激光离散预处理基体镀铬身管延寿的力学机理研究

通过对激光螺旋线状离散预处理基体镀铬身管的靶场实验样品解剖分析和该类涂层／基体结构界面裂纹扩展特点的理论研究,得出激光离散预处理基体镀铬身管延寿的主要力学机理是通过3个方面延缓了铬层的剥落：将均匀基体上随机性的表面主裂纹形貌改变成与激光离散处理、阴阳线结构相对应的菱形主裂纹形貌;增加了由主裂纹围成的铬层“孤岛”尺寸;增加了主裂纹间的界面裂纹扩展距离和减小了界面裂纹驱动力。     

机械合金化制备表面涂层的力学响应机制数值模拟

以机械合金化法制备金属表面功能涂层这一新型工艺为主要实验背景,通过有限元数值模拟研究在球磨制备涂层的过程中,涂层与基体的界面形貌形成及演变过程,讨论不同工艺参数对界面形貌的影响,进而分析球磨的工艺参数对涂层的制备效果、涂层与基体结合性能的影响。研究不同的球磨参数下,基体材料的残余应力分布和等效塑性应变分布,分析其对基体材料力学性能的影响,并且对该力学响应过程中的热效应进行了数值分析。     

选区激光熔化复合成形钢铜异质结构界面微观组织与力学性能

机加工与选区激光熔化(SLM)复合成形可实现零件高效率、低成本、异种材料成形。研究在高强度机加工钢基板上SLM成形高热导率铜合金，将SLM技术与传统机加工技术相结合，复合成形复杂双金属结构。利用SLM技术在机加工316L基体材料上成形CuSn10合金，阐明了复合工艺下成形的钢铜异质结构其界面处的微观组织与力学性能。采用金相显微镜、扫描电镜以及能谱检测对界面处的微观组织及元素分布进行观察分析；通过拉伸试验以及显微硬度的测量对复合成形钢铜异质结构的力学性能进行分析。分析结果表明：钢和铜相互扩散渗透，在界面处熔合区形成钢和铜相互包围的冶金结合区域，在靠近316L基体侧结合区发现显微裂纹，并且向316L基体延伸；结合区域抗拉强度达到361.65±5.45 MPa,延伸率为3.9%±0.1%,界面处显微硬度由316L基体区域的244.9 HV逐渐降低到CuSn10区域的155.1 HV。实验结果表明，机加工与SLM技术相结合复合成形钢铜异质结构具有良好的界面结合以及力学性能。     

AZ80镁合金表面冷喷涂316L和420不锈钢涂层研究

在AZ80镁合金表面采用冷喷涂技术分别制备316L和420不锈钢耐磨涂层,对粉末粒子的沉积行为以及不锈钢涂层的结合界面、相结构、硬度、断裂韧性、摩擦性能等进行对比分析。结果表明:在结合界面,316L与420的粒子可以内嵌到镁合金基体,形成机械咬合的结构;420涂层的硬度高于316L涂层,其断裂韧性低于316L涂层;不锈钢涂层的磨损率较AZ80镁合金下降1个数量级,420涂层比316L涂层表现出更好的耐磨性。     

纯钛基材上环氧基涂层界面结合强度的研究

为了提高钛基体与Fe2O3(吸波剂)/环氧涂层的结合强度(即涂层的附着力),在经过恒压阳极氧化处理的钛基体上浸涂Fe2O3/环氧树脂涂料。研究了试验参数对涂层界面结合强度的影响以及阳极氧化状态参数对钛基体表面形貌的影响;并对阳极氧化多孔膜进行扫描电子显微镜(SEM)分析,对不同处理状态基体上的涂层进行界面结合强度测试。结果表明:经过有效阳极氧化处理的钛基体,表面呈现不同程度的多孔形貌;在阳极氧化多孔膜表面涂敷环氧涂料,涂层与基体的结合强度比涂层与未经阳极氧化处理的基板的结合强度有所提高;随电压的升高,涂层的结合强度先增大后减小,随时间的变化无明显变化。     

碳涂层对SiC纤维增强钛基复合材料界面显微结构及性能的影响

研究涂碳的SiC(C)/Ti-6Al-4V和无涂碳的SiC/Ti-6Al-4V材料的界面结构以及结合强度。结果表明:碳涂层阻止了径向纤维间的相互作用,该涂层界面反应物只是TiC,这些产物包含邻近碳涂层生成的细小晶粒和邻近金属基体生成的粗大晶粒;在无涂碳界面上,相邻纤维一侧产生的是TiC薄层,毗邻金属基体产生的是TiC和Ti5Si3晶粒组成的厚混合物,晶粒的大小从纤维到基体逐渐增大。涂炭和无涂碳复合材料的界面结合强度分别是(118.2±4.24),(230±6.28)MPa,证明碳涂层在纤维和基体之间提供了一个弱结合界面。涂碳纤维复合材料的界面结合发生在涂碳层和反应层之间,而无涂碳发生在纤维和反应层之间。     

单芯Nb-Ti/TiAl复合材料的界面研究

研究单芯Ｎｂ－Ｔｉ／ＴｉＡｌ及Ｎｂ－Ｔｉ／Ｔｉ－４８Ａｌ－２Ｃｒ－２Ｎｂ两种模拟材料试样的界面特性。结果表明，在同一条件下热等静压成型的两种复合模拟试样，其界面均由厚度、显微硬度不同的反应层构成。Ｎｂ－Ｔｉ／Ｔｉ－４８Ａｌ－２Ｃｒ－２Ｎｂ试样的界面结合完整，界面层较厚，界面结合强度为１２３．７ＭＰａ；Ｎｂ－Ｔｉ／ＴｉＡｌ的界面层较薄，近基体侧界面有径向裂纹，界面结合强度为９４．８ＭＰａ，均高于未涂覆Ｔｉ的模拟试样的界面结合强度。压脱试验后，前者仅沿近纤维侧界面开裂，后者的界面层沿纤维和基体均发生开裂，径向微裂纹甚至扩展到基体中。     

铝钢复合板结合性能研究

通过铝钢复合板试制和力学性能对比,实验研究了铝／钢复合板的结合性能。实验结果表明,镍作为铝／钢复合板过渡层时,剪切强度能达到195MPa,拉脱强度能达到236MPa,远远大于钛或铝作为过渡层时复合板的结合强度;同时表明镍作为铝／钢过渡层有效地改善了铝钢复合板的结合品质,进一步拓宽了铝钢复合板的使用范围。     

可贮双元推进剂火箭发动机用先进燃烧室材料

卫星和航天器的推进系统装上了使用高性能四氧化二氮和一甲基肼双元推进剂的火箭发动机已取得成功,其原因之一是其燃烧室和出口喷管使用了高熔点的材料体系。阿波罗服务舱和登月舱上使用的推力为445N的姿态控制火箭发动机就是以钼用作燃烧室材料。不久这一材料体系又被铌合金材料体系所取代,后者目前主要用在小型液体火箭发动机上。带R-512氧化涂层的材料约1600℃的工作极限,足以满足近乎2900NSec/kg的试验性能水平,但涂层与基体金属之间在结构和力学性能上的差异,限制了燃烧室在该温度下经受热循环时的工作时间。已经对象碳化硅基体系统、氧化铼和氧化锆等新材料系统作了评定,并通过实验说明其承受温度能力逐步增加,而对保持在空间站和在轨道期间姿态控制火箭发动机工作的热循环特性并不敏感。欧洲推进协会(Societe Europeenne de Propulsion)用碳化硅材料系统进行了试验,玛夸特(Marguardt)公司用层压的铼和锆的氧化物基体材料系统进行了试验,这些试验都证明了在较高的发动机性能水平条件下增加了使用寿命,燃烧室温度为2100℃时所提供的比冲性能水平为3000NSec/kg。     

钢中绝热剪切带的动态损伤演化

采用大能量高速材料试验机冲击帽形试样的实验方法,研究了高速冲击条件下钢中绝热剪切带的损伤演化机制。试验结果表明,绝热剪切带的形成并不意味着剪切断裂的发生和宏观裂纹的形成。导致剪切带损伤的微观方式主要包括:基体接触区界面上的微裂纹、带内平直微裂纹、剪切带内与带成一定角度的微裂纹和孔洞。在这些微损伤方式的形核、长大过程中,绝热剪切带逐步损伤,宏观裂纹逐步形成。     

J积分法研究温度对Al-PTFE反应材料断裂韧性的影响

为探究聚四氟乙烯(PTFE)的温度引发相变特性对铝?聚四氟乙烯(Al?PTFE)反应材料断裂韧性的影响,通过开展准静态拉伸实验和断裂韧性实验,使用ASTM E1820单试样法中的归一化数据简化技术,对Al?PTFE的弹塑性断裂韧性进行J积分分析,结合试样断面微观形貌分析,明确了温度对Al?PTFE断裂韧性的影响。结果表明:随着温度的升高,Al?PTFE反应材料强度降低,断裂韧性增大,屈服强度和断裂韧性在跨越相变温度后呈现明显的突跃变化,裂纹扩展模式由脆性断裂转变为延性断裂。当PTFE处于结晶相Ⅱ状态时,能够拉伸形成的PTFE纤丝较少,而当温度升高,PTFE晶相向Ⅳ和Ⅰ状态转变时,稳定成形的PTFE纤丝能够通过局部塑性变形有效耗散外部能量,并依托缠绕桥接使裂纹尖端发生钝化,阻止裂纹扩展,从而提高材料断裂韧性。     

瞬态热载荷下身管热防护涂层表面开裂行为

火炮身管在服役中受剧烈瞬态热载荷作用,对身管热防护涂层表面裂纹的形核与扩展有重要影响。为探究不同热力学参数和几何参数对镀铬层-钢基底系统表面裂纹在瞬态热载荷下扩展的影响,进行含周期性表面裂纹镀铬层-钢基底系统在瞬态热载荷作用下的裂纹扩展行为研究。结果表明:随对流强度增大,涂层内瞬态热应力增大,表面裂纹扩展驱动力提高;随裂纹长度增加,裂尖能量释放率峰值先增后减;裂纹间距越大,裂尖能量释放率越大。表面裂纹能量释放率越大裂纹越易扩展,引起防护层开裂并过早剥落,降低身管寿命。     

端羟基聚丁二烯推进剂/衬层脱粘的断裂机理与断裂能获取研究

推进剂/衬层界面脱粘是破坏固体火箭发动机装药结构完整性的主要形式之一。采用双悬臂夹层梁实验对端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂/衬层粘接界面的I型断裂进行研究,实验观察到裂纹尖端存在包含孔洞和纤维的银纹损伤区,裂纹萌发和扩展本质上是局部银纹萌生、面增厚和微纤断裂。界面脱粘的失效机理则是尖端近处孔洞的形成和合并,典型的界面失效模式包含胶黏剂的内聚破坏、界面破坏和混合破坏。裂纹稳定传播时,裂尖的损伤区形状与外界对其施加的约束有关。采用有效裂纹长度的概念可以修正裂尖塑性变形和钝化的影响,较为准确地获取了I型断裂能。     

低合金钢靶板受尖头弹冲击的变形与断裂

研究了低合金钢板在尖头弹冲击条件下的侵彻过程,讨论了应力条件和材料冶金质量对损伤和断裂的影响。结果表明,在侵彻过程前期靶材主要表现为三向压应力下的塑性流动;中期,靶材挤压流动,靶材内部的流速差造成剪切变形,并导致沿轧制偏析带的开裂;后期,靶材在剧烈剪切作用下剪切变形、局部失稳、形成剪切带和沿剪切带的开裂或撕裂。断裂按微孔聚集型机制进行。通常所谓花瓣型开裂实质上就是上述在切应力作用下的剪切撕裂。     

弹丸侵彻多层异质复合靶板中装甲钢变形细观和微观机理研究

为研究多层异质复合靶板中装甲钢排布位置,对其塑性变形微观机理及受力状态的影响规律,开展了不同结构方式复合靶板抗侵彻试验。基于金属材料学理论,对复合靶板中装甲钢弹孔塑性变形微观机理进行研究,分析了装甲钢弹坑表面硬度分布及组织演变规律,利用数值模拟研究弹丸侵彻装甲钢过程力学行为与变形机理的内在联系。研究结果表明：波阻抗匹配由高至低,弹丸冲击应力波在层间界面反射形成拉伸波,产生裂纹扩展,降低弹丸侵彻阻力;绝热剪切带内部受温度以及挤压载荷影响,产生高硬度细化马氏体晶粒,抑制塑性变形向内延伸;装甲钢背板强度及刚度越高,对装甲钢塑性变形产生位错运动的阻碍作用越强,有利于提高弹丸开坑阻力。     

Mo-CCN-ZrO2复合材料显微组织及性能研究

以难熔金属钼为基体,添加相应比例的3Y-ZrO₂(Y₂O₃稳定ZrO₂)粉体和球形CrCoNi(CCN)中熵合金粉体、C粉,通过固固混合、粉末冶金法制备典型的耐烧蚀钼基复合材料Mo-0.65%CCN-2.0%ZrO₂。系统研究Mo-0.65%CCN-2.0%ZrO₂钼基复合材料显微组织、不同加工变形条件下力学性能及抗氧化能力。结果表明:随变形量增大,晶粒得到细化,第二相粒子分布均匀,材料抗拉强度、伸长率、抗弯强度、断裂韧性等力学性能显著提高;在变形量达65%时,抗拉强度达812 MPa,屈服强度为696 MPa,伸长率为26.2%,抗弯强度为1707 MPa,断裂韧性为32.3 MPa·m1/2;材料断裂类型表现为典型韧性断裂特征,材料的抗氧化能力显著改善。     

双材料界面断裂韧性的测定方法

本文基于界面断裂力学理论,以界面的断裂能和混合度为基本细观参数,揭示了界面断裂韧性随断裂混合度的变化规律,综述了双材料界面纯Ⅰ型断裂韧性的测定方法,为评价实际材料界面抗裂性能提供了必要的研究方法和实验手段.     

激光修复PCrNi3MoVE钢组织与力学性能研究

针对PCrNi3MoVE钢制炮用受损零部件的高性能修复需求,研究用30CrNi2MoVA钢粉末激光修复PCrNi3MoVE钢的组织演化与力学性能。结果表明:激光修复PCrNi3MoVE钢沉积态的显微组织从基材区到修复区,顶部存在显著变化,组织明显不均匀。修复试样的抗拉强度达(1 085±9)MPa,冲击韧性为(56±10)J/cm³,均高于PCrNi3MoVE钢基材锻件标准,伸长率为7.5%±1.5%,略低于锻件。修复试样的断裂方式为韧性断裂,冲击断裂方式为准解理断裂。     

钢基堆焊复合板的硬度分布及冲击韧性研究

采用熔化极气体保护焊堆焊Q345钢基复合板,利用光学显微镜、维氏硬度计、冲击试验机和扫描电镜对试样进行显微组织、维氏硬度、冲击韧性以及断口等试验观察及分析。结果表明:堆焊复合板外观质量良好,无明显焊接缺陷,从基板至堆焊高强层的组织由块状铁素体和条带状珠光体变化为颗粒状铁素体和珠光体,到表层呈块状铁素体和团絮状石墨;焊后硬度存在跃升台阶,分布较均匀,冲击韧性高达64 J/cm^2,正火与淬火处理试样的冲击断口为韧性断裂和准解理断裂。制备的Q345钢基复合板硬度高,冲击韧性良好,具有一定的科学研究价值和应用前景。     

Cr－Mo－V系炮钢的冷脆性

以３７ＣｒＮｉ３ＭｏＶ钢作对比，对Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ系炮钢的冷脆性做了系统的试验研究。结果表明，与传统的能量法和ＦＡＴＴ法相比，采用示波冲击法以裂纹扩展功随温度下降而降低到临界（最低）值所对应的温度作为钢的韧脆转变温度，能确切反映出钢已失去抗裂纹扩展能力从而由韧性转变为脆性状态的温度，这是研究冷脆性的较为合理而可靠的方法。用此法衡量，Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ系炮钢的韧脆转变温度较３７ＣｒＮｉ３ＭｏＶ钢为高，冷脆倾向较大。此问题应加以研究解决。