胫骨生物陶瓷复合材料的微结构增韧机理

扫描电镜观察显示胫骨是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的自然生物陶瓷复合材料.羟基磷灰石具有层状的微结构并且平行于骨的表面排列.观察也显示这些羟基磷灰石层又是由许多羟基磷灰石片所组成,这些羟基磷灰石片具有长而薄的形状,也以平行的方式整齐排列.基于在胫骨中观察到的羟基磷灰石片的微结构特征,通过微结构模型分析及实验,研究了羟基磷灰石片平行排列微结构的最大拔出能.结果表明,羟基磷灰石片长而薄的形状以及平行排列方式增加了其最大拔出能,进而提高了骨的断裂韧性.     

胫骨羟基磷灰石片交叉微结构研究

利用扫描电镜对胫骨的微结构进行了观察,结果显示胫骨是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的生物陶瓷复合材料.羟基磷灰石平行于骨的表面以层状形式排列,胶原蛋白分布在羟基磷灰石层中起粘合的作用,这使得骨在断裂时裂纹在羟基磷灰石层间折拐分叉,使骨具有高的断裂韧性.观察也显示,羟基磷灰石层由长而薄、与所在层垂直的羟基磷灰石片所组成.进一步地观察发现,不同羟基磷灰石层中的羟基磷灰石片具有不同的方向,构成一种羟基磷灰石片交叉排列的微结构.通过模型分析,比较研究了羟基磷灰石片交叉排列微结构与平行排列微结构的最大拔出力,结果表明,交叉排列微结构的最大拔出力大于平行排列微结构的最大拔出力.研究结果对仿骨陶瓷复合材料设计具有指导意义.     

龙虾壳矿化几丁质纤维片交叉微结构

扫描电镜观察显示龙虾壳是一种由矿化几丁质纤维层与胶原蛋白质构成的自然生物陶瓷复合材料。其中的矿化几丁质纤维层平行于龙虾壳的表面层状排列,而矿化胶原蛋白质作为基体分布其间起粘接的作用。进一步仔细观察矿化几丁质纤维层,发现它们又是由非常薄且垂直于纤维层的矿化几丁质纤维片所组成。观察也发现不同纤维层中的矿化几丁质纤维片具有不同的方向,它们构成一种纤维片交叉微结构。通过模型分析研究了与龙虾壳断裂韧性密切相关的纤维片交叉微结构的最大拔出力,并将其与纤维片平行微结构的最大拔出力进行比较,结果表明矿化几丁质纤维片交叉微结构的最大拔出力明显大于纤维片平行微结构的最大拔出力,实验验证了模型分析的结果。研究结果为高性能陶瓷复合材料设计提供有益指导。     

蛤蜊贝壳交叉铺层微结构研究

使用扫描电镜（SEM）观察蛤蜊贝壳的微结构，结果显示蛤蜊贝壳是一种由无机文石和有机胶原蛋白组成的层状生物陶瓷复合材料。观察结果也显示文石层是由长而薄的文石片所组成，并且不同层的文石片具有不同的方向，构成不同的交叉铺层微结构。在这种交叉铺层微结构中，任意文石层中的文石片都和它邻近文石层中的文石片保持一个夹角，这个夹角在贝壳的不同位置可能是不同的。根据在贝壳中观察到的交叉铺层微结构，进行了具有不同夹角的纤维最大拔出力的实验研究，结果表明具有一定夹角的纤维最大拔出力大于平行纤维的最大拔出力。纤维间的夹角越大，最大拔出力也越大。     

文哈贝壳多级微结构特征及螺旋交叉微结构的韧性机制

使用扫描电镜(SEM)观察了文蛤贝壳的微结构.结果显示:文哈贝壳是一种由无机霰石和有机胶原质组成的多级生物陶瓷复合材料.贝壳由平行的霰石层组成,每一霰石层由长而薄的霰石片所组成,每一霰石片又是由直径在纳米尺度的霰石纤维组成;在不同霰石层中的霰石纤维具有不同的方向,它们构成一种螺旋交叉微结构.对螺旋交叉微结构和平行微结构进行了与材料断裂韧性有关的最大拔出力的比较分析,结果表明:螺旋交叉微结构的最大拔出力明显大于平行微结构的最大拔出力,螺旋交叉角越大,拔出力的差值也越大.     

蛤蜊贝壳交叉铺层微结构研究

使用扫描电镜(SEM)观察蛤蜊贝壳的微结构,结果显示蛤蜊贝壳是一种由无机文石和有机胶原蛋白组成的层状生物陶瓷复合材料.观察结果也显示文石层是由长而薄的文石片所组成,并且不同层的文石片具有不同的方向,构成不同的交叉铺层微结构.在这种交叉铺层微结构中,任意文石层中的文石片都和它邻近文石层中的文石片保持一个夹角,这个夹角在贝壳的不同位置可能是不同的.根据在贝壳中观察到的交叉铺层微结构,进行了具有不同夹角的纤维最大拔出力的实验研究,结果表明具有一定夹角的纤维最大拔出力大于平行纤维的最大拔出力.纤维间的夹角越大,最大拔出力也越大.     

丽文哈贝壳螺旋微结构研究

对丽文哈贝壳的微结构进行了扫描电镜(SEM)观察,观察显示它是由无机霰石层和有机胶原蛋白组成的一种生物陶瓷复合材料,其中无机霰石层平行于贝壳表面整齐排列.观察也显示这些霰石层是由长而薄的霰石片所组成,不同霰石层中的霰石片具有不同的方向,构成螺旋等铺层形式.更仔细的观察显示每一霰石片又是由长而细的霰石纤维所组成,最细的霰石纤维具有纳米的尺度.根据在贝壳中观察到的螺旋结构,进行了螺旋结构和平行结构最大拔出力的比较实验研究,结果显示螺旋结构的最大拔出力大于平行结构的最大拔出力,它使贝壳具有高的强韧性.研究结果对高性能仿生陶瓷复合材料设计提供了有益指导.     

龙虾外骨骼矿化几丁质纤维片旋转结构研究

扫描电镜观察显示龙虾外骨骼是一种由矿化几丁质纤维层与胶原蛋白质构成的自然生物陶瓷复合材料。其中的矿化几丁质纤维首先构成纤维片,进而矿化几丁质纤维片组成平行于龙虾外骨骼表面的层状结构。观察也发现相邻纤维层中的矿化几丁质纤维片保持一个固定的夹角旋转,构成一种几丁质纤维片旋转结构。建立纤维片旋转结构模型,分析了与龙虾外骨骼断裂韧性密切相关的纤维片旋转结构的拔出力,并将其与纤维片非旋转结构的拔出力进行比较,结果表明纤维片旋转结构的拔出力明显大于纤维片非旋转结构的拔出力,实验验证了模型分析的结果。研究结果为高性能陶瓷复合材料设计提供有益指导。     

相组成对含CO3^2-的双相钙磷陶瓷表面类骨磷灰石形成的影响

钙磷陶瓷表面形成的类骨磷灰石层对材料诱导新骨生成起非常重要的作用。利用体外模拟装置首次研究了新工艺制备的含CO3^2-的双相HA／β-TCP多孔陶瓷相组成对表面类骨磷灰石形成的影响。结果表明，具有不同相组成的该种陶瓷因CO3^2-的存在，导致类骨磷灰石晶体的形成时间有不同程度的提前。并且相组成在β-TCP含量较低时(HA／β-TCP之比为9／1)，该陶瓷也能在较短的作用时间内形成类骨磷灰石晶体。此外还有缺钙羟基磷灰石晶体的形成。类骨磷灰石晶体的形成情况随β-TCP含量的增加而越来越好。且相组成以HA／β-TCP比值为6／4时类骨磷灰石的形成情况最好。相组成的优化有利于该陶瓷材料骨诱导性的提高，进而有利于骨缺损的快速修复。     

碳／碳复合材料表面声电沉积磷灰石动力学研究

采用声电沉积技术，在碳／碳复合材料表面制备了生物活性磷酸钙涂层。扫描电镜、X射线衍射、红外反射以及X射线能谱分析表明所制涂层呈现网状结构，其由钙磷比为1．64、含碳酸根的羟基磷灰石组成。根据扫描电镜观察，描述了磷灰石的形成过程。羟基磷灰石的沉积过程可简化为两步——钙磷离子向碳／碳阴极表面运动和羟基磷灰石在碳／碳表面生长。基于此描述，导出了羟基磷灰石沉积动力学公式，并且发现，沉积过程受扩散控制，扩散活化能是30．3kJ／mol．     

铝合金脉冲YAG激光焊脉冲调制参数对焊缝形状参数的影响

以2mm厚LF3铝合金薄板为对象,研究了在平均功率和焊接速度不变时脉冲YAG激光焊脉冲调制参数(脉宽、频率及单脉冲能量)对热导焊缝形状参数(熔深、熔宽及深宽比)的影响规律,并结合脉冲激光焊间断作用的特征,引入"有效峰值功率密度"综合考虑焊接速度、频率、脉宽以及光斑大小对焊缝形状参数的影响.此外,还对脉冲激光焊所形成的特殊的层状焊缝形貌进行研究和分析.结果表明,焊缝形状参数受脉宽及峰值功率密度双重作用的影响.脉冲焊得到的焊缝呈现多层状形貌,层数随频率升高而增多.     

Optimized Tension for AZ31B Thin Sheets Rolled with On-Line Heating Rolling

On-line heating rolling mill which could efficiently preheat sheet and apply tensile force on both ends of the sheet along rolling direction(RD) was used to investigate the effect of tension on mechanical behavior and shape quality of magnesium sheets. For revealing the infl uence mechanism, many analysis techniques including optical microscope, electron backscattered diffraction, macrotexture and transmission electron microscope were performed. The shape defect, edge wave, could be eliminated under higher tension along RD, which was attributed to more uniform distribution of microstructure and microstrain. Nevertheless, it is undesirable that the forward tensile force exceeds 3 kN in present work because the strength decreased for high recrystallization level when the tensile force is beyond this value. Furthermore, the main deformation mode was still slip during rolling process despite of accompanying twining, e.g., double twins, but more prismatic slip activated when tensile force exceeds 3 kN. The distribution of shear bands was affected by the applied tensile force that they appear as "V" shape along RD at a low forward or backward tensile force, while they appear as reticulate shape under applied tensile force of 5 kN.     

Braze‐welding of electrical conductors to concentric plugs

In resistance spot welding of thin sheet–thick sheet–thick sheet joint, when the sheet thickness ratio is large (sheet thickness ratio = total thickness of sheet joint/thickness of the thin sheet positioned on the outside of the joint), how to stably secure the nugget between the thin sheet and the adjoining thick sheet is a key issue. If the sheet thickness ratio is so large, nugget formation between the thin sheet and thick sheet is extremely difficult. In order to control of the nugget (position of formation, shape, etc. of the nugget) during welding for three sheets joint with a high sheet thickness ratio, optimum welding process was investigated. The developed ‘two-step force, two-step current’ welding process was suitable for high sheet thickness ratio joint and relaxed the constraints on the sheet thickness ratio. In Step 1 (first part of welding period) of the welding process, a nugget is reliably formed between the thin sheet and thick sheet by applying conditions of low electrode force, short welding time, and high current. In the subsequent Step 2 (second part of welding period), a nugget is formed between the two thick sheets by applying high welding force and a long welding time. In the weld results of a three sheet joint (0.7+2.3+2.3 mm; sheet thickness ratio: 7.6) using mild steel GA (0.7 mm) as the thin sheet and 780 MPa high strength GA (2.3 mm) in the two thick sheets, ‘two-step force, two-step current’ spot welding process showed the wide available welding current range.     

热轧变形对AZ40Mg合金晶粒细化与力学性能的影响(英文)

以热挤压材为坯料,经多道次热轧制备AZ40Mg合金板材。研究热轧变形对合金组织、力学性能与断裂行为的影响。结果表明:随着热轧道次的增加,通过动态再结晶,材料的组织均匀性得到逐步改善,晶粒尺寸持续细化。相应地,热轧板材的力学性能与挤压态坯料相比得到显著改善。经过5道次以上热轧制备的AZ40Mg合金板材,其平均晶粒尺寸细化到10μm以下,轧向及横向的室温拉伸屈服强度与伸长率均可分别达到175MPa和20%以上。     

Zr-Sn-Nb新型锆合金板材加工过程中不均匀组织与织构演变

利用XRD,SEM-ECC,TEM和EBSD技术,研究了Zr-Sn-Nb系新型锆合金板材加工过程的微观组织及织构演变.结果表明,β相淬火得到的随机织构经热轧后形成沿横向倾斜的基面织构,随后的加工过程均保留该织构;热轧及两次冷轧后的基面织构都为〈1010〉方向平行于轧向(〈1010〉//RD),而退火后转变为〈1210〉方向平行于轧向(〈1210〉//RD).淬火形成的网状魏氏组织经热轧转变为不均匀形变组织,两次冷轧使组织的不均匀性更显著,最终退火得到完全再结晶组织;轧制形成的难变形晶粒多为晶粒C轴平行于轧板法向(C//ND)的取向;最终退火板材的大晶粒多为〈1210〉//RD的基面织构,小晶粒则以〈1010〉//RD为主.结合锆合金的变形及再结晶机制对轧制时产生的不均匀组织及再结晶过程的织构转变进行了分析.     

Zr-sn-Nb新型锆合金板材加工过程中不均匀组织与织构演变

利用XRD,SEM-ECC,TEM和EBSD技术,研究了Zr-Sn-Nb系新型锆合金板材加工过程的微观组织及织构演变.结果表明,β相淬火得到的随机织构经热轧后形成沿横向倾斜的基面织构,随后的加工过程均保留该织构;热轧及两次冷轧后的基面织构都为(1010)方向平行于轧向((1010)∥RD),而退火后转变为(1210)方向平行于轧向((1210)∥RD).淬火形成的网状魏氏组织经热轧转变为不均匀形变组织,两次冷轧使组织的不均匀性更显著,最终退火得到完全再结晶组织;轧制形成的难变形晶粒多为晶粒C轴平行于轧板法向(C∥ND)的取向;最终退火板材的大晶粒多为(1210)∥RD的基面织构,小晶粒则以(1010)∥RD为主.结合锆合金的变形及再结晶机制对轧制时产生的不均匀组织及再结晶过程的织构转变进行了分析.     

A Theoretical study of the ironing process in sheet metal forming

Ironing is a very useful process when employed in combination with deep drawing to produce a uniform wall thickness and to increase the wall height. The analysis of the ironing process is conducted based on the general two-dimensional axisymmetrical shell theory incorporated with the Tresca maximum shear stress yield criterion for isotropic thin and thick sheets and the Hosford nonquadratic anisotropic yield criterion for anisotropic thin sheets. A complete plastic solution is obtained and the plastic stress field is found in closed form. A governing equation for a limit ironing ratio (LIR) is found and the total ironing force is also given in the closed form. The predicted maximum ironing reduction under some optimal conditions can reach up to 60%–70%, which is in good agreement with experimental observations. The results of the limit ironing ratio, stress field, and the total ironing force are given and compared with some results based on the finite element technique. The normal and tangential forces are compared with experimental results and it is shown that this prediction gives reasonable results. This study was done when the authors were with the Mechanical Engineering and Engineering Mechanics Department, Michigan Technological University, Houghton, MI 49931, USA.