超声表面滚压技术制备梯度纳米结构材料

介绍了超声表面滚压技术（USRP）在制备梯度纳米结构材料中的应用。USRP技术能在材料表面构建梯度纳米结构层并引入残余压应力,同时显著降低材料表面粗糙度并提升表面均匀性。讨论了与USRP加工工艺及过程密切相关的微观结构演变和表面特性,分析了不同材料体系及工艺参数对USRP处理的影响规律。研究表明,采用合适的USRP处理工艺可改善材料表面的力学性能,即硬度,强度,耐磨性及抗疲劳性能等,而腐蚀/氧化行为则更依赖于材料的组织结构、表面完整性、应力状态、不同的腐蚀介质及服役环境等因素的综合作用。此外,对USRP制备梯度纳米结构材料面临的一些基础科学问题和工业应用探索进行了讨论和展望。     

剧烈塑性变形法制备块体纳米材料的研究与发展

综述了采用剧烈塑性变形技术制备块体超细品和纳米晶结构金属的主要方法,如等通道转角挤压、高压扭转、累积轧合与往复挤压.并介绍了两种完全有别于传统的剧烈塑性变形制备超细晶和纳米晶金属材料的最新工艺,如大应变切削和大应变挤压切削.系统地阐明了这些方法的基本原理、变形特点及应用,分析其优缺点并提出改进措施与发展方向.     

表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的研究进展

多数工程结构材料的失效都是从表面的薄弱环节开始发生或者传导,从而引起材料的性能下降,使用寿命缩短.受生物材料的梯度结构启发,近年来开发了多种表面纳米化技术,成功在工程材料表面制备了晶粒尺寸从表层纳米尺度连续变化到内部宏观尺度的梯度纳米结构,强化和保护了材料表面,有效地解决了上述问题.结合国内外表面纳米化的研究结果,综述了金属材料梯度纳米材料的研究进展.首先,介绍了梯度塑性变形、物理化学沉积等表面纳米化加工技术的最新进展.其次,对梯度等轴纳米晶、梯度纳米层片和梯度纳米孪晶等多种表面纳米化材料的微观结构进行了归纳,并对最新发展的梯度纳米结构材料表层晶粒的晶体学取向等微观信息表征方法进行了系统地阐述.随后,总结了梯度纳米结构对工程材料的表面强度、塑性、强-塑匹配、加工硬化、疲劳、耐磨、腐蚀和热稳定性等性能的影响.最后展望了表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的发展趋势及工程应用所面临的挑战.     

激光冲击Ti834合金强化层显微组织演变

激光冲击强化(laser shock processing,LSP)作为一种全新的表面强化技术凭借其强化效果好、可控性强、适应性好等优点在提高关键零部件服役寿命上发挥着不可替代的作用。本研究采用透射电子显微镜(TEM)观察LSP试样塑性变形层内显微组织结构特征的演变,构建了不同冲击次数下表层和深度方向上的显微结构演变示意图。结果表明,Ti834合金经激光冲击强化后塑性变形层内产生大量位错,且随着冲击次数的增加,塑性变形愈加剧烈,位错密度也进一步增加。沿深度方向上可以观察到随应变率递减而形成的典型微观结构特征,其中包括有形变孪晶(MTs),高密度位错墙(DDWs),位错缠结(DTs),位错阵列(DAs)和位错线(DLs)等。     

纳米结构金属材料的塑性变形制备技术

本文总结了制备纳米结构金属材料的塑性变形技术,包括大应变量变形技术(冷轧、累积叠轧、等通道挤压和高压扭转)、高应变速率变形技术(动态塑性变形)和高应变梯度变形技术(表面机械研磨和表面机械碾压),分析了变形方式及变形参数对晶粒细化的影响规律,展望了利用塑性变形技术制备纳米结构金属材料的发展趋势及挑战.     

切削加工中的大塑性变形与超细晶形成研究

研究了常用金属材料平面应变切削过程中的大塑性变形以及超细晶的形成.为了得到切屑根部,特别设计了快停装置.通过光学显微镜观察了切屑试样的微观结构.通过理论模型和数值分析模型对变形区的大塑性变形进行了分析.结果表明,变形过程的晶粒细化是由变形区较大的应变引起.如果加工过程中采用了适当的切削参数,将得到尺寸为100～300 nm的相互分离的大角度晶界等轴细晶.由此可见,切削加工法制备超细晶材料是一种切实可行的方法.     

单晶Cu材料纳米切削特性的分子动力学模拟

建立了单晶Cu纳米切削的三维分子动力学模型,研究了不同切削厚度下纳米切削过程中工件缺陷结构和应力分布的规律.纳米切削过程中,在刀具的前方和下方形成变形区并伴随缺陷的产生,缺陷以堆垛层错和部分位错为主.在纳米尺度下,工件存在很大的表面应力,随着切削的进行,工件变形区主要受压应力作用,已加工表面主要受拉应力作用.随着位错在晶体中产生、繁殖及相互作用,工件先后经过弹性变形——塑性变形——加工硬化——完全屈服4个变形阶段,随后进入新的循环变形.结果表明:工件应力-位移曲线呈周期性变化;切削厚度较小时,工件内部没有明显的层错产生,随着切削厚度的增大,工件表面和亚表层缺陷增加;切削厚度越大,对应应力分量值越小.     

表面纳米化TC4合金微观组织的演化

利用超声喷丸(USSP)技术对TC4钛合金进行表面纳米化处理,并采用X射线衍射(XRD)仪、金相显微镜(OM)和透射电镜(TEM)对处理试样的晶粒尺寸、微观应变、微观组织及其演变过程进行了分析。结果表明:随着USSP处理时间的延长,表层晶粒尺寸由15 min的55 nm降低到60 min的26 nm左右,而微观应变则由0.173%增加至0.263%。随塑性变形量的增加,表层位错密度增加,进而形成位错墙、位错胞,并逐步形成亚晶;变形量进一步增加,晶粒继续细化、取向差逐渐增大得到随机分布的纳米晶,从而获得了具有梯度结构的表面纳米化TC4合金。     

超声冲击强化焊接接头及金属表面强化研究进展

工程机械零件及焊接结构在服役过程中常常因为表面发生磨损、腐蚀和疲劳断裂而失效,而失效形式与其表面加工质量、应力分布状态和表面性能等因素密切相关。超声冲击是一种利用超声波振动驱动冲击针高速撞击工件表面,使工件表面产生塑性变形和残余压应力的表面强化技术,具有效率高、加工精度高以及加工范围广等优势。概述了超声冲击处理技术在焊接接头处理、金属材料表面强化、激光熔覆–超声冲击复合处理以及超声冲击–化学处理复合强化等方面的研究现状及进展。在此基础上,重点综述了超声冲击处理Al、Mg合金及合金钢焊接接头残余应力、力学性能及抗疲劳性能的变化,归纳了传统金属材料以及新兴高熵合金表面超声冲击处理后的组织、微观亚结构及性能变化,总结了超声冲击对激光改性层组织性能的影响规律以及超声冲击预处理对离子渗氮/渗硫层形成及其性能的影响等。超声冲击处理明显降低了焊接接头的残余拉应力,有效提高其疲劳强度,使金属和涂层表面产生纳米化组织,显著提升材料的表面硬度、耐磨性能、耐蚀性能以及耐高温性能,从而延长工程构件的服役寿命。显然,超声冲击处理技术与表面涂层技术相结合,为工程零部件表面强化提供了新的思路。对于表面涂层,超声冲击...     

USRP处理45钢微观梯度力学性能演变及残余应力分布∗

针对材料表层梯度结构力学性能及残余应力分布研究不够深入的问题,对正火态 45 钢进行超声表面滚压加工 (USRP) 处理,在材料表层制备出微观梯度结构,并进行金相、SEM 和 EBSD 分析。 结果表明,根据形变程度将表层微结构分为 3 个区域:强变形区、微变形区和未影响区,厚度最高可达 680 μm。 接着采用应变梯度理论(MSG)修正的仪器化压痕法对试样表层力学性能进行分析,发现试样表层的显微硬度、弹性和塑性变形性能均呈现明显的梯度变化。 最后,采用轮廓法和 X 射线衍射法相结合的方式测量试样表面及内部残余应力分布。 测试结果表明,处理后试样表面形成一定深度的残余压应力场,在距离表面约 700 μm 处压应力峰值仍可达 809. 6 MPa,并且两种测试方法具有较好的一致性。 系统分析了试样表层在微观组织、屈服强度、残余应力分布和塑性流变性能方面出现的明显梯度变化。     

切削法制备超细晶材料研究进展与展望

综述了切削法制备超细晶材料时加工参数和工艺条件对晶粒细化的影响,分析了切削法制备超细晶材料的力学性能、耐腐蚀性能和热稳定性等,探讨了超声振动复合切削法制备超细晶材料的可能性。在超声振动加工中,材料受低应力高速、高频撞击的影响,会发生严重的塑性变形,表面大尺寸的晶粒得到细化,同时超声振动还可以在材料表面形成表面微结构,进一步改善材料性能。因而提出将切削法和超声振动相复合,高效制备具有功能微结构的超细晶材料,为微型零件超细晶材料制备提供新的工艺选择以及理论和技术支撑。     

Experimental investigation on the effect of the material microstructure on tool wear when machining hard titanium alloys: Ti–6Al–4V and Ti-555

An experimental investigation was conducted in this work to analyze the effect of the workpiece microstructure on tool wear behavior and stability of the cutting process during marching difficult to cut titanium alloys: Ti–6Al–4V and Ti-555. The analysis of tool–chip interface parameters such as friction, temperature rise, tool wear and workpiece microstructure evolution under different cutting conditions have been investigated. As the cutting speed increases, mean cutting forces and temperature show different progressions depending on the considered microstructure. Results show that wear modes of cutting tools used for machining the Ti-555 alloy exhibit contrast from those obtained for machining the Ti–6Al–4V alloy. Because of the fine-sized microstructure of the near-β titanium Ti-555, abrasion mode was often found to be the dominate wear mode for cemented cutting tools. However, adhesion and diffusion modes followed by coating delamination process were found as the main wear modes when machining the usual Ti–6Al–4V alloy by the same cutting tools. Moreover, a deformed layer was detected using SEM–EDS analysis from the sub-surface of the chip with β-grains orientation along the chip flow direction. The analysis of the microstructure confirms the intense deformation of the machined surface and shows a texture modification.     

飞机铝合金薄壁件的加工质量研究

在薄壁件切削加工过程中的加工变形和良品率低等问题成为了影响零件的加工精度和生产率的主要因素。因此,研究薄壁件加工中变形误差较大和良品率低等问题在理论研究和实际应用中都具有重大意义。对于铝合金薄壁件主要采用实验研究和限元分析相结合的方法,分析数控加工中薄壁件加工质量的主要影响因素,并论述了加工过程中,从加工工艺方案、装夹方案、刀具的选择和走刀路线等方面控制薄壁件的变形、加强加工过程中其刚度的具体改进措施,以提高薄壁件加工效率和质量。     

加工参数对单晶γ-TiAl表面质量和亚表层损伤的影响机理

为研究加工工艺参数对纳米切削单晶γ-TiAl合金表面质量和亚表层损伤的影响机理,以分子动力学（molecular dynamics, MD）为基础理论,采用非刚性金刚石刀具建立三维纳米切削模型,通过研究切屑体积、表面粗糙度、静水压分布、位错密度、位错演化、相变原子数,详细分析不同切削速度和切削深度对表面和亚表面结构的影响。结果发现:随着切削速度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,且存在切削速度为100 m/s的临界值。表面粗糙度先减小后增大,同样存在切削速度为100 m/s的临界值。位错的复杂程度降低,位错密度减小,塑性变形程度增加;随着切削深度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,表面粗糙度、位错密度以及塑性变形程度显著增加。在切削过程中,发现位错主要分布在刀具前方和下方,在刀具前方45°方向存在V形位错和梯杆位错以及位错间的相互反应,且切削完成后残留下空位和原子团簇等稳定缺陷。      

超声加工技术研究进展

超声加工技术依靠瞬时高频振动撞击对工件断续加工,具有极强切削能力的同时,具有较小的宏观切削力,主要用于硬脆材料的精密加工,能提高加工精度和表面质量。首先,阐明了超声加工技术的基本原理及其基本应用范围。其次,综述了超声辅助切削加工技术的研究进展,着重论述了超声辅助铣削净切削时间模型的建立以及模型正确性验证,总结了加工参数对刀具运动轨迹、工件表面质量的影响,阐明了椭圆振动切削能有效抑制切削颤振带来不利影响的原因;探讨了超声辅助磨削技术在加工非金属和金属材料时,对表面质量以及工件表面温度分布的影响;综述了超声辅助钻削技术的切削力和进给速度与普通钻削参数的比较。再者,介绍了超声波加工技术的新发展方向,包括三维椭圆超声振动切削技术、超声ELID复合磨削技术、超声EDM复合加工技术、超声辅助抛光的工作原理及最新研究趋势和能实现的试验效果。最后,总结了目前对超声加工技术及超声辅助或复合技术的研究。     

基于位错密度理论的喷丸强化诱导7050铝合金组织细化数值模拟

7050铝合金喷丸过程中微观组织演变机理及纳米化结构与工艺参数的关系还没有得到广泛研究。基于位错密度理论对喷丸强化诱导7050铝合金表层晶粒细化进行研究。利用有限元方法模拟7050铝合金受单个和多个喷丸冲击过程,建立将喷丸强化的有限元模型与累积塑性应变引起的位错密度演化模型相结合的混合数值模型,并利用遗传算法得到混合模型的数值参数,用以预测喷丸强化层的位错密度和晶粒尺寸梯度分布,为研究喷丸强化7050铝合金的组织结构强化机理提供依据。建立喷丸尺寸、速度和覆盖率等工艺参数与强化层内晶粒细化结构的物理联系和数量关系。结果表明,从单个喷丸冲击到大量随机喷丸冲击过程都会在强化层内产生显著的晶粒细化;强化层内位错密度增加、晶粒细化的程度以及强化影响深度随着喷丸覆盖率、速度、尺寸的增加而增加;较高的喷丸覆盖率和强度可生成纳米级晶粒结构表面层。综合运用JC本构有限元模拟、四阶五级RKF算法解方程、遗传算法优化调参、概率约束方法控制随机喷丸以及VUMAT子程序定义本构关系,实现7050铝合金喷丸强化微宏观联系的定量研究,可为设计7050铝合金喷丸工艺参数获得所需纳米结构提供理论依据。     

Thermally enhanced machining of hard-to-machine materials—A review

Thermally enhanced machining uses external heat sources to heat and soften the workpiece locally in front of the cutting tool. The temperature rise at the shear zone reduces the yield strength and work hardening of the workpiece, which make the plastic deformation of hard-to-machine materials easier during machining.This review summarizes the up-to-date progress and benefits of thermally enhanced machining (with a focus on laser and plasma assistance) of ceramics, metals and metal matrix composites. It covers the integration of the external heat source with cutting tools, analysis of temperature distribution around the cutting region, material removal mechanisms, tool wear mechanisms and the improvement in machinability of various engineering materials by the assistance of external heat source.     

Ti2448合金高温变形行为及组织演变机制的转变

研究了多功能亚稳β型Ti2448（Ti 24Nb-4zr-8Sn,质量分数,%）合金在β单相区的高温变形行为.结果表明.在低应变速率(≤0.1 s^-1和高应变速率(≥1 s^-1)条件下,真应力和应变速率的双对数关系可以通过2个线性关系分别表征,平均应变速率敏感值（mavg）分别为0.265和0.032,这不同于常规β钛合金随着应变速率的增大而逐渐降低的应变硬化规律,即Sigmoidal曲线特征.微观组织演化和动力学分析显示,这种特殊的双线性关系与高应变速率导致的局域化非均匀塑性变形行为和动态再结晶（DRX）相关联.尽管动态回复（DRV）是该合金高温塑性变形的主要组织演变机制,高应变速率使得组织演变从DRV向DRX转变,并在交错的变形带内形成小于3μm的细晶组织.因此,高应变速率条件下的DRX是实现Ti2448合金高温变形过程中细化组织的主要机制.     

涡轮叶片切削参数研究与仿真

为解决涡轮叶片可选加工参数较多、加工质量与效率难以保证的难题,提出一种涡轮叶片的五轴加工工艺。利用解析分析的方法建立切削力理论模型,对比验证切削力经验公式的模型精度。结合工件受力变形有限元模型,选取优化后的切削参数,并利用可视化软件实现对叶片无偏摆点铣与侧铣程序的编制与仿真。可视化仿真结果表明：该加工工艺及参数下,可获得加工精度较高的叶片表面;点铣法加工精度较高,通用性强,与侧铣法相比效率较低。铣削试验结果表明：仿真表面结果与试验表面在变化规律上吻合良好,证明了所提工艺与参数的有效性,提升了涡轮叶片的制造精度与效率。