第一性原理研究Mg(16-x)Tix(x=1-16)合金的晶体结构和力学性质

设计力学性能良好的新型镁钛合金对于促进汽车工业、固态储氢材料以及生物复合材料具有重要的意义. 本文基于第一性原理计算, 以能量为判据, 筛选出了Mg(16-x)Tix(x=1~16)每个组分下最稳定的晶体结构, 同时通过形成能、声子谱以及弹性常数对相对稳定的Mg15Ti1, Mg2Ti2, Mg1Ti15晶体结构进行了详细的研究. 研究结果表明镁钛合金是不相溶的, 形成的结构均为亚稳态结构且是热力学稳定的, 此外钛含量的增加有利于增加镁钛合金的硬度以及延展性, 这与实验结果一致, 但是会降低共价键的强度.     

Microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered Ti-Mo alloys for dental applications

Ti-Mo alloys with various Mo contents from 6wt% to 14wt% were processed by spark plasma sintering based on elemental powders. The influence of sintering temperature and Mo content on the microstructure and mechanical properties of the resulting alloys were investigated. For each Mo concentration, the optimum sintering temperature was determined, resulting in a fully dense and uniform microstructure of the alloy. The optimized sintering temperature gradually increases in the range of 1100–1300℃ with the increase in Mo content. The microstructure of the Ti-(6–12)Mo alloy consists of acicular α phase surrounded by equiaxed grains of β phase, while the Ti-14Mo alloy only contains single β phase. A small amount of fine α lath precipitated from β phase contributes to the improvement in strength and hardness of the alloys. Under the sintering condition at 1250℃, the Ti-12Mo alloy is found to possess superior mechanical properties with the Vickers hardness of Hv 472, the compressive yield strength of 2182 MPa, the compression rate of 32.7%, and the elastic modulus of 72.1 GPa. These results demonstrate that Ti-Mo alloys fabricated via spark plasma sintering are indeed a perspective candidate alloy for dental applications.     

藏式毛石砌体抗压强度对其弹性模量和峰值应变预测

抗压强度、弹模和峰值应变是藏式毛石砌体力学性能的3个重要参数,由于砌块不规则性和砌筑工艺随机性的影响导致该类砌体抗压强度、弹模、峰值应变都较难直接获得。通过毛石砌块和泥浆黏材强度获得毛石砌体抗压强度,以抗压强度预测弹性模量和峰值应变是为了研究此类砌体变形特征和力学特性。采用西藏传统砌筑工艺砌筑8个毛石棱柱体试件,对棱柱体试件进行单轴压缩力学测试,获得毛石砌体抗压强度、弹模、峰值应变、位移-荷载曲线、破坏形态等。结合已有研究成果对该类砌体抗压强度表达式中砌块与泥浆相关影响系数进一步优化,以抗压强度预测其弹性模量、峰值应变。试验结果表明,该类砌体抗压强度、弹模、峰值应变较低且变形呈阶段性变形特征,位移-荷载曲线与其他类型砌体对比存在差异。以区间估计法和线性回归进行弹性模量和峰值应变预测并与其他类别毛石砌体对比发现吻合度较好。该结论可供该类砌体结构修复、加固和毛石砌体单轴压缩性能研究参考。     

热处理对Mg-4.0Zn-1.0Ca-0.6Zr组织和性能的影响

采用铸造-均化-轧制工艺制备了Mg-4.0Zn-1.0Ca-0.6Zr合金,研究了不同热处理工艺对合金微观组织和力学性能的影响.结果表明:合金板材硬度值与抗拉强度都是随时效时间的延长先上升后下降,在12h时达到最大值,分别为71.2HV和320MPa;延伸率时效8h时最大,达19.2%,随时效时间的延长,逐渐下降.合金板材时效后力学性能的提高是由于在晶粒内部析出了大量的Mg6Ca2Zn3和MgZn强化相所致.     

MX(M=Fe,Ru,Co和Rh, X= Si和Ge) 合金化合物的热力学性质和硬度的第一性原理计算

基于第一性原理,利用赝势平面波法分析MX型合金化合物的结构性质、弹性性质和力学稳定性。计算得到的MSi/Ge的结构参数和形成焓与实验结果以及其他理论计算结果相吻合,结果表明MSi/Ge具有热力学稳定性且易于合成。计算得到了MX型合金化合物的弹性常数、体积模量、剪切模量、杨氏模量、弹性各向同性指标以及泊松比。基于弹性常数,得到了CoSi/Ge和RhSi/Ge的德拜温度-压强曲线。基于计算硬度的半经验模型,计算了该系列物质的硬度。其中,RhSi、FeGe和CoGe具有较高的弹性模量和较低的泊松比,具有成为超硬材料的潜质。     

Core-shell structure nanoprecipitates in Fe-xCu-3.0Mn-1.5Ni-1.5Al alloys: A phase field study

The core-shell structure precipitatates of Fe-xCu-3.0Mn-1.5Ni-1.5Al alloys under internal and external strain was investigated by using a multicomponent continuous phase field model based on Gibbs free energy of sub regular solution. Results show that the early cluster nuclei are not pure Cu, and Mn/Ni/Al also gather in the same position of Cu rich nuclei, resulting in four core-shell structures in precipitation. In the absence of external strain, the morphology of precipitates is mainly determined by interfacial energy, intrinsic elastic anisotropy and lattice distortion between new phase and parent phase. Intrinsic elastic strain energy can inhibit precipitation, while has no obvious effect on particle morphology. In coarsening, the elastic energy decreases due to the combination of particles. The loading direction and magnitude of the applied elastic strain field can control the morphology of precipitates. The external strain and the interaction between Mn, Ni and Al promote the joining and merging of adjacent core-shell particles. This work has guiding significance for the design of Fe-xCu-3.0Mn-1.5Ni-1.5Al alloys and other core-shell precipitates materials.     

A first-principles study of displacive β to ω transition in Ti-V alloys

The ground state properties of β and ω phases in Ti-(0–30 at%)V alloys were calculated, and subsequently thermodynamics and energy barriers of the displacive β to ω transition were investigated by first-principles. The results show that the lattice parameters of β and ω phases decreases with increasing V content in Ti-V alloys. The principal lattice strains for the β to ω transition are highly compositional dependent, and the volume variation decreases with increasing V content. The mechanical stability of the ω phase increases initially at the V content around 10 at% and then decreases with increasing V content. Based on the quasiharmonic Debye model, a metastable diffusionless phase diagram has been established, showing that the ω phase is thermodynamically more stable than the β phase at room temperature, anticipating a spontaneous transition from β to ω phases in Ti-V alloys. The calculations of energy pathways indicate that there is an energy barrier during the displacive βto ω transition in Ti-V alloys at temperatures from 100 to 500 K, but not at 0 K.     

纯铜梯度纳米化表面硬质膜的微观结构演化与力学性能研究

利用磁控溅射法在纯铜的表面沉积TiN硬质膜,然后对镀膜后的试样进行表面机械滚压处理（surface mechanical rolling treatment, SMRT）,在其表层形成梯度纳米结构层。采用金相显微镜（optical microscopy, OM） 、扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）等对试样的表面形貌和显微结构进行表征,研究梯度纳米结构层的强化方式和组织演化规律。通过改变SMRT工艺的参数,在试样的表面制备出不同厚度的梯度纳米结构层。研究发现：随着下压量的增加,表面的梯度纳米层随之变厚,硬质膜颗粒与纯铜基体的结合更紧密;表面梯度纳米化影响了硬质膜的组织结构;颗粒被碾入纯铜表层中,提高了试样的综合力学性能,屈服强度最高增加了73%,同时其塑性降低很少;试样表面的硬度最大可以达到约1.6 GPa,并且沿厚度方向从表层到芯部的硬度呈梯度分布。     

Zr基大块非晶的研究

利用射流成型法制备出Ｚｒ５２．５Ｃｕ１４．６Ａ１１０Ｔｉ５大块非晶,该合金系统具有很强的玻璃形成能力和宽的过冷区,其玻璃转化温度Ｔｇ＝６５０．６３Ｋ,晶化温度Ｔｘ＝７２１．９０Ｋ,过冷区△Ｔｘ＝Ｔｘ－Ｔｇ＝７１．２７Ｋ,Ｖｉｃｋｅｒ硬度为５５８ｋｇ／ｍｍ＾２,压缩断裂强度１７３０ＧＰａ,弹性模量８２ＧＰａ,观察其断口有大量纹络状河流花样,并有融化的液滴存在,该合金系统大的玻璃形成能力应归功于合金组     

VN/(Ti,Al)N纳米多层膜的共格生长与超硬效应

采用反应磁控溅射技术制备了一系列具有不同调制周期的VN/(Ti,Al) N纳米多层膜.利用高分辨透射电子显微镜、X-射线衍射仪和微力学探针表征了纳米多层膜的微结构和力学性能,从而研究其微结构与力学性能之间的关系.结果表明,小调制周期时,VN/(Ti,Al) N纳米多层膜沿薄膜生长方向呈现出具有面心立方(111)晶面择优取向的共格外延生长结构.由于存在晶格错配,在共格界面作用下,VN和(Ti,Al)N调制层分别受到拉、压应力,在多层膜中产生以调制周期为周期的交变应力场.这种应力场大大阻碍了薄膜中位错穿过界面的运动,从而导致薄膜产生硬度和弹性模量异常升高的超硬效应,并在调制周期为5.6 nm时,达到硬度和弹性模量的最高值38.4GPa和421 GPa.进一步增加调制周期,两调制层之间产生非共格界面,破坏了薄膜中的交变应力场,薄膜的硬度和弹性模量也随之降低.     

火焰喷焊件喷焊层耐磨性的研究

通过工艺试验、耐磨试验和显微组织观察分析，研究了火焰喷焊件的耐磨性，结果表明喷焊层中起耐磨作用的主要是弥散分布在整个喷焊层内的硬质相．喷焊合金的耐磨性与硬质相的硬度成正比．建议对喷焊合金标注基体硬度和主要硬质相硬度两个硬度值．     

溅射功率对GeSb2Te4膜形貌及力学性能的影响

利用电子回旋共振CVD设备的射频磁控溅射方法制备了GeSb2Te4膜,采用原子力显微镜、纳米硬度计以及侧向力显微镜考察了不同溅射功率对GeSb2Te4膜表面微观结构以及力学性能的影响．结果表明：在一定的溅射功率范围内,由于薄膜生长方式从三维向二维的转化,薄膜的表面粗糙度随功率的增大而降低,而且薄膜致密度也随之提高,从而使得非晶态GeSb2Te4膜硬度和弹性模量增大．利用能量密度理论对这一现象进行了分析．另外,由于表面能等因素的影响,功率为63W制备的GeSb2Te4膜粘附力较高,摩擦系数却较小．     

Influence of Cr content on the microstructure and mechanical properties of Cr_xFeNiCu high entropy alloys

The effect of Cr content on the microstructure and mechanical properties of Cr_xFeNiCu high entropy alloys(HEAs) was firstly studied by first-principles calculations.The calculated results show that the hardness of the alloys increased with the expense of its plasticity decrease,if the content of Cr in the alloy increased.In order to verify the calculated results,Cr_xFeNiCu(x=0.8,1,1.5 and 2) high entropy alloys were synthesized by vacuum induction melting in the present study.The results show that as the value of x increased from 0.8 to 2,the crystal structure changed from single phase face centered cubic(FCC) phase to a mixture of FCC and body centered cubic(BCC) phases.For the single phase FCC(x=0.8) structure,both the tensile strength and hardness values were low,which were 491.6 MPa and 322.2 HV respectively,however,the plasticity was high,reaching 33.2%.With the formation and growth of BCC phase(x=2) the tensile strength and hardness of the alloy were significantly improved,which were 872.6 MPa and 808 HV,respectively.     

聚氨酯组成与结构对透明性和力学性能的影响

聚氨酯软硬链段之间的结晶分相行为严重影响材料的透明性和力学性能。使用二环已基甲烷二异氰酸酯、环氧丙烷聚醚和1,3-丁二醇扩链剂合成的软质透明聚氨酯呈无定形结构,当硬段含量为47%(wt)时,样品具有较好的透明性和力学性能。此时透光率93%,抗张强度18MPa、伸长率358%、邵氏硬度90。样品在放置过程中无变黄现象。     

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.     

用机械活化粉末制备钨合金

为了改进制备工艺和提高钨合金的性能,对原材料粉末做了机械活化和化学活化处理,通过烧结制备了钨合金,考察了经机械活化和化学活化后粉末的变化,观察了合金的组织、测试了合金的密度、硬度、抗弯强度等性能。结果表明,机械活化可以使粉末颗粒变细、比表面增大、缺陷增多;化学活化可以在粉末颗粒表面形成含微量合金元素的均匀薄层,并通过反应形成高活性层。二者都能使粉末的活性提高,对经活化处理的粉末施以烧结可以获得较高密度和性能的钨合金。     

金属材料弹性模量随机场相关特性的实验与分析

利用弹性模量和硬度的联系,完成了铝合金LY12CZ-M和合金钢30Cr Mn Si A弹性模量随机场相关特性的实验测量及分析。具体工作包括测量试件空间各点的洛氏硬度,并以区域化变量理论中的相关函数为工具对测量数据进行统计分析。分析结果表明:金属材料弹性模量随机场的变异系数在7%左右;随机场的空间连续性较好,不存在块金效应;相关函数模型宜选用单指数型;随机场不同方向上的相关特性几乎相同。     

压入尺寸效应对AZ31镁合金应变率敏感性的影响

通过纳米压入测试方法研究了镁合金在不同应变率下的力学表现,对于AZ31镁合金在不同工况下的应用有着重要意义.压入测试结果表明:随着应变率的增加,压入硬度值逐渐增加,而接触刚度与弹性模量几乎保持恒定;同时,随着压入深度的增加硬度表现出明显的尺寸依赖性.然后,基于Nix-Gao理论获得了AZ31镁合金的尺度无关硬度,并对其应变率敏感指数进行了深入探究.结果表明:压入尺寸效应对材料的率敏感指数影响显著,并获得了剔除尺度影响的率敏感指数.     

偏压对类石墨非晶碳膜结构和机械性能的影响

采用高功率脉冲磁控溅射法在Si和高速钢基底上制备类石墨(Graphite-like carbon,GLC)非晶碳膜,研究了基底偏压对薄膜微观结构、机械性能和摩擦学性能的影响.结果表明:随着基底偏压的增大,GLC薄膜sp2键含量先减小后增大,在基底偏压为-100 V时达到最小值;薄膜的硬度和弹性模量先增大后减小,表面粗糙度先减小后增大;GLC薄膜的摩擦学性能与其机械性能和表面粗糙度密切相关,在基底偏压为-100 V时,薄膜的平均摩擦系数最小.     

软硬互层岩体的加筋作用及敏感性分析

通过对软硬互层岩体受力分析及二维颗粒流数值模拟,从宏观方面分析了硬岩的"加筋"作用及其力学机制,并通过大量的单轴压缩数值模拟分析了加筋作用对硬岩弹模、泊松比、强度以及分层数量、层厚比和层间摩擦等因素的敏感性。结果表明:硬岩对软硬互层岩体的加筋作用主要是通过承受拉应力来发挥作用。加筋作用对分层数和层厚比的敏感度较高,对弹模的敏感度先减小再增加,对强度的敏感度则相反,对层间摩擦的敏感度逐渐降低。