高能球磨法制备Fe-C超细晶/纳米晶粉末的研究

采用高能球磨法制备出了平均颗粒尺寸为纳米级的超细Fe-C粉末。利用SEM、XRD等分析手段研究了球磨时间和转速对Fe-C超细晶/纳米晶粉末颗粒形貌、尺寸和合金化效果的影响。结果表明,Fe-C超细晶/纳米晶粉末的过程中,颗粒尺寸随球磨时间和转速的增加而得到有效细化。当球料比为20:1、转速350r/min、球磨70 h时,颗粒细化效果最好。将球磨后平均颗粒尺寸为纳米级的粉末进行SPS烧结,烧结温度700℃时,能实现烧结体完全致密,并可有效避免晶粒的长大,该烧结体材料抗压强度达2800MPa。     

基于热力学函数的纳米晶粒长大Cellular Automaton仿真研究

基于纳米晶热力学特性表征函数,将纳米晶热力学性质对晶界迁移的影响引入Cellular Automaton算法,对纳米晶粒长大行为进行了定量化和可视化的仿真研究.模拟结果表明,纳米晶粒长大的动力学与传统粗晶材料不同,在恒温条件下,纳米晶粒的长大指数n不是常数(传统粗晶材料的晶粒长大指数n=2为常数),随纳米晶粒长大过程的进行,n值从1.70至6.59发生变化.作为纳米晶粒长大的驱动力,纳米晶界的过剩自由能与纳米晶粒尺寸的变化直接相关.由于纳米晶材料强烈的小尺寸效应,纳米晶组织的热力学性质较大地影响纳米晶界的结构和能量状态,从而影响纳米晶粒长大的动力学特征.因此,只有结合纳米晶热力学特性的仿真研究才能获得对纳米晶粒长大行为本质性的认识.     

液氮球磨Al-Zn-Mg-Cu合金纳米晶粉末的室温稳定性研究

用液氮球磨技术制备了纳米晶Al-10.0%Zn-3.0%Mg-1.8%Cu(质量分数)合金粉末.用X射线衍射、透射电子显微镜,以及差示扫描量热分析等方法对液氮球磨后粉末在室温条件下纳米晶粒组织的稳定性进行了研究.结果表明,Al-Zn-Mg-Cu合金球磨粉末平均晶粒尺寸34 nm.但是晶粒组织并非都是完全均匀细化的大角度纳米晶粒,主要是由较大的亚微米大角度晶粒和十几纳米的亚晶组成.该球磨粉末在室温下放置2年后,原来存在的细小亚晶消失,而亚微米级的大角度晶粒得到了保持.材料中亚晶的不稳定和大角度晶粒相对稳定的原因,是材料在球磨过程中引入的大量微观应变与氮、氧化物粒子在晶界的Zener钉扎的综合作用的结果.     

38CrSi钢表面纳米结构层力学性能的研究

采用超音速微粒轰击技术在38CrSi合金钢表面制备了厚度约为25μm纳米晶层.利用X射线衍射、扫描电镜和透射电镜对表面结构进行分析.纳米结构层的最表面层的晶粒尺寸约为16nm,晶粒尺寸随着距表面距离的增加而增大.利用纳米压痕仪对表面纳米结构层的力学性能进行研究,结果表明,当表面晶粒尺寸降低到纳米量级时力学性能明显改善,最表面纳米结构层的硬度是基体的2倍左右,并服从Hall-Petch关系;表面纳米结构层的弹性恢复系数明显提高;利用该方法制备的纳米晶对弹性模量的影响较小;对表面纳米化样品进行低温退火处理可使纳米结构层的性能更加稳定.分析表明表面纳米结构层力学性能的改善主要是表面晶粒细化的结果.     

表面机械研磨处理制备纳米晶Ni的晶粒生长动力学

利用表面机械研磨处理(SMAT)技术在纯Ni上制备一定厚度的纳米晶表层,利用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)研究了纳米晶Ni的晶粒生长动力学,计算了描述晶粒生长动力学的时间指数n和晶粒生长激活能Q.研究表明,纳米晶Ni在423～723 K退火时的时间指数n约为0.14.当纳米晶Ni在423 ～523 K退火时,其晶粒生长激活能Q为32.1 kJ/mol,表明在这一温度区间内晶粒生长由晶界和亚晶界的微结构重新排列所控制;当纳米晶Ni在523～723 K退火时,晶粒生长激活能Q为121.3 kJ/mol,表明在这一温度区间内晶粒生长由晶界扩散所控制.TEM观察表明纳米晶Ni在较高温度下退火时出现异常的晶粒长大现象.     

金属纳米晶粉体材料中的不连续晶粒长大

采用高能球磨法制备了Co纳米晶粉体,平均晶粒尺寸为(17±3)nm.设计了一系列宽温度范围的退火实验,考察纯Co纳米晶粉体的晶粒长大行为.实验发现,低温区和高温区的晶粒长大动力学有明显差异,而在中温区出现不连续晶粒长大特征.高分辨透射电镜观测表明:在低温区,纳米晶中存在较大比例的小角度纳米晶界,而在高温区则基本为典型的大角度晶界.结合纳米晶热力学计算和DSC分析,认为纳米晶粒在中温区的突发迅速长大是由残余储存能作为附加驱动力激发的动力学过程,其主导机制是通过相邻小角度位向差的纳米晶粒的转动而实现晶粒快速粗化.     

晶粒尺寸对纳米晶钴摩擦磨损性能的影响

采用脉冲电沉积法制备了不同晶粒尺寸的纳米晶钴镀层,考察了晶粒尺寸对纳米晶钴硬度和摩擦磨损性能的影响.结果表明:随着晶粒尺寸的减小,钴镀层的硬度显著升高,符合经典的Hall-Petch效应;而纳米晶钴的抗磨性并没有随着晶粒的减小而显著增加,同时其摩擦系数随着晶粒的减小而略有增加.     

纳米组织锆合金氧化过程中ZrO2晶粒生长特性

研究了673 K,10.3 MPa条件下纳米锆合金氧化膜中ZrO2晶粒尺寸长大规律.结果表明,在纳米结构基底上形成的ZrO2,晶粒尺寸均小于在粗晶基底上所形成的ZrO2晶粒尺寸;在纳米结构基底上形成的ZrO2晶粒长大速率小于在粗晶基底上所形成的ZrO2晶粒长大速率.组织纳米化促进了更小尺寸ZrO2的形成,影响了ZrO2晶粒长大动力学过程.     

Fe84Nb7B9纳米晶粉末热处理特性的研究

通过DTA、SEM和TEM观察对Fe84Nb7B9纳米晶粉末热处理特性进行了研究.结果表明机械合金化可以制备晶粒尺寸在10nm以内的纳米晶粉末,该粉末在100～850℃退火,晶粒尺寸保持在纳米级,并且没有新相生成,表现出良好的热稳定性.其中100～350℃退火纳米晶粒保持在15 nm左右,为后继采用低温压型技术制备块状纳米晶材料提供了理论依据.     

Al-Zn-Mg合金的表面纳米晶化及其热稳定性研究

利用高能喷丸技术在Al-Zn-Mg合金上制备出纳米晶结构表层,利用X-射线衍射仪、光学显微镜和透射电子显微镜研究由表层沿厚度方向的结构变化特征,并对纳米晶层的热稳定性进行分析.结果表明:高能喷丸处理后,在样品表层获得了等轴、随机取向的纳米晶粒,平均晶粒尺寸约为20nm:晶粒细化遵循逐渐细分原则;动态再结晶可能导致纳米晶粒组织最终形成;高应变量和应变速率及变形过程中的温升对表层纳米晶粒的形成起到了重要作用.表层纳米晶结构层在250℃真空退火后,有大量纳米级析出相析出,晶粒长至300nm左右,表现出较好的热稳定性.     

纳米面心立方金属的变形机制及影响其力学性能的因素

综述了纳米面心立方金属的变形机制随晶粒尺寸的减小而发生的变化,即变形机制由晶界处发射不全位错、形成孪晶转变为晶界滑移、晶粒转动.当变形机制为晶界处发射不全位错、形成孪晶时,存在最佳孪晶形成晶粒尺寸范围,此时的孪晶形核应力最小.另一方面,随着晶粒尺寸的减小,在变形机制发生转变的临界晶粒尺寸附近存在韧-脆断裂方式的转变.提高孪晶密度、在纳米晶材料中加入微米晶相形成双峰晶粒材料可以提高纳米晶材料的塑性,得到更好的综合机械性能.     

Ni—P纳米晶条带的稳定性

用热分析和内耗技术研究了Ni-P纳米晶的热稳定性。结果表明:在518至887K温度范围内,Ni-P纳米晶有明显的放热现象,内耗值下降,晶粒长大。表明在这个温区Ni-P纳米晶是不稳定的。     

纳米晶材料的晶粒长大

本文综述了纳米晶材料晶粒长大的研究进展,简述了纳米晶材料晶粒长大的等温动力学理论,讨论了溶质原子、孔洞、第二相粒子和微观应变对纳米晶材料晶粒长大的影响。     

形核剂成分对高碳钢凝固过程的影响

高碳钢连铸坯存在的最大质量问题是中心缩松、中心偏析严重.解决这一问题的关键是扩大铸坯等轴晶区比例,细化晶粒.本文以Fe-C合金作为形核剂,研究了形核剂含碳量对高碳钢凝固过程的影响机理.研究结果表明,向钢液中加入形核剂可有效地扩大等轴晶区.对高碳钢,中碳铁合金形核剂既可扩大等轴晶区,又可细化晶粒;而低碳形核剂可以扩大等轴晶区,但细化晶粒效果差.为有效地发挥形核剂的作用,对不同钢种要合理地选择形核剂含碳量.     

金属纳米晶热稳定性和晶粒长大行为的研究

推导出了金属纳米晶界的基本热力学函数,模拟计算了金属纳米晶界的吉布斯自由能随晶界过剩体积和温度的变化规律。以铜纳米晶材料为例,应用纳米晶热力学模型预测了纳米晶组织的热稳定性及纳米晶粒长大行为。将纳米晶界的热力学函数引入元胞自动机仿真算法,利用计算机模拟研究了金属纳米晶的变温晶粒长大过程。实验证实铜纳米晶粒长大的动力学特征符合纳米晶热力学模型的计算预测结果。     

脉冲电沉积纳米晶镍的力学性能研究

为提高纳米晶镍的显微硬度和抗拉强度,采用脉冲电沉积法制备了不同晶粒尺寸的纳米晶块体镍。利用X射线衍射法分析不同沉积条件的纳米晶镍表面织构和晶粒尺寸。采用超显微微米压痕仪测量表面硬度,利用英斯特朗疲劳试验机进行拉伸试验。结果表明,平均晶粒尺寸为12 nm的纳米晶镍表面显微硬度为598 HV,最大拉伸强度达1360MPa,分别为晶粒尺寸是55 nm的纳米晶镍2.0和1.6倍。另外,晶粒尺寸较小的纳米晶镍伸长率较低。     

梯度结构特征对梯度纳米晶Cu力学行为影响的有限元模拟

采用晶体塑性有限元方法，对具有不同晶粒尺寸梯度结构特征的梯度纳米晶Cu的力学行为、应变场和应力场进行了计算分析。结果表明，当晶粒尺寸分布的梯度率n=1时，即晶粒尺寸分布梯度满足线性关系，平衡了强度和塑性两个关键的力学性能指标，梯度纳米晶Cu具有最优的强塑性匹配。梯度纳米晶Cu在变形过程中，粗晶承担了较大的应变，而细晶粒承载了更大的应力。此外，当梯度率n=1时，梯度纳米晶Cu在塑性变形中具有最大的应变和应力梯度，而且体系达到稳定的应变和应力梯度较晚。模拟结果与理论分析和实验结果一致。     

纳米晶钛酸钡陶瓷尺寸效应的研究

采用等离子体烧结工艺制备出晶粒尺寸为15～100 nm高密度系列纳米晶钛酸钡陶瓷:原位变温拉曼光谱研究了纳米晶钛酸钡陶瓷微区结构特性.结果表明,纳米晶钛酸钡陶瓷相变区间弥散,呈现多相共存的结构特性;即使钛酸钡陶瓷晶粒小到15nm,仍然存在与大晶粒钛酸钡陶瓷类似的行为即随温度的降低经历从立方→四方→正交→三方的相转变.     

纳米晶合金热稳定性的熵调控设计

具有纳米尺度晶粒的纳米晶合金由于具有高强度和高硬度而成为材料领域的关注热点,然而,由于晶界占比高,纳米晶合金的热稳定性差,严重制约了在高温甚至室温下的应用。近年来,纳米晶高熵合金由于显著的高熵效应而展现出特殊性能,这一效应同时能在一定程度上缓解纳米晶在较高温度下的低热稳定性问题。本文通过对纳米晶合金常用的热稳定策略和相关研究进展的分析与归纳,探讨从熵调控的角度利用多组元的高熵效应设计的具有高热稳定性的纳米晶高熵合金的稳定机理和力学性能。已有研究结果表明,纳米晶高熵合金有望拓宽纳米晶合金的领域,同时可为突破纳米晶合金低热稳定性瓶颈提供新的思路。     

纳米晶SmCo7合金的相失稳及伴随的晶粒长大

采用放电等离子烧结(SPS)技术制备出致密的纳米晶单相SmCo7合金块体。以此纳米晶合金为初始材料,通过系列退火实验系统研究其晶格参数、物相组成和显微组织随晶粒长大的演变特征。结果表明:纳米晶SmCo7相(1:7H)从室温至600℃都能保持很好的相稳定性和热稳定性。通过XRD分析和TEM观察证实,纳米晶SmCo7相的失稳分解和晶粒的突发长大是伴随发生的,即在较高温度(高于600℃)条件下纳米化稳定的SmCo7相会分解为Sm2Co17相(2:17R)和SmCo5相(1:5H),同时晶粒组织会急剧粗化;其中SmCo5相会以圆形析出物的形式均匀分布于晶界处和晶粒内部;随着晶粒的长大,六方结构的纳米晶SmCo7相的晶格参数a和单胞体积均线性减小,而轴比c/a则变化不大。