通过对压铸充型过程中卷气缺陷形成机理的分析, 认为型腔中空气的流动以及与金属液之间的相互作用是形成卷气现象的主要原因. 为了考虑型腔中空气的流动, 采用了一种不可压缩两相流数学模型来模拟压铸充型过程的卷气现象. 通过计算流体力学中的两个基准算例, 较为全面地验证了该模型的准确性和可靠性. 在此基础上, 设计了专门针对压铸充型过程的高速水模拟实验, 通过对可视化实验结果与两相流模拟结果的比较, 证实二者吻合较好, 说明了该模型能够较好地模拟液体的充填行为和卷入其中的气泡.

应用电子背散射衍射技术 (EBSD) 和电子通道衍衬成像技术(ECC)研究了大应变量 (96%) 冷轧纯度为99.996\%的金属Ni在低温再结晶过程中Σ3晶界的
演化. 研究表明, 基于EBSD数据, Σ3晶界可以分为两类------孪晶型和非孪晶型Σ3晶界, 二者可通过晶界取向差与60°<111>的偏差Δθ来区分. EBSD定位观察再结晶过程的结果表明, 非共格孪晶是由共格孪晶发展而来; 绝大部分Σ3ⁿ (n>1)晶界由晶核与其n次孪晶相遇而形成, 并且晶界含量随着n的增加显著降低. 大部分非孪晶型Σ3晶界由孪晶型Σ3晶界与小角晶界(Σ1)相遇反应而来, 可能比孪晶型Σ3晶界更能够阻断大角晶界网络.

应用组合材料芯片技术, 以离子束溅射法在低碳钢基片上制备了不同Ti掺杂量的Zn-Al-Ti薄膜 (Al和Zn质量分数分别为55%和45%)样品阵列. 沉积得到的
多层薄膜经低温扩散和高温晶化形成合金薄膜. 以电化学方法测定合金薄膜在浓度(质量分数)为3.5%的中性NaCl水溶液中的耐蚀性能, 并进一步研究了优选出的组分的耐蚀性. 结果表明, Ti的适量掺杂可使合金薄膜的耐蚀性能明显提高. 其中, Ti的质量分数在6%左右时耐蚀性能最佳. 采用XRD及SEM对6%Ti的合金薄膜的相结构和表面形貌进行了表征, 并与未掺杂Ti的薄膜进行了比较. 此外, 分析了Zn-Al-6%Ti合金薄膜的腐蚀机理, 为进一步优化薄膜体系提供了依据.

采用电弧离子镀技术在Ti60合金表面制备了Ti-48%Al-12%Cr(0.2%Si, 0.1%Y, 原子分数)防护涂层. 利用XRD, SEM和EDS研究了Ti60合金及Ti-Al-Cr(Si, Y)涂层在Na₂SO₄和75%Na₂SO₄+25%K₂SO₄ (质量分数)中800及850℃下的热腐蚀行为. 结果表明, Ti60合金基体在800和850℃的硫酸盐中发生了严重的腐蚀,腐蚀产物发生了明显剥落. 涂层样品在800和850℃的硫酸盐腐蚀介质中, 表面形成了保护性的氧化膜, 可以有效地保护Ti60合金免受腐蚀破坏. Ti60合金及涂层样品在75%Na₂SO₄+25%K₂SO₄混合硫酸盐中的腐蚀比在纯K₂SO₄中剧烈. Si和Y元素的加入使得Ti-Al-Cr-Si和Ti-Al-Cr-Si-Y涂层在硫酸盐中抗热腐蚀性能优于Ti-Al-Cr涂层.

利用形状记忆因子的概念, 建立了用于描述纯剪切状态下形状记忆合金(SMA)相变行为的形状记忆演化方程. 在假设SMA为各向同性 材料和利用三维细观力学本构方程的前提下, 推导了纯剪切状态下SMA的力学本构方程. 所建立的形状记忆演化方程和力学本构方程中的材料常数均可以通过宏观实验来测定, 便于工程实际中的应用. 数值计算结果表明, 所建立的形状记忆演化方程能正确地描述纯剪切状态下SMA发生在奥氏体、孪晶马氏体和非孪晶马氏体间的相变行为, 力学本构方程可再现形状记忆效应和超弹性的热力学过程.

利用第一性原理计算方法研究了TiN(111)/BN/TiN(111)界面的16个理论界面构型.计算结果表明, 最稳定界面构型为top-top-BN 构型, 此构型中B原子只与周围N原子成键, 为四面体配位. 同时计算了top-top-BN构型的电子结构和成键特性以及界面结合强度, 结果表明, top-top-BN构型界面上的键为较强共价键,
其界面结合强度比TiN(111)板层或TiN块体材料的(111)晶面间的结合强度大, 说明此构型具有强界面特征.

采用相场方法模拟第三相颗粒钉扎的两相耦合的晶粒长大过程, 系统地研究了第三相颗粒体积分数和尺寸大小对两相晶粒长大 过程的影响. 模拟结果表明, 第三相颗粒体积分数越大, 对晶界的钉扎作用越强, 且极限晶粒尺寸越小. 单个第三相颗粒尺寸越大, 对晶界钉扎作用越强. 但当体积分数一定时第三相颗粒尺寸越小时, 颗粒数目会越多, 此时总的钉扎效果会越好, 晶粒极限尺寸也越小. 若晶粒长大系统同时引入两种不同大小的第三相钉扎颗粒, 且两种颗粒所占比例相同时, 钉扎效果最好. 相场方法模拟所得到的二相多晶材料晶粒组织演化规律和晶粒生长指数、晶粒形态、生长动力学和拓扑结构特征与已有实验和理论结果相符合

基于大规模并行算法建立了单晶Cu纳米加工新型三维分子动力学仿真模型, 采用Tersoff势、嵌入原子势 (embedded atom method, EAM) 和Morse势分别描述刀具原子之间、工件原子之间和工件与刀具原子之间的相互作用. 研究了纳米加工过程中系统的温度分布及 其热效应的影响, 从位错和温度的角度对切屑形成过程和纳米加工表面的形成机理进行了分析. 模拟结果表明: 位错的扩展方向和切屑的堆积方向均沿着与切削方向成45°方向<110>晶向)运动; 系统的温度分布呈同心形, 切屑处温度最高, 同时在金刚石刀具中存在较大的温度梯度; 随着系统温度升高, 工件材料具有热软化效应; 切削速度和切削刃钝圆半径对系统的温度分布影响很大.

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.

运用OM, SEM和EDS分析了铝合金/不锈钢TIG熔-钎焊接头界面层的结构特征, 并通过微压痕和SEM原位拉伸实验测试了其力学性能. 研究结果表明: 界面处
形成了厚度不均一的锯齿状金属间化合物层, 厚度为4-9 μm, 满足界面层的要求(≤10 μm); 界面反应层包括两类化合物层, 即焊缝一侧的τ₅层和钢基体一侧θ+η+τ₅层, 在界面处首先形成τ₅相, 抑制了粗大枝晶状θ+η二元相的生长. 微压痕测试得出: τ₅层平均硬度值为HV1025, θ+η+τ₅层硬度值为HV835. τ₅层压痕处产生裂纹, 表明τ₅相是一种硬脆相. SEM原位拉伸实验 显示, 界面层起裂于θ+η相, 在外力作用下沿θ+η+τ₅层迅速开裂, 界面层抗拉强度达到120 MPa.

研究了一种新型高强抗热腐蚀DZ68合金, 运用低偏析技术设计了DZ68合金的成分, 利用OM, SEM和XRD等研究了DZ68合金铸态、热处理态的微观组织. 研究了DZ68合金拉伸、持久性能和抗热腐蚀性能, 并与DZ125和IN738合金进行了比较. 结果表明: 铸态DZ68合金组织由γ, γ', (γ+γ')共晶、$M$C型碳化物和少量硼化物组成, 热处理后的组织由γ, γ', MC和M₂₃C₆型碳化物组成; DZ68合金的拉伸性能和持久性能与DZ125合金相当, 抗热腐蚀性能与IN738合金相当, 并具有良好的组织稳定性.

采用液态金属冷却高温度梯度定向凝固设备, 研究了抽拉速率跃迁对单晶高温合金DD3一次枝晶间距和微观偏析的影响. 结果表明, 单晶高温合金枝晶一次间距表现出明显的历史相关性.当抽拉速率(或生长速率)分别从600和300 μm/s跃迁到100 μm/s和直接以100 μm/s速率生长时, 一次间距分别为56.5, 86和111.5 μm. 而生长速率分别从50和100 μm/s跃迁到300 μm/s和直接以300 μm/s速率生长获得的一次间距分别为109, 93和70 μm. 一次间距值与Hunt-Lu模型预测的基本吻合, 但实验结果证明其上限与下限的比值λ₁^max/λ₁^min>2, 与Ma-Sahm的预测结果一致. 成分分析表明, 相同稳态条件下枝晶的一次间距变小, 偏析也有所降低.

对单晶高温合金DD6进行表面吹砂处理, 然后进行固溶与时效真空热处理, 采用SEM, TEM, EPMA和Thermo-Calc的方法研究了单晶合金DD6再结晶晶界析出相的特征及其形成机制. 结果表明, 经过吹砂处理的DD6合金在固溶与时效热处理过程中发生再结晶. 再结晶晶界出现析出相, 分析表明析出相为M₆C碳化物, 该碳化物呈粒状析出, 尺寸约为0.5 μm, 数量极少, 富含W, Re和 Mo, 且Cr, Nb和Co的含量与合金名义成分差别不大, 而Al, Ta和Ni含量较低. 由于再结晶晶界上C元素的聚集效应, C原子在晶界上达到一定浓度后即与一定数量的W, Mo等μ相形成元素发生相变反应, 抑制了合金析出μ相的倾向. 又因为DD6合金W含量较高, 而Cr含量较低, 抑制了M₂₃C₆碳化物, 有利于析出M₆C碳化物.

采用相场模型定量模拟了动力学各向异性作用下过冷熔体中的晶体生长过程. 模拟结果表明, 仅存在动力学各向异性时, 各向异性系数大小对生长方式选择起着决定性作用. 当各向异性较低时, 固相以分形方式生长, 在生长过程中不存在占优势的生长方向, 同时也不存在稳态生长状态; 而当各向异性系数大于0.02时, 固相以枝晶方式沿<110>方向生长. 进一步研究表明, 枝晶生长稳定性系数随各向异性值的增加而增加, 而与动力学系数取值无关.

以Inconel 718合金锻坯为研究对象, 在1173-1423 K的温度范围内, 研究了加热温度和时间对Inconel 718合金锻坯晶粒尺寸 变化的影响, 推导并验证了具有普适意义的适合Inconel 718合金锻坯粗轧加热过程的晶粒长大模型. 研究结果表明: 随加热时间的延长, 在1173 K加热时, 晶粒尺寸变化不显著; 1173-1323 K加热时, 晶粒尺寸呈线性长大; 高于1323 K加热时, 晶粒尺寸呈抛物线性长大. 所 建立的Inconel 718合金的晶粒长大模型适用于等温条件和非等温条件下晶粒尺寸演变的计算.

通过在600, 630, 680, 700和720℃保温1 h空冷, 以及在630℃短时时效后炉冷和空冷的热处理, 研究了不同时效温度、时效时间以及冷却方式对沉淀硬化马氏体不锈钢FV520B的组织和力学性能的影响. 结果表明, 630℃短时时效后钢中即可析出 一定量的逆转变奥氏体, 且钢中的析出相尺寸较小并弥散分布, 由此提出了一种沉淀强化马氏体不锈钢的热处理工艺优化, 即FV520B钢经630℃短时时效并炉冷后, 可以获得较佳的高强度和高韧性组合.

在CaCl₂熔盐中, 利用固体透氧膜(SOM)法直接电解混合氧化物NiO-CeO₂制备CeNi₅合金, 并与熔盐电解法(FFC)进行了对比. 阴极的制作方法与FFC法相同, 阳极为碳饱和Cu(或Sn) 液, 采用只允许氧离子通过的透氧膜隔开阴极和阳极, 这样可以采用较高的电解电压 (3.5 V)以获取更高的电解速率. 研究了SOM法制备CeNi₅合金的可行性和影响因素, 如电解温度、电解时间, 以及产物的相组成和形 貌等. 结果表明: 通过SOM法, NiO-CeO₂可完全还原为CeNi₅. 电解中间产物的相组成分析表明, CeNi₅的形成过程为: NiO首先还原为 Ni, 与随后生成的CeOCl反应生成CeNi₅. SOM法与FFC法对比表明, 2.5 g的烧结试样采用SOM法电解3 h可电解完全, 电流效率为75.5%, 能耗为4.03 kW•h/kg; 采用FFC法需12 h才能电解出纯的CeNi₅合金, 其电流效率为26.1%, 能耗为10.27 kW•h/kg. 相比于FFC法, SOM法具有更好的工业化应用前景.

以Si粉在Al₂O₃/TiO₂复合溶胶中预处理形成的凝胶膜层作为扩散阻挡层抑制Cu-Si反应, 制备出Cu/Si复合材料, 研究了Cu/Si 复合材料的相组成、显微结构与性能.结果表明: Si粉预处理的Cu/Si复合材料主要由Cu和Si组成, 含有少量的Cu₃Si相; 其硬度为147HV0.1, 室温热扩散系数为26.4 mm²/s. 复合材料烧结过程中Cu原子与Si原子借助膜层中的缺陷部位进行扩散, 在Cu/Si界面局部反 应形成Cu-Si化合物. 相比之下, Si粉未预处理的Cu/Si复合材料只含有Cu₃Si相, 无Cu与Si残留; 其硬度高达399HV0.1, 室温热扩散 系数仅为3.0 mm²/s. 所以, Si粉表面溶胶--凝胶预处理可以有效降低Cu-Si反应程度, 保持复合材料中的Cu相与Si相, 提高导热性能.

为改善Fe--Ga合金的高频特性, 采用黏结工艺制备Fe-Ga磁致伸缩复合材料. 探索采用气体雾化法制备Fe₈₁Ga₁₉合金粉末, 利用EDS, SEM, XRD和DTA研究粉末颗粒的基本特性. 结果表明, 雾化粉末颗粒球形度好, 成分与目标成分接近, 大部分颗粒内部为多晶体, 颗粒以A2相为主, 且含有少量DO₃相; 经800 ℃热处理后, 颗粒中有大量L1₂相析出, 保温8 h, 炉冷样品含有大量单晶颗粒. 利用Fe₈₁Ga₁₉合金粉末和黏结剂制备黏结复合材料, 粒径<25 μm的热处理粉末颗粒制备黏结样品的饱和磁致伸缩值最大, 为6.4×10^-5.

针对Ti₄₅Zr₃₈Ni₁₇与Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀准晶合金用X射线衍射仪、透射电子显微镜与金相等手段研究了不同含量的Pd替代对其结构的影响. 在吸铸态下, 前一个合金形成了二十面体准晶相(IQC)与少量配位数为8的bcc β-(Ti, Zr)相,用2%Pd (原子分数, 下同)对合金的Ti或Zr组元替代, 抑制了β-(Ti, Zr)相析出并促使配位数为14的MgZn₂结构的简单六方C14 Laves相生成. 而后一个合金中IQC相则与少量简单六方α-(Ti, Zr)共存, 在2%Pd替代后α-(Ti, Zr)消失, 生成了单一的IQC相, 但当Pd替代量增加到6.7%或13.3%时, 配位数为12的IQC相急剧减少而C14相大量析出, 并在Ti₄₀Zr_26.7Ni₂₀Pd_13.3合金中生成了单一C14相. 结果表明, 添加中等尺寸的Pd原子有利于提高 Ti-Zr-Ni合金的原子密堆性, 使合金趋于生成高配位数的Laves 相, 这种相的Fermi面与Brillouin区的相互作用不显著, 偏离了电子相的稳定机制.

为了解Pd及其合金贮氚(T)老化后,  ³He在材料中的存在形式及分布状态, 利用XRD与TEM分别分析了贮T老化1.6和3.5 a的Pd粉, 以及贮T老化41和295 d的Pd_91.31Y_8.50Ru_0.19 合金膜的结构变化. 结果表明: T老化使得Pd粉的XRD峰变宽且峰强降低, 晶格发生畸变, 同时, 衍射峰略向低角度偏移, 晶格发生膨胀, 1.6和3.5 a老化后, 晶格常数分别增加0.095%和0.11%; 在老化41 d的Pd_91.31Y_8.50Ru_0.19 合金膜中, 观察到分布均匀、直径约为1 nm的He泡, 同时存在高密度的位错及位错环, 在老化295 d的样品中, He泡直径略微增加, 达1.2-1.4 nm, 且分布均匀, 位错及位错环密度降低.