基于纳米压痕和有限元模拟的激光熔覆316L不锈钢弹塑性能研究

分别对激光熔覆316L不锈钢涂层、热轧316L不锈钢进行纳米压痕试验得到载荷-位移曲线和弹性模量,并对热轧316L不锈钢进行单轴拉伸试验,以此应力应变曲线作为材料属性,通过有限元模拟纳米压痕,得出载荷-位移曲线,与试验进行比较,验证有限元模型的可靠性。对未知属性的316L熔覆层,选取不同的屈服强度(250~375 MPa)和应变硬化指数(0.25~0.375),正交组合分别模拟,通过与试验结果的对比,得出316L熔覆层屈服强度为325 MPa,应变硬化指数为0.3,并分析了载荷-位移曲线参量随材料属性的变化规律。     

激光重熔Al2O3-TiO2涂层的强韧性能

采用等离子喷涂和激光重熔复合工艺在Ti-6Al-4V基体上制备了Al₂O₃-TiO₂涂层,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、显微硬度试验和压痕试验等方法研究了激光重熔对涂层的组织及强韧性能的影响.结果表明,等离子喷涂Al₂O₃-TiO₂涂层中的主相为γ-Al₂O₃,而相应重熔涂层中的主相为α-Al₂O₃.激光重熔可消除喷涂态涂层内部的孔隙、微裂纹和层状堆垛等微观缺陷,获得致密化的组织,并使涂层与基体形成良好冶金结合.重熔涂层的硬度比相应喷涂态涂层约提高了50%,裂纹扩展抗力相比喷涂态涂层提高了近两倍.激光重熔纳米涂层中的未熔增强颗粒和纳米结构特性等对涂层起到了协同强化和韧化作用.     

Size Effects at Dwell Stage of Micro-Indentation for Pure Aluminum

以工业纯铝L2为研究对象就微压痕试验过程中保压阶段的尺度效应进行研究。研究发现微压痕试验过程中有保压台阶的瞬间形成,即在达到最大载荷后的保压段,虽然载荷不变,但压入深度却在增加,保压平台的出现和保压时间的关联性不大。随后通过采用带内禀长度微塑性本构方程的有限元模拟,并引入折合材料内禀长度,将模拟结果与相同保压时间、不同载荷压痕试验过程中的尺度效应进行对比分析,并解释了微纳米压痕试验保压平台的反常规律,获得反映材料尺度效应的内禀长度为5.09μm,以及反映微纳米压痕保压阶段尺度效应的材料折合内禀长度为4.90μm,研究表明:保压平台的产生来源于保压阶段应变梯度的减小,相当于几何必需位错密度降低到保压前的96.27%,这种保压平台的形成机理和微纳米压痕试验过程中的几何尺度效应与载荷尺度效应有关。     

3J21合金简化本构关系的建立及其纳米压痕试验

为进一步研究3J21合金在塑性成形过程中的微观组织演变规律和强化机理,结合3J21合金在电子万能材料拉伸试验机上进行单轴拉伸试验所得的数据,建立了以应变ε和应变硬化指数n为基本参数的3J21简化Johnson-Cook本构关系方程。借助3J21合金的纳米压痕试验,测定该合金的弹性模量,并利用所建的本构关系方程对纳米压痕试验进行有限元模拟,模拟结果和压痕试验所得的载荷-压深曲线有较好的吻合。建立的简化本构关系可较好地描述3J21合金在常温准静态应变率试验条件下的应力应变特征。     

基于纳米压痕测试的超细晶Si_2N_2O-Si_3N_4陶瓷常温弹塑性仿真

对分别在1 600℃、1 650℃、1 700℃条件下热压烧结制备的Si2N2O-Si3N4超细晶陶瓷进行纳米压痕试验测试,获得了材料的硬度值、弹性模量值和载荷-深度曲线。考虑试验中波士压针的磨损缺陷,通过理论和数值模拟相结合的方法,确定压针的尖端球面半径RBerk=500nm。以纳米压痕试验数据为依据,利用MSC.Marc有限元仿真软件模拟纳米压痕试验压针压入材料表面的过程,反推出所测试材料的应力应变关系曲线,其屈服应力随弹性模量的减小而降低,分别为47GPa、43GPa、35GPa。通过比较分析压痕区域的应变场和应力场,分析纳米压痕试验中材料的变形特征。     

基于有限元法和纳米压痕技术的SS304/BNi-2/SS304钎焊接头残余应力分析

利用有限元软件ABAQUS开发了一个顺次耦合的有限元程序对SS304/BNi-2/SS304T形钎焊接头残余应力进行了数值模拟,并采用纳米压痕试验进行了测量.结果表明,由于304不锈钢与镍基钎料的力学性能的差异导致了钎焊接头残余应力的产生.其最大值出现在钎角部位,裂纹易在该处起裂并扩展,成为最薄弱区域.残余应力沿中缝逐渐减小,其它区域应力分布较均匀.纳米压痕试验采用了Suresh模型,并将此模型下的试验测量结果与有限元结果进行了比较分析,两者吻合较好,从而也验证了有限元模拟的有效性与可靠性.     

等离子喷涂La2Zr2O7热障涂层高温烧结的硬化行为

热障涂层在高温服役过程中发生烧结和硬化,是引发涂层开裂和剥离失效的主要因素,因此掌握涂层烧结规律是进行涂层设计制备、寿命预测和工艺优化的前提。 文中采用等离子喷涂技术制备 La₂ Zr₂ O₇热障涂层,在 1250 ℃ 条件下进行涂层高温热暴露试验,表征了涂层高温烧结过程中力学性能的变化规律,从孔隙结构的角度揭示了涂层高温烧结硬化机理。 研究结果表明,喷涂态 La₂ Zr₂ O₇ 涂层为典型的层状结构,硬度为(405±20) HV_0.3 ,高温热暴露后涂层呈现先快后慢的硬化趋势,热暴露 200 h 后涂层硬度提高了 80%。 涂层结构分析表明,涂层物相保持不变,但涂层孔隙率呈现出先快后慢的下降规律。 坐标轴变换处理后发现,硬度和孔隙率均呈现以 10 h 为临界的双阶段特性。 通过对涂层孔隙结构的高温准原位观察,发现涂层孔隙初期多点桥接超快愈合、后期以边界推进方式缓慢烧结的双阶段烧结现象, 从而揭示了 La₂ Zr₂ O₇ 热障涂层分阶段硬化的烧结机理,从而为发展抗烧结高性能热障涂层提供了新的理论依据。     

基于遗传神经网络的等离子喷涂纳米ZrO2-7%Y2O3涂层工艺参数优化

将BP神经网络和遗传算法相结合用于等离子喷涂纳米ZrO2-7％ Y2O3涂层的工艺参数优化,根据正交试验结果对模型结构进行训练,建立了喷涂距离、喷涂电流、主气压力、辅气压力与涂层结合强度和显微硬度之间的BP神经网络模型,并基于遗传算法对涂层结合强度和显微硬度进行了单目标和多目标参数优化.结果表明,模型预测值与试验值十分接近,说明该网络模型是正确和可靠的.遗传算法优化的涂层最大结合强度和显微硬度(HV)分别为44.0 MPa和12.663 GPa;当涂层结合强度和显微硬度两个性能参数权重相同时,在喷涂距离90.66 mm、喷涂电流934.63 A、主气压力0.304MPa和辅气压力0.898 MPa时涂层综合性能最优.     

等离子喷涂纳米结构Al2O3＋13％TiO2涂层的热震失效机理

研究了纳米结构Al2O3+13%TiO2(AT13)陶瓷涂层的微观组织,并对其进行热震试验,分析涂层热震前后组织结构的变化,并结合交流阻抗法研究了涂层的热震失效机理.结果表明,陶瓷涂层存在1.02%的通孔,热震过程中氧穿越通孔,使粘结层/陶瓷层界面生成一层氧化物.粘结层/基底界面的氧化物主要为疏松的氧化铝,随着热震次数增多,氧化物层厚度增大.纳米结构AT13陶瓷涂层热震失效发生在粘结层/陶瓷层界面.     

非平衡磁控溅射制备CrTiAlN/GLC复合涂层的表面性能及摩擦磨损性能研究

采用非平衡磁控溅射技术在新型冷作模具钢表面制备CrTiAlN/GLC复合涂层,并应用拉曼光谱(Raman)、纳米压痕、磨损试验等测试方法分析与考察该复合涂层的组织结构、纳米硬度、结合强度和摩擦磨损性能。结果表明:CrTiAlN/GLC复合涂层由CrTiAlN和以sp2为主的非晶及微晶结构GLC组成,其纳米硬度(17.38 GPa)介于CrTiAlN与GLC单一涂层之间,但有最高的弹性模量(186.35 GPa),并与基体结合状况良好(临界载荷Lc≥60 N)。此外,复合涂层还明显地改善了基体表面的摩擦学性能,干摩擦系数为0.1～0.35,油润滑磨损率(<0.7×10-12mm3/N.mm)约为基体(1.36×10-12 mm3/N.mm)的50%。     

一种具有优异玻璃形成能力的Zr50Ti5Cu27Ni10Al8大块非晶合金的开发

多组元的Zr基非晶合金成分的复杂性对开发具有优异玻璃形成能力的Zr基非晶合金提出巨大的挑战。另外,大部分Zr基非晶合金含有有毒元素Be或者贵金属。因此,采用一种简单有效的方法开发无毒无贵金属元素的多组元Zr基非晶合金十分必要。本文中采用二元共晶比例法和部分元素替代法快速的开发出了一种新的临界尺寸大于10mm的 Zr50Ti5Cu27Ni10Al8非晶合金。这个非晶合金的热稳定性和硬度也通过原位高温X射线衍射和纳米压痕方法测量得出。     

Indentation size effect on the Fe2B/substrate interface

This study evaluated the indentation size effect on the Fe₂B/substrate interface using the Berkovich nanoindentation technique. First, the Fe₂B layers were obtained at the surface of AISI 1018 borided steels by the powder-pack boriding method. The treatment was conducted at temperatures of 1193, 1243 and 1273 K for 4, 6 and 8 h at each temperature. The boriding of AISI 1018 steel resulted in the formation of saw-toothed Fe₂B surface layers. The formation of a jagged boride coating interface can be attributed to the enhanced growth at the tips of the coating fingers, due to locally high stress fields and lattice distortions. Thus, the mechanical properties achieved at the tips of the boride layer are of great importance in the behavior of borided steel.Applied loads in the range of 10 to 500 mN were employed to characterize the hardness in the tips of the Fe₂B/substrate interface for the different conditions of the boriding process. The results showed that the measured hardness depended critically on the applied load, which indicated the influence of the indentation size effect (ISE). The load-dependence of the hardness was analyzed with the classical power-law approach and the elastic recovery model. The true hardness in the tips of the Fe₂B/substrate interface was obtained and compared with the boriding parameters. Finally, the nanoindentation technique was used to estimate the state of residual stresses in this critical zone of the Fe₂B/substrate interface.     

Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5非晶棒料摩擦焊接

设计了一种非晶合金摩擦焊装置,以Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5非晶棒料为研究对象,进行了摩擦焊试验.焊接样品经SEM,XRD,维氏硬度、TEM等检测,结果显示焊接界面无明显未熔合,样品仍然保持非晶态,接头硬度总体增大,接头处出现了纳米晶.采用ANSYS软件对非晶合金摩擦焊的温度场进行仿真.结果表明,在摩擦时间t=0.25s时摩擦界面中心温度超过非晶棒料玻璃转变温度,接触面全部进入过冷液相区,应进行顶锻.仿真结果与摩擦焊试验结果基本吻合,有利于指导焊接试验.     

采用Ag-Cu-Ti+Mo复合钎料钎焊Si3N4陶瓷

采用Ag-Cu-Ti+Mo复合钎料连接Si3N4陶瓷,利用SEM,TEM,Nanoindentation研究了钎料内钼颗粒含量对接头组织和力学性能的影响.结果表明,在Si3N4/钎料界面处形成了一层致密的反应层,该反应层由TiN和Ti5Si3组成.接头的中间部分由银基固溶体、铜基固溶体、钼颗粒和Ti-Cu金属间化合物组成.借助于纳米压痕技术测定了接头内Ti-Cu化合物以及钎料金属的弹性模量和硬度值.随着钎料内钼颗粒含量的提高,母材/钎料界面反应层厚度逐渐降低;钎料金属中Ti-Cu化合物数量增多;此外,银和铜基固溶体组织逐渐变得细小.当添加5%Mo时,得到最高的接头强度429.4 MPa,该强度相比合金钎料提高了114.7%.     

改性TiO2纳米管阵列电极的光电化学性能研究

近年来,掺杂改性的TiO₂纳米管作为光催化材料的研究受到广泛关注。本实验采用阳极氧化法在Ti板表面制备规则有序的TiO₂纳米管,通过在电解液中直接添加含Fe、N元素的化学试剂对其进行掺杂改性。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和X射线光电子能谱对TiO2纳米管进行表征,确定TiO₂纳米管的最佳制备条件。最后利用瞬态光电流曲线、开路电位曲线、线性伏安扫描曲线对其光电化学性能进行比较。研究发现,1%的Fe元素掺杂材料具有更好的光电响应,光照时开路电位可达0.345 V;9%的N元素掺杂材料具有最好的光电活性,光照时开路电位可达0.3 V。     

Al_2O_3/MoS_2复合涂层的制备及摩擦磨损性能

以大气等离子喷涂工艺制备的Al_2O_3陶瓷涂层为模板,利用陶瓷涂层中存在的孔隙和微裂纹,采用水热反应在其内部原位合成具有润滑特性的MoS_2,制备出Al_2O_3/MoS_2的复合涂层。结果表明,通过水热反应在陶瓷涂层原有的微观缺陷中成功合成了MoS_2,合成的MoS_2固体粉末呈类球形状,并且这球状的粉末是由纳米片层状的MoS_2搭建组成的。摩擦试验结果表明,与纯Al_2O_3涂层相比,复合涂层中由于MoS_2润滑膜的形成,其摩擦因数和磨损率都显著降低,且载荷越大,复合涂层的摩擦性能越好。     

Deposition and characterization of CrN/Si3N4 and CrAlN/Si3N4 nanocomposite coatings prepared using reactive DC unbalanced magnetron sputtering

Nanocomposite coatings of CrN/Si₃N₄ and CrAlN/Si₃N₄ with varying silicon contents were synthesized using a reactive direct current (DC) unbalanced magnetron sputtering system. The Cr and CrAl targets were sputtered using a DC power supply and the Si target was sputtered using an asymmetric bipolar-pulsed DC power supply, in Ar + N₂ plasma. The coatings were approximately 1.5 μm thick and were characterized using X-ray diffraction (XRD), nanoindentation, X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy. Both the CrN/Si₃N₄ and CrAlN/Si₃N₄ nanocomposite coatings exhibited cubic B1 NaCl structure in the XRD data, at low silicon contents (< 9 at.%). A maximum hardness and elastic modulus of 29 and 305 GPa, respectively were obtained from the nanoindentation data for CrN/Si₃N₄ nanocomposite coatings, at a silicon content of 7.5 at.%. (cf., 24 and 285 GPa, respectively for CrN). The hardness and elastic modulus decreased significantly with further increase in silicon content. CrAlN/Si₃N₄ nanocomposite coatings exhibited a hardness and elastic modulus of 32 and 305 GPa, respectively at a silicon content of 7.5 at.% (cf., 31 and 298 GPa, respectively for CrAlN). The thermal stability of the coatings was studied by heating the coatings in air for 30 min in the temperature range of 400-900 °C. The microstructural changes as a result of heating were studied using micro-Raman spectroscopy. The Raman data of the heat-treated coatings in air indicated that CrN/Si₃N₄ and CrAlN/Si₃N₄ nanocomposite coatings, with a silicon content of approximately 7.5 at.% were thermally stable up to 700 and 900 °C, respectively.     

纳米压入结合有限元模拟确定金属材料的塑性性能

材料具有相同的弹性模量 E以及代表性应力与代表性应变(σr,εr)时,可以获得相同的纳米压痕加载曲线,而与材料的应变强化指数 n无关。基于此,利用纳米压入结合有限元数值模拟建立一种确定金属材料塑性性能参数的改进方法。首先,不考虑金属材料的加工硬化,通过不断调整代表性应力的假设值,当模拟与实验载荷?位移曲线的加载阶段相吻合时,确定其代表性应力。其次,对金属材料假设不同的应变强化指数,采用相同的方法确定其代表性应变。最后,通过调整应变强化指数的假设值,使模拟曲线与实验曲线的卸载阶段相吻合来确定金属材料的真实应变强化指数,继而利用幂强化本构方程确定金属材料的初始屈服极限。将该方法应用于AISI 304不锈钢、铁及铝合金三种金属,其有效性得到验证。     

A novel technique for development of A356/Al2O3 surface nanocomposite by friction stir processing

A356/Al₂O₃ surface nanocomposite was produced by friction stir processing (FSP) method. X-ray diffractometery, optical and scanning electron microscopy, microhardness and nanoindentation tests were used to characterize the samples. The results indicated that the uniform distribution of Al₂O₃ particles in A356 matrix by FSP process can improve the mechanical properties of specimens. The hardness and elastic modulus of the as-received A356, the sample treated by the FSP without Al₂O₃ particles, surface micro- and nanocomposite specimens were about 75 Hv and 74 GPa, 69 Hv and 73 GPa, 90 Hv and 81 GPa, 110 Hv and 86 GPa, respectively.     

Ti48Zr20Nb12Cu5Be15 非晶复合材料的内耗行为

对Ti₄₈Zr₂₀Nb₁₂Cu₅Be₁₅非晶复合材料的室温力学性能以及随温度变化的动态力学性能进行了研究。结果表明,该非晶复合材料的室温拉伸强度约为1350 MPa,断裂应变约为0.13。随着温度的升高,该非晶复合材料的整体状态由弹性转变为粘弹性。在准点缺陷模型框架下,引入了诸如损耗因子、相关系数等相关物理参数,全面分析了该非晶复合材料动态力学行为,并且模型的理论曲线与实验数据拟合程度较好。因此,准点缺陷模型可以很好地描述不同温度下的Ti₄₈Zr₂₀Nb₁₂Cu₅Be₁₅非晶复合材料的动态力学行为。