ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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1. 高压直流干扰下X80钢在广东土壤中的干扰参数变化规律及腐蚀行为研究
秦润之, 杜艳霞, 路民旭, 欧莉, 孙海明
金属学报    2018, 54 (6): 886-894.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00311
摘要   HTML PDF (1907KB)  

通过室内模拟实验考察了大幅高压直流干扰电压下,X80钢在广东土壤中的干扰电流密度变化规律及腐蚀行为。结果表明,在50~300 V直流干扰电压下,电流密度随时间的变化呈现典型的3阶段特征:首先,在几秒内急剧上升到较高水平的峰值;然后,在几百秒内下降到较低水平的稳定值;最后,较长时间内维持在稳定值水平。结合干扰过程中试样附近土壤温度、含水率及电阻的测试分析表明,电流密度变化主要是由大幅干扰电压造成短时间内试片周围土壤温度升高,含水率降低,局部电阻率大幅增加所致。同时实验获得直流干扰电压分别为50、100、200及300 V时,1 h干扰实验中X80钢腐蚀速率分别为5.56、7.85、10.63及7.78 μm/h;腐蚀速率随直流干扰电压的升高呈现先增大后减小的趋势,该趋势不同于电流密度峰值随直流干扰电压的变化规律,但与电流密度稳定值的变化规律相似。此外,分析了高压直流干扰下试样腐蚀速率与使用3种形式电流密度计算得到的理论腐蚀速率之间的相关性。结果表明,利用干扰过程中电流密度曲线积分计算得出的理论腐蚀速率误差最小;利用电流密度稳定值计算得到的腐蚀速率误差次之;利用电流密度峰值计算得出的理论腐蚀速率误差最大,可达到实测腐蚀速率的若干倍。据此提出了实际高压直流干扰下参数监测与腐蚀速率的预测方法。

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2. Al薄膜对玻璃纤维增强树脂基复合材料电磁性能的影响
陈育秋, 祖亚培, 宫骏, 孙超, 王晨
金属学报    2017, 53 (11): 1511-1520.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00178
摘要   HTML PDF (2167KB)  

利用高频电磁场计算软件FEKO对Al薄膜与玻璃纤维增强树脂基复合材料的电磁波反射率进行了仿真计算。研究了复合材料介电常数实部εr、电损耗角正切tanδε、磁导率μr及磁损耗角正切tanδμ对反射率的影响,并通过仿真计算与实际测试结果对比,确定了仿真模型中玻璃纤维增强树脂基复合材料的等效电磁参数。研究了Al薄膜与玻璃纤维增强树脂基复合材料结构中Al薄膜厚度对反射率的影响,仿真计算与测试结果表明,Al薄膜厚度对复合材料的反射率影响较大,Al薄膜与玻璃纤维增强树脂基复合材料结构中存在一个最佳电阻值,使该结构谐振反射最小。根据传输线理论,利用MATLAB对谐振最强时对应电阻的大小进行了求解。通过计算不同结构的Al薄膜与玻璃纤维增强树脂基复合材料,得到了仿真模型中Al薄膜与磁控溅射制备Al薄膜的厚度关系。确定了仿真模型中各材料的等效电磁参数,仿真计算结果与测试结果吻合较好。

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3. 镍基变形高温合金动态软化行为与组织演变规律研究
王涛, 万志鹏, 孙宇, 李钊, 张勇, 胡连喜
金属学报    2018, 54 (1): 83-92.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00241
摘要   HTML PDF (945KB)  

采用Gleeble3500D热模拟试验机研究了GH4720Li合金的高温热变形行为,分析了不同热压缩工艺条件下流变力学曲线特征,建立了表征材料流变力学特征的包含应变参量的双曲正弦型Arrhenius本构关系模型以及BP人工神经网络模型,并通过对材料热变形组织的表征,揭示了GH4720Li合金高温变形过程中的动态再结晶形核机制。结果表明,包含应变参量的双曲正弦型Arrhenius本构关系模型预测精度较差,而BP人工神经网络模型能很好地表征GH4720Li合金热变形过程中的流变力学行为,模型预测值与实验值的平均相对误差仅为0.814%。组织分析结果表明,GH4720Li合金在1140 ℃条件下动态再结晶的主要形核机制为非连续动态再结晶,变形晶粒的晶界为再结晶晶粒提供形核位置。

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4. 原子尺度下凝固形核计算模拟研究的进展
王锦程, 郭灿, 张琪, 唐赛, 李俊杰, 王志军
金属学报    2018, 54 (2): 204-216.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00425
摘要   HTML PDF (8443KB)  

形核是一级不连续相变的起点,对后续材料组织的形成及最终产品的性能具有重要影响。形核过程、机制及其控制一直是材料科学和凝聚态物理等领域中最为活跃的研究课题之一。形核过程发生在原子空间尺度及扩散时间尺度,同时还具有随机性,因此充分认识形核过程将面临极大的挑战。受实验条件的限制,目前难以通过实验方法直接观测金属凝固中晶核的形成过程。近年来,随着计算材料科学的兴起,借助于数值模拟方法,凝固形核问题研究取得了很大的进展。本文首先回顾了形核理论的发展历程,然后对当前凝固形核模拟的研究进展进行述评,并介绍本课题组近年来基于晶体相场模型在形核研究方面的工作进展,最后对形核研究进行了展望。

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5. W中H行为的计算模拟研究
周洪波, 李宇浩, 吕广宏
金属学报    2018, 54 (2): 301-313.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00414
摘要   HTML PDF (4254KB)  

采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法和基于Newton力学的分子动力学方法,对H在W中的溶解、扩散、聚集、形核等行为及H对W性能影响进行系统研究,发现了H在W中占位和聚集的“最佳电子密度”规则,揭示了W中H泡形核的空位捕获机制;发现了H聚集诱发的各向异性应变可降低H在W中的溶解能,从而产生H溶解增强效应,藉此提出H泡生长的应变级联机制;提出通过惰性气体/合金化元素掺杂改变W中缺陷处的电子密度,有效阻止H2分子在缺陷处的形成和聚集,从而抑制W中H泡形成的方法。本文对这一系列的工作进行了综述。这些研究成果将为未来聚变堆用W-PFM的设计、制备和应用提供重要参考。

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6. 自由落体条件下Ti-6Al-4V合金微液滴的快速凝固研究
翟斌, 周凯, 吕鹏, 王海鹏
金属学报    2018, 54 (5): 824-830.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00312
摘要   HTML PDF (7656KB)  

在自由落体条件下实现了Ti-6Al-4V合金微液滴的深过冷与快速凝固,研究了合金的相组成、凝固组织和显微硬度。计算出落管中不同直径微液滴的过冷度和冷却速率,揭示了Ti-6Al-4V合金凝固组织随过冷度及冷却速率的变化规律。结果表明,深过冷与快冷速的耦合作用使凝固组织不断细化且形貌发生转变:层片α+β→枝晶α→网篮状α'+β→针状α'→针状α'+不规则β。当液滴直径小于400 μm时,位于原始等轴β晶的晶界及晶内的针状马氏体α'转化为大量连续分布且形状不规则的次生β相,发生α'β固态转变。不同直径范围内的Ti-6Al-4V合金凝固组织的显微硬度与组织形貌有关,“层片组织”、“ 针状α'组织”和“针状α'+不规则β组织”的显微硬度随液滴直径的减小而增大,“网篮组织”的显微硬度随液滴直径的减小而减小。其中,枝晶组织的显微硬度可高达785 kg/mm2,是母合金硬度的2.6倍。

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7. 炼钢与连铸过程数值模拟研究进展
朱苗勇, 娄文涛, 王卫领
金属学报    2018, 54 (2): 131-150.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00430
摘要   HTML PDF (4741KB)  

由于钢的冶炼与连铸过程的复杂性以及现场测试条件的限制,数值模拟已成为解析其过程现象和机理不可或缺的手段,自20世纪80年代以来,这种技术得到了飞速发展。在转炉的冶炼方面,利用氧枪超音速射流特性的模拟研究辅助设计了集束、氦气伴随等新型氧枪,通过对转炉熔池内渣-金-气多相流行为模拟研究有效揭示了混匀效率、炉衬冲刷、金属液滴喷溅等物理现象,同时耦合热力学模拟研究了转炉内脱碳、脱磷化学反应过程;在钢的精炼方面,Euler-Euler模型逐渐替代了准单相和Euler-Lagrange模型,成功描述了底吹Ar气钢包内钢液湍流脉动诱导的气泡扩散行为和气泡上浮诱导钢液湍流等现象,而且钢中夹杂物一些新的传输机理和现象也被提出,并利用CFD-PBM模型有效预测了钢液中夹杂物输运、碰撞聚合及去除行为,丰富了钢包精炼夹杂物去除机理,同时CFD-SRM耦合模型实现了钢包精炼多组分参与渣-金反应和脱硫行为的预测,有效揭示了钢液与顶渣的成分、底吹模式对脱硫效率的影响规律;在钢的连铸方面,坯壳-结晶器Cu板热流模型与坯壳热/力模型的耦合成功预测了结晶器周向和高度方向的保护渣和气隙分布特征,奠定了新型内凸型曲面结晶器设计和微合金钢角部裂纹控制的理论基础,结晶器内流场与电磁场耦合模拟研究阐明了电磁搅拌和电磁制动作用下钢液流动行为、液面波动特征以及夹杂物在连铸坯内分布特征,基于体积平均方法的多场/多相凝固模型成功揭示了连铸坯宏观偏析形成机理,定量预测了不同工艺参数下连铸坯中心偏析指数,此外,连铸坯凝固组织演变模拟在晶粒层面上获得了进展,目前正向枝晶领域扩展。整体上讲,钢的冶炼与连铸过程的数值模拟朝着多物理化学/多场耦合方向发展,且研究尺度逐渐向微观层面过渡。

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8. Ni-Fe-Cr合金固溶处理后的组织变化及其对性能的影响
陈胜虎, 戎利建
金属学报    2018, 54 (3): 385-392.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00210
摘要   HTML PDF (9858KB)  

采用OM和SEM研究了不同C含量Ni-Fe-Cr合金在950~1050 ℃固溶后的组织变化及其对拉伸性能和晶间腐蚀性能的影响。结果表明,C含量的变化影响固溶处理过程中碳化物的回溶行为和晶粒尺寸,从而造成不同C含量合金力学性能和晶间腐蚀性能的差异。C含量为0.010% (质量分数)时,950 ℃固溶处理可使热加工过程中产生的M23C6碳化物完全回溶,并获得平均晶粒尺寸约38 μm的等轴晶组织;C含量增加到0.026%时,固溶温度提高至1000 ℃可使M23C6碳化物完全回溶,获得平均晶粒尺寸约42 μm的等轴晶组织;C含量在0.010%~0.026%范围内,合金具有较低的晶间腐蚀敏感性,随C含量增加合金的强度升高,延伸率基本没有变化;C含量为0.056%时,1050 ℃固溶处理后,局部区域仍存在未回溶的碳化物,碳化物阻碍晶界迁移使晶粒长大缓慢,造成晶粒尺寸不均匀。同时,未回溶碳化物的存在使合金的强度略有提高,但延伸率降低;未回溶碳化物造成碳化物/基体界面处贫Cr区的出现,显著增加了合金的晶间腐蚀敏感性。

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9. 晶体相场模型及其在材料微结构演化中的应用
高英俊, 卢昱江, 孔令一, 邓芊芊, 黄礼琳, 罗志荣
金属学报    2018, 54 (2): 278-292.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00336
摘要   HTML PDF (1593KB)  

随着计算机技术的快速发展,计算机模拟实验在材料科学中的作用越来越突出。计算机数值模拟技术已经和实验观测、理论模型分析并称为20世纪以来的三大科学研究方法。本文首先简要地从空间特征分辨尺度和时间特征尺度比较了几种重要的计算模拟方法——分子动力学(MD)、传统相场方法(TPF)和晶体相场(PFC)方法的各自适应的特征尺度范围和特点。在模拟纳观尺度的材料微结构演化,PFC在特征时间尺度上更具优势。其次,介绍了PFC模型,及其建立的物理基础和数学基础,以及该方法的特色优势。同时,介绍该PFC模型的拓展与推广,包括二元和多元体系、气-液-固三相体系、双模和多模体系的PFC模型,以及求解PFC模型的动力学方程数值计算的关键技术与主要步骤。再次,结合作者在材料微结构演化方面的研究,着重介绍PFC模型的几个重要方面的应用例子,包括材料纳观缺陷结构演化、凝固的枝晶生长和晶体外延生长、高温预熔化变形和动态回复、纳观尺度的裂纹扩展与分叉、无序-有序金属玻璃转变、石墨烯的缺陷结构、金属互联线电迁移空洞、多铁复合材料的畴结构、金属泡沫结构的生成等。最后,总结并指出PFC模型的拓展方向与今后应用的重点方面和新领域。

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10. 钢锭铸造过程宏观偏析数值模拟
沈厚发, 陈康欣, 柳百成
金属学报    2018, 54 (2): 151-160.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00431
摘要   HTML PDF (2995KB)  

本文以宏观偏析数学模型在钢锭铸造过程中的应用为主,阐明了宏观偏析的机理及影响因素,归纳了已有的几类宏观偏析模型,介绍了近年来宏观偏析模型的新发展。还介绍了本课题组进行的大型钢锭宏观偏析数值模拟研究工作,包括开发的多元多相宏观偏析数学模型在36 t钢锭铸造中的应用,以及多包变成分合浇工艺的数值模拟。对36 t钢锭进行全截面解剖,结果表明,模拟结果与实测吻合较好,进而说明所开发的多元多相宏观偏析模型能够较准确地预测钢锭中产生的宏观偏析。此外,模拟结果显示,多包变成分合浇工艺可得到与凝固后实际偏析形式相反的初始溶质分布,这也证明了多包变成分合浇工艺在宏观偏析控制上的应用能力。

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11. 钢包出钢末期漩涡抑制机理探究及防漩设计
王强, 王连钰, 李宏侠, 蒋佳伟, 朱晓伟, 郭占成, 赫冀成
金属学报    2018, 54 (7): 959-968.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00365
摘要   HTML PDF (2302KB)  

为了抑制钢包出钢末期出现的漩涡卷渣现象,进而提高钢液的洁净度和钢材质量,从对漩涡形成影响较大的水口偏心率入手,通过数值模拟和水模型实验,重点分析了不同偏心率条件下漩涡的运动过程和速度场的变化规律。研究发现,通过改变出钢过程中漩涡形成时的速度场分布形式和速度值的大小,可以改变漩涡的运动轨迹和趋势,进而降低漩涡的临界高度,有效抑制漩涡的形成。在此基础上,设计出底部吹气的防漩方法,得到最佳的吹气流量和吹气孔位置。

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12. 镁合金压铸过程界面传热行为及凝固组织结构的表征与模拟研究
熊守美, 杜经莲, 郭志鹏, 杨满红, 吴孟武, 毕成, 曹永友
金属学报    2018, 54 (2): 174-192.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00418
摘要   HTML PDF (16999KB)  

本文系统介绍了镁合金压铸界面换热行为以及凝固微观组织结构的实验表征及计算模拟方面的研究进展,包括:(1) 一种基于换热系数的边界设定模型,由此发现了压铸界面换热系数可以分为初始升高、高值维持、快速下降及低值保持4个阶段;(2) 压室预结晶流动分布预测模型,据此得到了压室预结晶组织的主要分布规律及其对镁合金铸件缺陷带形成的影响;(3) 考虑压室预结晶组织的压铸镁合金形核模型及生长模型;(4) 结合离异共晶形核及生长机制建立的镁合金压铸工艺条件下微观组织演变的数学模型;(5) 镁合金枝晶组织的三维形貌和生长取向的研究,发现镁合金枝晶组织呈现十八个分支的形貌特征,分别沿着基面的<112?0>方向和非基面的<112?3>方向生长,由此建立了镁合金枝晶各向异性的生长模型,实现了镁合金枝晶组织的三维模拟研究。

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13. 基于溶胶-凝胶法的YAlO3/Ti2AlC复合涂层在干燥与热分解过程中的开裂行为研究
范超, 贾清, 崔玉友, 杨锐
金属学报    2018, 54 (7): 991-998.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00325
摘要   HTML PDF (6060KB)  

采用高温金相显微镜(HTOM)等原位观察和分析手段研究了溶胶-凝胶法制备YAlO3/Ti2AlC复合陶瓷涂层过程中干燥与热分解阶段的开裂行为。研究发现,涂层中的开裂现象发生于凝胶体系热分解阶段,是凝胶分子链的断裂导致体系所能承受的最大应力不足以抵抗涂层内逐渐积聚的应力,从而发生了涂层的开裂以及后续升温过程中裂纹的扩展现象。涂层的开裂最初往往发生在较厚的位置,因为在这些位置涂层内的应力集中更为严重。较快速升温可以使涂层表面的应力分布被局限在较小范围内,从而实现减小裂纹尺寸达到改善涂层表面质量的目的,升温速率为5 ℃/min时YAlO3/Ti2AlC复合陶瓷涂层的表面质量最佳。

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14. Fe-1.5(3.0)%Si-0.4%C合金贝氏体不完全转变现象及伴随的渗碳体析出
武慧东, 宫本吾郎, 杨志刚, 张弛, 陈浩, 古原忠
金属学报    2018, 54 (3): 367-376.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00262
摘要   HTML PDF (4225KB)  

从热力学、动力学角度对Fe-1.5(3.0)%Si-0.4%C (质量分数)合金在400~500 ℃等温贝氏体相变过程中的贝氏体不完全转变阶段可以出现渗碳体析出的现象进行了深入分析。结果表明,贝氏体不完全转变阶段渗碳体的析出动力学非常缓慢。热力学分析表明,缓慢的渗碳体析出动力学与其很小的化学驱动力和/或渗碳体析出需要Si原子配分有关。证实了贝氏体不完全转变现象可以伴随有碳化物析出,但碳化物析出动力学在贝氏体不完全转变阶段需要非常缓慢。

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15. 一种Fe-Cr-Ni-Mo高强高韧合金钢焊接接头的组织和力学性能
胡小锋, 姜海昌, 赵明久, 闫德胜, 陆善平, 戎利建
金属学报    2018, 54 (1): 1-10.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00236
摘要   HTML PDF (1319KB)  

采用熔化极活性气体保护焊(MAG焊)对一种Fe-Cr-Ni-Mo高强高韧合金钢板进行多道次焊接,利用SEM、EPMA、TEM以及拉伸、冲击等实验研究了焊接接头的组织和力学性能。结果表明,焊缝金属由柱状晶和等轴晶组成,其中上部焊缝以柱状晶为主,而下部焊缝的等轴晶含量增加。焊缝上部因冷速较快形成回火马氏体组织;下部因合金元素含量较高,淬硬倾向较强,形成了粒状贝氏体组织。靠近焊缝的热影响区为较粗大的马氏体组织,其硬度最大(621 HV),明显高于母材(410 HV)。上部焊缝金属的硬度为365 HV,低于母材,而下部焊缝的硬度高于焊缝上部和母材,为450 HV。因此,焊接接头上部拉伸试样在焊缝处发生断裂,断裂强度为1109 MPa,而焊缝的下部拉伸试样在母材处发生断裂,断裂强度为1183 MPa。本实验用Fe-Cr-Ni-Mo合金钢的焊接接头强度较高,焊接强度系数不小于0.93,焊缝金属的冲击功为53 J。

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16. 退火温度对冷轧7Mn钢拉伸行为的影响及模拟研究
阳锋, 罗海文, 董瀚
金属学报    2018, 54 (6): 859-867.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00315
摘要   HTML PDF (3259KB)  

利用EBSD、TEM和XRD等手段研究了退火温度对冷轧中锰钢7%Mn-0.3%C-2%Al (质量分数)组织和力学性能的影响,并借助具物理冶金意义的本构模型探讨了冷轧中锰钢退火后的拉伸和加工硬化行为。实验结果表明,随着退火温度的上升,逆转变奥氏体的机械稳定性逐渐降低,使得应变诱导马氏体的转变速率快速上升。在700 ℃退火时,逆转变奥氏体的稳定性适中,此时材料的综合力学性能最优。模拟结果表明,奥氏体稳定性对材料的拉伸行为有决定性的影响。退火温度偏低则奥氏体稳定性过高,材料的加工硬化率和均匀延伸率都较低;若退火温度适中则奥氏体稳定性也适中,变形时能持续地产生TRIP效应硬化基体,使材料的加工硬化率和均匀延伸率均较高;退火温度偏高会导致奥氏体稳定性过低,应变诱导马氏体会在短期内大量形成,致使材料的抗拉强度较高但均匀延伸率降低。

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17. Inconel 740H合金原位高温拉伸微裂纹萌生扩展研究
王晋, 张跃飞, 马晋遥, 李吉学, 张泽
金属学报    2017, 53 (12): 1627-1635.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00218
摘要   HTML PDF (10394KB)  

利用自主研发的SEM原位高温拉伸台,研究了750 ℃高温条件下镍基高温合金Inconel 740H单轴拉伸变形过程中微观组织演变规律及微裂纹萌生与扩展机制。结果表明,在室温和高温条件下,Inconel 740H合金变形过程中晶界是主要的裂纹萌生源,但是在室温时微裂纹也会在晶内萌生。通过对原位变形机制的分析表明,750 ℃高温不仅降低了滑移系的开启能量,使更多的滑移系容易开动,而且弱化了晶界强度,使晶界具有弯曲和滑移的变形特性,从而增强了合金的塑性协调变形能力,但是却降低了合金的屈服强度和抗拉强度,高温同时也使合金晶界的相对强度弱化,导致微裂纹更易从晶界处萌生并扩展。

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18. 金属植介入器件接触诱导表面的制备技术与研究进展
梁春永, 郝静祖, 王洪水, 李宝娥, 夏丹
金属学报    2017, 53 (10): 1265-1283.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00263
摘要   HTML PDF (8368KB)  

金属材料是医学植介入器件的主要应用材料之一,由于其具有离子溶出与生物惰性等缺点,因此如何提高植体表面的生物相容性与组织适配性成为金属生物材料领域的研究热点。在器件表面制备微纳结构,通过接触诱导机制对细胞及组织进行调控是改善金属植介入器件表面生物功能的重要研究方向之一。本文综合评述了金属植介入器件表面各种图案化微纳结构的制备技术与应用进展,并综述了接触诱导作用对成骨与血管内皮细胞、组织生长行为的调控以及对干细胞定向分化诱导等领域的研究进展。

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19. 兼具成骨和抗感染性能的医用金属材料研究进展
林潇, 葛隽, 吴水林, 刘宝华, 杨惠林, 杨磊
金属学报    2017, 53 (10): 1284-1302.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.000269
摘要   HTML PDF (4646KB)  

材料的成骨性能(即材料表面或周围促进新骨生成的性能)一直以来是大部分骨科植入性医疗器械的首要临床要求。近年来,材料的抗感染或者抗菌性能(尤其是不依赖抗生素的抗感染或者抗菌性能)逐渐成为骨科植入物的另一重要临床要求。因此,开发同时具有成骨和抗感染性能的生物材料对于骨科临床具有重要意义。医用金属材料在骨科植入物中占有重要地位,但兼具这2种性能的金属材料在以往的临床实践或基础研究中都极为少见,最近才得以广泛研究。本文综述了同时具有成骨和抗感染性能的新型医用金属材料的研究进展,介绍相关金属材料以及金属材料表面改性的研究成果,并对材料兼具成骨和抗感染的机理进行分析讨论,提出此类新型医用金属材料的研究展望。

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20. 前言
杨柯
金属学报    2017, 53 (10): 1151-1152.   DOI:
摘要   HTML PDF (520KB)  

医用金属材料因其具有高强韧性、耐疲劳、易加工成形和临床使用中的高可靠性等优良性能,一直是临床上用量大、范围广的一类生物医用材料。医用金属材料是需要承受较高载荷的骨、齿等硬组织以及介入治疗支架的首选植入材料,大量应用于骨科、齿科、介入治疗等重要医疗领域中的各类植入医疗器械和手术工具,骨折内固定系统、人工关节、人工脊柱、颅骨修复支架和网板、牙种植体、冠脉心血管支架等是其中典型的高端植入医疗器械产品代表。医用金属材料的性能优劣对这些产品的临床使用性能至关重要,甚至会直接影响到医疗效果。在医用金属材料中,目前用量最大和应用范围最广的材料是不锈钢、Ti及钛合金、钴基合金、TiNi形状记忆合金等,在临床应用中占有举足轻重的地位。

我国目前正在大力培育和发展新兴战略产业,包括生物医药等关系到未来环境和人类生活的一些重要领域,在研发适应多发性疾病和新发传染病防治要求的创新药物的同时,应“突破应用面广、需求量大的基本医疗器械关键核心技术”,形成以创新药物研发和先进医疗设备制造为龙头的医药研发产业链,大幅度提升生物医药产业的国际竞争力。我国人口众多,保证广大民众的基本医疗条件和水平是国家目前的基本国策。而在应用面广、需求量大的基本医疗器械制造中,医用金属材料扮演着不可替代的重要角色。因此,大力发展临床使用性能更优的新型医用金属材料,并推动其临床应用,将会产生巨大的社会和经济双重效益。

随着现代医疗技术的不断发展和大众生活质量的普遍提高,以及新型医用高分子、生物陶瓷和医用复合材料等新兴生物医用材料的迅速发展和逐渐进入临床应用,医用金属材料的应用和发展受到了严峻的挑战。近20年中,以进一步提高强韧性、耐蚀性、耐磨性、生物安全性、组织相容性、力学相容性等为设计目标的新型医用金属材料的研究和开发方兴未艾,设计和发展出以低模量钛合金、高氮无镍不锈钢、抗菌金属、生物活性涂层、耐磨涂层、药物涂层等为突出代表的新型医用金属材料及相关表面改性技术,为金属植入器械的发展和应用带来了新的机遇。特别是从本世纪初开始,以镁合金为代表的生物可降解金属材料研究的兴起,为医用金属材料的研究和发展开辟了新的天地,受到了材料工作者和医学工作者的共同关注。近年来,医用金属材料生物功能化创新思想的提出,有望使传统上生物惰性的金属材料发展成为具有一定生物活性的金属材料,为材料的临床应用增加了新的功能。此外,随着金属3D打印制造技术的逐渐成熟,使金属植入器械的个性化制造及随之带来的个性化医疗成为可能。医用金属材料正在向着生物适配性更佳、使用性能更优的方向发展,有望在未来的生物医用材料的临床应用中继续保持着其应有的重要地位。

我国在医用金属材料研究方面已经取得了长足的进步,取得了众多创新研究结果,在国际相关领域具有重要影响力,并为我国相关医疗器械的创新发展提供了新的材料平台。这次《金属学报》筹办以医用金属材料为主题的专刊,聚集了我国在相关领域中做出突出研究工作的15所大学和研究机构的23篇文章,综述和介绍了新型医用金属材料方面的最新研究进展,代表了中国在医用金属材料研究与应用领域中的最高水平。期望这次专刊的出版对推动我国在新型医用金属材料的研究发展与临床应用具有重要影响。

The authors have declared that no competing interests exist.

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21. 富Fe红壤中管线钢的硫酸盐还原菌腐蚀行为
于利宝, 闫茂成, 马健, 吴明浩, 舒韵, 孙成, 许进, 于长坤, 卿永长
金属学报    2017, 53 (12): 1568-1578.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00095
摘要   HTML PDF (8016KB)  

采用电化学阻抗谱(EIS)、极化扫描和循环伏安(CV)等电化学技术,结合SEM表面形貌分析技术,研究高强度低合金X80管线钢在富Fe酸性红壤环境中的硫酸盐还原菌(SRB)腐蚀行为及电化学过程。结果表明,酸性红壤环境中,环境适应期(前7 d) SRB对腐蚀电化学过程没有明显影响;SRB生长期的呼吸代谢活动导致X80钢的自然腐蚀电位降低,显著促进了管线钢的腐蚀过程;SRB通过胞外铁呼吸可与红壤颗粒表层FeOOH/Fe2O3等铁氧化物发生作用,引起FeOOH/Fe2O3的微生物异化还原,该过程中,SRB作为电子传输媒介,参与Fe和氧化铁间的电子转移,该机制是SRB促进局部腐蚀电化学过程的主要原因。提出了SRB促进红壤中管线钢微生物腐蚀(MIC)与胞外铁呼吸机制之间的联系。

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22. 基于成分均匀化的层状铸造方法的实验与模拟研究
李军, 王军格, 任凤丽, 葛鸿浩, 胡侨丹, 夏明许, 李建国
金属学报    2018, 54 (1): 118-128.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00225
摘要   HTML PDF (852KB)  

提出了一种可降低铸锭宏观偏析的铸造工艺:层状铸造(layer casting,LC)。将铸锭分为数个甚至数十个浇包逐次间隔浇注,使每包次浇入的金属液依次、逐层凝固,从而达到降低铸锭中宏观偏析的目的。采用实验与数值模拟相结合的手段验证该工艺的可行性和适用性。分别采用传统铸造工艺和层状铸造工艺制备Al-4.0%Cu (质量分数)小铸锭,采用直读光谱仪测量铸锭中心截面处Cu含量并绘制出对应的宏观偏析图。实验结果表明:采用传统铸造工艺制备的铸锭出现明显的宏观偏析,包括铸锭底部严重的负偏析和顶部正偏析;而采用层状铸造工艺制备的铸锭没有出现大范围严重的宏观偏析,铸锭中心线上最小负偏析和最大正偏析分别降低了24.6%和77.2%,说明层状铸造工艺可一定程度改善铸锭宏观偏析。同时,采用柱状晶-等轴晶混合三相凝固模型对100和13 t钢锭的传统铸造工艺以及层状铸造工艺的宏观偏析的形成进行数值模拟预测。模拟结果表明:采用层状铸造工艺可有效改善大型钢锭中的宏观偏析,并且随着钢锭尺寸的增大,该工艺对宏观偏析的改善效果愈加明显。并对层状铸造工艺抑制宏观偏析的作用机理进行了分析。

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23. 多弧离子镀NiCrAlY涂层与搪瓷基复合涂层的抗热震行为对比研究
丰敏, 陈明辉, 余中狄, 吕振波, 朱圣龙, 王福会
金属学报    2017, 53 (12): 1636-1644.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00192
摘要   HTML PDF (6461KB)  

以K444镍基高温合金为基体,采用多弧离子镀法制备了NiCrAlY涂层、喷涂-烧结法制备了搪瓷基复合涂层,并对比研究了2种涂层的抗热震性能。热震实验高温段温度为900 ℃。高温段保温1.5 h后经水或空气冷却为一个热震循环。结果表明,NiCrAlY涂层的抗热震性能较差。当冷却介质为水时,水淬热震30 cyc后,涂层表面氧化膜开裂明显,且有个别裂纹已穿透氧化膜,扩展至涂层内部;而搪瓷基复合涂层的抗热震性能非常优异。热震后,涂层表面及内部均未发现裂纹,涂层和基体界面结合良好。经分析,其优良的抗热震性能源于:(1) 搪瓷釉热膨胀系数与高温合金基体匹配度高;(2) 纳米Ni和NiCrAlY金属颗粒的加入进一步增大涂层热膨胀系数的同时,还提高了搪瓷的韧塑性。

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24. 冷拉拔珠光体钢丝的力学性能各向异性研究
季培蓓, 周立初, 周雪峰, 方峰, 蒋建清
金属学报    2018, 54 (4): 494-500.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00274
摘要   HTML PDF (7898KB)  

利用拉伸试验机、SEM和TEM研究了冷拉拔珠光体钢丝力学性能的各向异性。结果表明,原始盘条(应变ε=0)中,各向抗拉强度相近;随着钢丝应变的增加,钢丝各向抗拉强度的差异逐渐明显。其中,平行于拉伸轴方向(P样品)和与拉伸轴呈45°方向(I样品)符合应变强化规律;垂直于拉伸轴方向(V样品)抗拉强度稳定在1320 MPa左右。形变钢丝中,平行方向抗拉强度最高,45°方向次之,垂直方向抗拉强度最低。原始盘条中,各向均发生穿晶断裂;形变钢丝中,平行方向的断裂机制为微孔聚集型,45°方向和垂直方向发生穿晶断裂或沿晶断裂。拉伸断口纵截面TEM像表明,平行方向上,位错均匀分布在铁素体片层中,各片层协调形变;垂直方向上,位错在铁素体/渗碳体界面处塞积缠结,产生应力集中直至断裂。表现出明显的各向异性。

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25. Hi-B钢二次再结晶退火中异常长大Goss取向晶粒的三维形貌表征
鲍思前, 刘兵兵, 赵刚, 徐洋, 柯珊珊, 胡晓, 刘磊
金属学报    2018, 54 (6): 877-885.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00320
摘要   HTML PDF (6386KB)  

利用定量逐层研磨和计算机辅助重建及可视化技术,并结合电子背散射衍射(EBSD)技术,研究了Hi-B钢二次再结晶退火中异常长大Goss取向晶粒的三维形貌,并探讨了其长大规律和特征。研究表明,在三维尺度上,异常长大Goss取向晶粒呈现“饼形”晶粒形貌,异常长大过程中遵循“饼形”长大规律,即处在次表层的二次再结晶晶核在中间层快速长大取得尺寸优势后,反向沿厚度方向长大到样品表面,并在表面能的作用下继续沿板面方向异常长大,最终使得在板面方向的尺寸远大于厚度方向的尺寸;在Goss取向晶粒异常长大过程中,一些基体大尺寸晶粒由于尺寸优势会阻挡Goss取向晶粒长大,从而暂时保留在晶粒内部形成“岛状”晶粒。而在长大前沿,由于基体晶粒尺寸的不均匀性,特别是遇到一些大尺寸晶粒无法在短期内被吞噬掉,或者是2个异常长大的Goss取向晶粒相遇后造成某些方向长大停止,而一些基体晶粒被包裹进来成为“岛状”或“半岛状”晶粒,还有可能是不同取向晶粒晶界迁移率存在明显的差异性等方面的影响,使得Goss取向晶粒在某些方向长大受阻,从而表现出晶界前沿参差不齐,长大呈现典型的各向异性特征。

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26. 690和800合金在高温高压水中硫致腐蚀失效研究进展
夏大海, 宋诗哲, 王俭秋, 骆静利
金属学报    2017, 53 (12): 1541-1554.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00198
摘要   HTML PDF (7141KB)  

高温高压水中的S对蒸汽发生器合金的腐蚀是最复杂的腐蚀过程之一。本文从热力学计算和实验方面综述了高温高压水中硫致690和800合金腐蚀的研究进展。热力学计算主要以E-pH图、Volt等效图以及离子分布系数曲线展开,计算结果表明,S的价态以及与金属的相互作用主要受温度、pH值以及电极电位的影响,但热力学计算没有考虑S中间产物的影响作用。腐蚀电化学及表面分析结果表明,硫致腐蚀受温度、pH值、含硫离子种类、Cl等其它杂质离子、晶粒取向、合金成分以及应力等多因素影响,多因素之间可能存在复杂的交互作用。合金中Cr、Mo和Cu的加入可在一定程度上抑制硫致腐蚀,而Ni含量的增加则使硫致腐蚀敏感性增加。S更易吸附在材料表面缺陷处引起局部优先溶解,按照晶粒取向(111)<(100)<(110)硫致腐蚀敏感性增大。

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27. 碳化物/氧化物弥散强化钨基材料研究进展
张涛, 严玮, 谢卓明, 苗澍, 杨俊峰, 王先平, 方前锋, 刘长松
金属学报    2018, 54 (6): 831-843.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00071
摘要   HTML PDF (9834KB)  

钨(W)具有高熔点(3410 ℃)、高密度(19.35 g/cm3)、高硬度、高弹性模量、高热导率以及低膨胀系数、低蒸气压等优异的性能,在国防军工、航空航天和核工业等领域中有着重要的作用。但同时,W及其合金的缺点,如低温脆性(韧脆转变温度通常在400 ℃以上)、室温抗拉强度低,再结晶脆性、高热负荷开裂及辐照脆化等问题,又严重影响了其加工及服役性能。针对上述问题,国内外开展了碳化物/氧化物弥散强化的钨合金研究,通过纳米级碳化物/氧化物弥散强化及微结构优化,提高了W的力学性能及其它服役性能。本文主要从核聚变第一壁用碳化物、氧化物弥散强化钨基材料的设计、制备、组织与性能调控及服役性能评价等方面进行综述,并介绍了作者研发团队的最新进展,展望了未来发展趋势及待解决的问题。

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28. 基于三维离散位错动力学的FCC单晶压缩应变率效应研究
郭祥如 孙朝阳 王春晖 钱凌云 刘凤仙
金属学报    DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00553
29. 不锈钢网上水热制备NiCo2O4/MoS2纳米复合结构及其在电解水制氢中的应用
李丹 李杨
金属学报    DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00001
30.

奥氏体/铁素体层状条带结构高锰钢的微观组织及其性能

朱恺 伍翠兰 谢盼 韩梅 刘元瑞 张香阁 陈江华
金属学报    DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00100