尺度下微细工件塑性变形中会出现尺寸效应,即随着工件尺寸的减小材料的应力应变关系、塑性成形性能和摩擦系数等成形工艺参数呈现出与常规尺寸工件的塑性变形不同的特点,对于尺寸效应的研究是微成形工艺研究的基础.本文首先综述了实验观察到的各种尺寸效应现象,如随着晶粒尺寸的减小塑性变形机理发生变化,从而导致Hall-Petch关系的变化.然后,介绍了为描述材料应力应变关系中出现的尺寸效应而提出的各种材料模型,其中考虑表面层晶粒体积分数、工件尺寸与晶粒尺寸的比值、应变梯度等因素的影响对经典塑性塑性力学模型进行的修正可以从现象学的角度描述尺寸效应,而基于位错运动、统计存储和几何必须位错密度的演化、晶界滑动等塑性变形机理的的本构模型,不仅能更准确地描述尺寸效应等塑性变形行为,而且能更深入地揭示尺寸效应的物理本质.另外,对于尺寸因素与极限应变的关系和摩擦中呈现的尺寸效应研究也进行了介绍.     

小变形冷轧高纯镍三叉晶界退火行为原位研究

采用电子背散射衍射技术研究了厚度减缩量为5%小变形冷轧高纯镍三叉晶界在800℃的退火行为.结果表明:退火初期,在某些三叉晶界处、尤其是至少包含两条一般大角度晶界的三叉晶界处产生了再结晶晶核,这些晶核均与基体成1 1 1/60°取向差关系,关联界面均为非共格Σ3晶界;在进一步退火过程中,这些晶核中的大部分被其他快速长大的晶粒所吞并,此类晶粒是样品中的原有晶粒,它们通过形变诱发晶界迁移的方式快速长大,并在长大过程中激发出大量Σ3n(n=1,2,3…)等重位点阵晶界.分析认为,退火初期,小变形高纯镍三叉晶界处产生与基体成非共格Σ3界面关系的晶核只是起到了释放该处应变集中的作用,对进一步退火过程中晶界特征分布的演化没有本质影响.     

金属多晶体晶粒长大时晶界的迁移行为

为克服传统三维多晶体晶粒正常长大基本理论的缺陷,以棱边或角隅迁移带动晶界迁移的方式推导出了新的晶粒长大关系式.以凯尔文十四面体为晶粒的基本形状,分析了多晶体晶粒长大时棱边及角隅密度的变化规律及其对晶粒长大速度和迁移激活焓的影响.以实验Fe-3%Si合金为例,用新关系式对其晶粒长大过程进行了模拟计算.结果显示,棱边或角隅迁移带动晶界迁移所反映出的规律,尤其是角隅迁移,更接近真实晶粒的长大过程,传统关系式中的缺陷得到明显改进,所推算激活焓的变化趋势也与实际观察相符.新关系式尚未能考虑金属三维多晶体中第二相粒子及溶质原子的作用,因此与实际观察结果尚存差异,有待进一步完善.     

温度对超塑性拉伸稳定变形影响的力学解析

从应力为应变、应变速率和温度的函数的状态方程出发, 导出包含应变硬化指数、应变速率敏感性指数和本文引入的温度敏感性指数、温度起伏指数, 建立了分析超塑性拉伸载荷稳定变形的微分本构方程和几何稳定变形的变分本构方程, 并根据塑性基本理论的普适条件, 进行了温度连续上升条件下和沿试样轴线存在温度不均匀条件下的载荷稳定变形和几何稳定变形的理论分析. 结果表明温度连续上升的快慢和温度的不均匀的大小对稳定变形有影响, 温度上升越快, 温度越不均匀, 载荷稳定和几何稳定所对应的均匀应变越小; 应变硬化效应是超塑性拉伸变形稳定性的必要条件, 在载荷失稳时并不同时产生几何失稳, 而是能持续一段均匀变形才出现; 在超塑性温度区, 恒温不是呈现超塑性的必要条件, 但是在变形过程中温度上升的越慢, 温度越均匀, 变形的稳定性越好.     

微量V元素对5083铝合金薄板超塑性的影响

采用高温拉伸实验并结合金相分析的方法,研究了微量V元素对5083铝合金超塑性影响.结果表明,微量V可以使5083合金中变形后的纤维组织更加细小均匀,抑制合金再结晶过程晶粒的长大,进而提高5083铝合金的超塑性.传统5083铝合金与加入微量V,5083铝合金轧制板材经500°C一定时间的热处理后,再结晶晶粒尺寸分别为10和20m,5083合金板材505°C～515°C下的延伸率由208%提高到254%.     

超塑性拉伸似粘性流变方程中本构参数的力学解析

在回顾超塑性拉伸似粘性流变方程中本构参数m和k研究历史的基础上,建立了m和k均为变数的微分关系.通过用已知函数模拟应变速率敏感性指数m与应变速率(?)的关系曲线,从理论上求得m(?),k(?)以及k和m关系的解析表达式,论证了m和k均为材料的应变速率敏感性参数,明确了m为应变速率敏感性指数,k为应变速率敏感性系数,建立了m和k的力学解析理论,理论曲线与3种超塑性合金的实测曲线拟合得很好,为了定量计算,还给出精确模拟的3种合金的m(?)曲线和k(?)曲线的多项式.     

高纯铝再结晶晶界面的择尤取向

相比于传统的晶体择尤取向（晶体织构,简称织构）,晶界面择尤取向是一个新的科学问题.系统地研究晶界面择尤取向的形成规律和演化机制对合理调控显微组织结构以显著改善材料的各种使用性能具有非常重要的科学意义和应用价值.本文利用基于体视学原理和电子背散射衍射技术的晶界特征分布五参数表征分析方法,研究了冷轧变形高纯铝（99.99%）再结晶晶界面的择尤取向问题.结果表明,在再结晶及晶粒长大过程中,晶界面择尤取向由最初的{2 2 3}晶面转变为{1 1 1}晶面,最后取向在{1 0 0}晶面上.分析指出,冷轧变形高纯铝再结晶组织中,小角度晶界（取向差介于2°~15°）是其晶界构成的主体部分;在晶粒长大过程中,晶体织构由{1 1 0}〈1 1 2〉黄铜织构为主转变为以{0 1 1}〈1 0 0〉高斯织构和{0 2 3}〈1 0 0〉织构共存为主,受晶面能和晶体织构的影响,小角度晶界一般择尤取向于可形成能量较低的倾侧型小角度晶界所对应的晶面上.这是导致高纯铝再结晶晶界面择尤取向随晶粒长大而发生上述规律性变化的主要原因.     

一维拉伸的本构方程不能直接推广处理二维胀形的力学问题

超塑性成形已经在形状复杂、尺寸精度高的零部件加工中得到广泛的应用, 并有良好的发展前景. 然而, 超塑性成形均处于多向应力状态. 但是, 长期以来, 均把单向拉伸的本构方程直接推广处理多向的理论问题. 这在定量处理中是否正确, 亟需理论证明. 首先简述了超塑性一维拉伸和二维胀形变m值本构方程的建立, 并结合从连续介质塑性力学基本理论所导出的自由胀形的等效应力σ 和等效应变速率 的解析式, 分别用拉伸和胀形的本构方程导出了超塑自由胀形最佳加压规律的解析表达式. 进而结合典型超塑性合金ZnAl22实验数据进行了定量比较. 结果判明, 不能把单向拉伸的本构方程直接推广处理二维胀形的定量力学问题, 处理胀形的定量力学问题, 必须用在胀形应力状态下建立的二维胀形的本构方程.     

考虑时间效应的UH模型

分析时间对土的效应,在对现有理论和试验数据总结分析的基础上提出了瞬时正常压缩线的概念;基于蠕变规律,建立老化时间与超固结度的关系;采用UH模型(以统一硬化(United Hardening)参数作为硬化参量建立的三维超固结土弹塑性本构模型)的再加载公式计算瞬时变形,提出超固结土一维弹黏塑性应力应变关系;分析一维弹黏塑性应力应变关系的演化规律,定义特征速率并给出其与超固结参数的关系;在UH模型屈服面方程中引入折算时间,建立三维弹黏塑性本构模型.该模型在UH模型的基础上考虑时间效应,不仅能够描述土的剪切蠕变、松弛、速率效应等黏性规律,而且能够反映土的剪胀、软化等超固结性质;与修正剑桥模型相比,仅增加一个次固结系数来反映土的蠕变规律;该模型在瞬时加载条件下退化为UH模型,从而使弹塑性与弹黏塑性框架得到统一.     

高温应变下的亚晶界湮没与位错旋转机制的晶体相场模拟

采用先进的晶体相场模型,分别模拟了不同高温条件下的小角对称倾侧晶界,在施加应变下的晶界分解和亚晶界湮没的过程.研究表明:对于不靠近固-液共存温度的高温(T1)预熔化样品,施加应变下的晶界位错发生滑移运动,生成亚晶界和新的晶粒.随后,具有相反Burgers矢量的位错亚晶界相向运动,新晶粒不断吞噬旧晶粒而长大,最后发生亚晶界相遇湮没,亚晶界和预熔化区域消失,双晶转变为完整单晶.对于靠近固-液共存温度的高温(T2)预熔化样品,在应变作用下,生成的亚晶界相向运动,当接近到一定距离时,形成位错对偶极子,发生亚晶界位错结构二次转换,之后亚晶界运动反向,往回迁移运动,最后与另一列返回的亚晶界相向靠近,相互作用转变成"之"字形的亚晶界,然后湮没消失,整个体系转变为单晶.对于高温T2预熔化亚晶界,在应变作用下,形成位错对偶极子的过程中,偶极子的2个位错对的预熔化区域开始扩张、连通,形成近似棒状区域.这一过程的实质是高温预熔化区内部的原子晶格变软,使得在应变作用下,原子排列可以较容易的发生滑移和扭转变形,发生了不同类型的位错相互作用,出现了位错萌生、形核和增殖,位错分解和湮没等一系列位错反应,由此引起了位错的Burgers矢量方向的改变和亚晶界位错类型交换.     

微波快速烧结对弛豫铁电陶瓷显微结构与性能的改善

研究了 2 45GHz多模腔微波烧结系统对组成为xPb(Mg1/3 Nb2 /3 )O3 yPb(Zn1/3 Nb2 /3 )O3 zPbTiO3 的弛豫铁电陶瓷快速均匀烧结过程 .与常规烧结相比 ,微波烧结可显著提高致密化速率 .同时细化晶粒、晶界 ,改善材料显微结构 ,从而大幅度提高材料的击穿场强和断裂强度 ,并达到与常规烧结相近的介电常数 .研究结果表明对于弛豫铁电陶瓷微波烧结比其他陶瓷材料更有利于显微结构和性能改善     

超塑性自由胀形精确加载实验测量装置

超塑性合金的结构敏感性很强,板材超塑性充模胀形的变形规律,不仅与应力状态有关,而且与加载路径有密切关系．超塑性自由胀形边界固定不受摩擦影响,因此,研究超塑性自由胀形的变形规律及其实验装置,是超塑性充模胀形成形的重要基础．采用纯净高压氩气源并用炉外加热系统加热后作为高温高压胀形加载介质,提高了热效率和试件加热的均匀性;采用光电转换非接触测量装置,避免了接触式顶杆对自由胀形件极点处附加应力和温度不均匀的影响;以筒形压边绝热炉内试件的温度和压力为依据,反馈调控温度和压力,提高了试件温度和压力的测控精度;在加载气路中通过准确测控步进电机转角实现调压,并控制电磁阀加载,显著增加了调控气压的响应特性．同时介绍了恒压加载、压力跃变加载以及附加背压的对向差压加载等几种自由胀形典型加载路径的实现步骤和方法,提供了测量超塑性自由胀形应变速率敏感性指数m值和探索提高超塑性自由胀形变形速度的新途径．     

高温变形过程中的动态再结晶类型识别

通过分析高温变形过程中伴随再结晶晶粒长大的内部位错密度变化,判别不同变形条件下动态再结晶过程的进行形式,研究动态再结晶形式对变形参数的依赖规律,发现：低温大应变速率下,高温变形过程中的再结晶形式以连续性动态再结晶为主;高温低应变速率下,以周期性动态再结晶为主.根据动态再结晶软化与加工硬化平衡,得到反映稳态流动时钛合金流动应力对变形参数的响应,建立具有实际物理意义描述钛合金稳态流动本构关系的Arrhenius型方程.通过热模拟压缩实验得到800~900℃,0.0005~10 s-1条件下的TC18钛合金高温变形流动应力应变曲线,验证动态再结晶形式的判据模型,并通过DMM耗散效率分布图分析模型的适用性.通过显微组织分析,研究不同变形参数下的高温变形过程中,不同动态再结晶形式对应的再结晶晶粒粗化/细化的特点.通过各变形条件下真应变？=0.8时的稳态应力验证得到的本构模型,并分析应变速率敏感系数的变化规律.     

颗粒强化氧化铝基复合陶瓷断裂特性的预测

计算了颗粒强化的氧化铝／碳化硅和氧化铝/莫来石复合陶瓷的残余微应力．结果表明，这两种复合陶瓷基体中的微应力与颗粒含量成线性关系．分析了应力状态对裂纹扩展和晶界强化的影响．从微应力作用的角度计算了氧化铝／碳化硅和氧化铝／莫来石复合陶瓷基体晶界与晶粒韧性比，并进一步得到断口的穿晶断裂百分比，从而建立了这两种复合陶瓷微观结构及成分、基体微应力、穿晶断裂百分比三者的对应关系．这样根据颗粒强化复合陶瓷的微观结构、第二相含量及分布可以预测复合陶瓷的断裂特性．     

微米、亚微米与纳米超细晶粒钢的研究进展

晶粒尺寸＜10μm的超细晶粒钢具有高强度和优异的韧性从而成为先进结构材料的研发热点之一.本文介绍了国内外微米级、亚微米级和纳米级超细晶粒钢研究的最新进展,并从工业应用角度简要分析了制约超细晶粒钢应用的组织稳定性和塑性稳定性等问题.指出,对现有制备方法的改进和完善以及更先进工艺的创新,是未来超细晶粒钢研究的关键内容.     

纳米晶体钒热稳定性的分子动力学模拟

用分子动力学技术, 结合分析型嵌入原子方法模拟计算了平均晶粒尺寸为2.86~7.50 nm的纳米晶体钒的微观结构及其热稳定性. 用原子键对分析技术区分了晶粒与晶界原子, 发现晶界原子所占的比例随晶粒尺寸的减小明显提高, 晶体中原子的平均能量要较普通单晶的高. 从原子平均势能、晶界原子比率以及径向分布函数随温度的变化关系得出纳米晶体钒的热稳定温度, 发现随晶粒尺寸的减小纳米晶体钒的热稳定温度明显降低. 最后还讨论了引起这种热稳定温度降低的原因.     

应变速率敏感性指数的理论和测量规范

应变速率敏感性指数m是判定材料超塑性的重要力学指标, 用拉伸实验测量 m 值的力学研究已有很多, 对超塑性的进展也有很大贡献. 首先从回顾已有拉伸实验测量 m值的公式, 并且把它们归类为定长度 m 值的m_l, 恒速度 m值的m_v和定载荷 m 值的m_P三种典型变形路径下的应变速率敏感性指数. 进而基于拉伸变形的本构方程和塑性力学的基本原理, 建立了广义m值的约束方程. 结合三种典型变形路径规范了m值的力学定义, 并由本构方程定义的广义m值公式统一推导出m_l, m_v和m_P的测量公式. 提出结合典型变形路径用数值模拟测量 m值的精确方法. 测量结果表明, m值不仅不是常数, 而且其变化规律与所处的变形路径有密切关系, 用相同的测量公式测量不同变形路径下的 m 值, 测得的结果相差悬殊, 在同一变形路径下用不同的测量公式测得的结果也各异. 对于 m 值的测量必须指明所处的变形路径, 并且要用对应的测量公式才能测得正确结果. 此外, 还从理论和实验两方面都解答了为什么恒速变形路径下的 m_v值往往是负值, 而定载荷变形路径下测得的m_P值往往会大于1. 对m值的深入分析和精确测量的探讨, 旨在为超塑性宏观变形的力学规律与微观物理机理的衔接的研究提供条件.     

夹杂物对低碳钢焊接热影响区组织性能的影响

利用焊接热模拟技术、光学显微镜及扫描电镜对比分析了2种采用不同脱氧方式冶炼的低碳钢中夹杂物特性及其对焊接热影响区组织和性能的影响;采用高温激光共聚焦显微镜对晶内针状铁素体形核长大行为进行原位观察;采用俄歇电子能谱仪分析夹杂物边界附近Mn元素分布.实验结果表明,加Ti处理的Al脱氧钢中主要夹杂物为Al2O3,MnS和TiN,氧化物冶金型Ti脱氧钢中主要夹杂物为TiOx/MnS复合型夹杂和MnS夹杂.研究发现,尺寸为1~3？m的TiOx/MnS夹杂物边界附近存在着一定宽度的贫Mn区,能有效诱导针状铁素体形核.优先生成的针状铁素体会分割原奥氏体晶粒,阻碍低温组织生长,细化最终组织,显著提高焊接热影响区韧性.     

基于最大m值法的Ti-23Al-17Nb板材各向异性的超塑性研究

最大m值法是获得高超塑延伸率的有效方法之一.本文采用最大m值法对Ti-23Al-17Nb(at.%)合金在温度为940~1000℃、不同方向的超塑拉伸变形行为进行了研究.结果表明:在垂直轧制方向、1000℃条件下进行超塑拉伸,获得的最高延伸率为2507.4%,是至今该类Ti3Al基合金所报道的文献中的最高值.随着变形温度和变形量的增加,原始长条α_2晶粒重复经历拉长、断裂和球化的过程,这是获得高延伸率的原因之一,也是各向异性始终存在的原因.在一定变形条件下,α_2晶粒尺寸和体积分数较大时更有利于Ti3Al基合金的超塑性.1000℃变形时大应变会诱发O相析出,增加了合金抵抗颈缩的能力,从而获得更高的延伸率.     

ZnO薄膜的L-MBE动力学机制

利用自制高纯ZnO陶瓷靶材进行了ZnO薄膜的激光分子束外延(L-MBE)生长, 发现ZnO薄膜的L-MBE生长的沉积速率远低于脉冲激光沉积(PLD)的沉积速率, 并且基于ZnO薄膜生长过程中ZnO靶材与纳秒脉冲激光的刻蚀实验现象, 利用脉冲激光烧蚀ZnO陶瓷靶材的热控制理论对ZnO靶材的低刻蚀速率和ZnO薄膜的低生长速率进行了分析讨论, 对实验结果进行了合理的解释. 分析了等离子体羽辉的形成过程及其动力学特征, 揭示了ZnO薄膜L-MBE生长所具有的独特动力学特性, 即高能等离子体冲击过程中的超饱和超快生长和脉冲间隙的热平衡弛豫的交替过程. 高能沉积粒子和低生长速率对于高结晶质量ZnO薄膜的外延制备是十分有利的.