对Al-12.7Si合金进行表面机械研磨处理, 在表层制备纳米-微米梯度结构,利用XRD和TEM研究结构演变过程. Al-12.7Si合金形变诱发的纳米化机理归纳如下:在外加载荷的反复作用下, Al基体高密度位错通过滑移、湮灭和重组形成位错胞/亚微晶;通过不断吸收位错, 位错胞/亚微晶之间的取向差逐渐增大; 亚微晶内高密度位错重复上述过程, 使晶粒尺寸减小、取向差增大, 最终形成等轴状、取向呈随机分布的纳米晶.Si颗粒通过内部位错单滑移或多滑移所产生的切割及部分溶解而细化, 并随着Al基体的塑性流动而呈弥散分布.

对单一添加及同时添加La和Hf的CoNiCrAl合金进行真空高温氧化处理, 研究单一添加与同时添加La和Hf对合金表面氧化物生长机制和黏结性能的影响. 结果表明: 表面抛光的合金在1100℃氧化时, 同时添加La和Hf使CoNiCrAl合金在其表面形成了连续均匀的Al₂O₃, 并且具有较好的黏结性能.通过¹⁸O追踪原子氧化发现CoNiCrAlLa, CoNiCrAlHf和CoNiCrAlLaHf合金的Al₂O₃生长均为O^2-内扩散为主的生长机制,同时伴随少量的金属离子外扩散. 单一添加La和Hf, 形成的Al₂O₃表面富集Cr,Co和Ni等, 且随Al₂O₃深度增加而逐渐降低, 这些元素促使Al₂O₃表面形成Ni(Co)Al₂O₄, 从而降低Al₂O₃的黏结性能. 同时添加La和Hf,没有改变O^2-内扩散为主的生长机制, 但Hf能够阻碍La在氧化物/合金界面的富集,减少Ni(Co)Al₂O₄形成, 同时合金表面局部内氧化的钉扎效应提高了Al₂O₃的黏结性能.

采用真空非自耗电弧熔炼法制备了Cr-12%Nb(原子分数, 下同)和Cr-20%Nb 2种成分合金的纽扣锭, 利用XRD, OM, SEM和EDS对电弧熔炼态纽扣锭不同位置的组织及其竞争生长进行了研究. 结果表明:Cr-12%Nb合金纽扣锭底部为细小的离异共晶, 中部和顶部则由粗大的初生Cr相和共晶组织(Cr₂Nb+Cr)组成. 而Cr-20%Nb纽扣锭底部出现的是胞状层片共晶组织, 层片间距为0.3 μm, 随着距纽扣锭底部距离的增加,冷却速率逐渐降低, 凝固组织中相继出现Cr₂Nb板条枝晶和花瓣状Cr₂Nb枝晶. 同时, 基于TMK快速凝固共晶模型和BCT枝晶生长模型, 通过计算并比较共晶组织和Laves相Cr₂Nb枝晶界面生长温度, 借助最高界面生长温度判据,很好地解释了Cr-20%Nb合金凝固组织的演变及其形成原因.

建立了伴随δ/γ相变的钢凝固过程两相区溶质微观偏析模型,以其所确立的钢凝固过程各相分数与温度之间的关系获得钢的高温物性参数,并根据连铸坯在结晶器内凝固收缩量与结晶器内表面的位移关系、保护渣的液/固状态及厚度分布、铸坯表面和铜板热面的温度分布以及气隙的动态变化等建立了描述坯壳--铜板界面热流的数学模型. 在此基础上, 运用率相关本构模型,采用顺序耦合法建立了描述板坯连铸结晶器内钢凝固过程热行为的二维瞬态热/力耦合有限元分析模型.

基于建立的二维瞬态热/力耦合有限元模型, 模拟计算了国内某钢厂实际板坯连铸工况下结晶器内某高强船板钢凝固过程的热行为, 并利用现场实测温度数据验证了模型的可靠性. 在此基础上重点研究分析了该钢在结晶器凝固过程角部区域气隙厚度、坯壳--铜板间的保护渣(包括液渣层和固渣层)分布及其热行为变化规律和对应区域的热流与表面温度变化特征,并揭示了拉速、结晶器锥度和保护渣性能变化对该钢种在结晶器内凝固热行为的影响.

结合实验研究和热力学计算对不同间隙元素含量下Ti和Nb微合金化对超纯11%Cr铁素体不锈钢铸态、轧态和焊接热影响区(HAZ)的影响进行了研究和分析. 研究结果表明: 钢中间隙元素含量在0.0163%时Ti和Nb微合金化效果较好, 在相同的轧制工艺下可获得更好的轧态组织,相同焊接工艺条件下HAZ晶粒尺寸也较细小. 分析表明: 在相同的凝固条件下,随着C和N含量的提高及Ti和Nb的加入, 固/液两相区温度 区间增大,有助于提高柱状晶前沿过冷度, 提高非均质形核几率,进而使得铸态组织中等轴晶比例提高, 晶粒尺寸减小. 另一方面,随着Ti的加入和N含量的提高, TiN生成区域从固相区提高到固/液两相区,有助于促进高温铁素体的非均质形核.

通过腐蚀失重、电化学测试、锈层分析和微观形貌观察研究了海水压力对不同成分2种低合金钢(X和Y)腐蚀行为的影响. 结果表明, X钢更易受到海水压力的影响而被加速腐蚀.深海压力均加速了2种低合金钢的阳极溶解速度; 压力对于X钢的氧扩散还原过程影响很小,而海水压力的增加导致Y钢阴极电流密度降低的原因是腐蚀产物直接参与了阴极还原反应.2种钢均由低压下的均匀腐蚀变为高压下的局部腐蚀, 但腐蚀形貌有较大差异.高压下的X钢表面出现明显的“浅碟状”腐蚀坑, 而高压下的Y钢表面出现了明显的隧道形腐蚀坑.

根据小孔壁面上的力学平衡条件, 建立了穿孔等离子弧焊(PAW)的小孔模型. 利用该模型, 对6 mm厚不锈钢板PAW准稳态小孔的形成过程进行了数值计算, 得到了不同工艺参数下准稳态小孔的形状和尺寸. 根据达到准稳态时小孔壁面的受力状态, 对PAW过程中小孔从盲孔到穿孔的转变机制进行了探讨, 分析计算了小孔壁面上各区域的作用力大小. 随着焊接电流的升高, 小孔的深度呈现非线性增大; 存在一个小孔在熔池内由盲孔突然转变为穿孔状态的焊接电流临界值; 等离子弧力在小孔底部急剧集中是导致小孔深度突变的主要原因. 通过穿孔PAW焊接工艺实验, 对数值计算结果进行了实验验证.

研究了在有、无外加磁场条件下热处理时, 低活化钢中析出相的长大规律及其对力学性能的影响. 经高温强磁场热处理后低活化钢的屈服强度和抗拉强度均比无磁场热处理时低, 而冲击韧性并无明显变化.强磁场显著抑制M₂₃C₆(M=Cr, W和Fe)沿原奥氏体晶界和马氏体板条界定向长大, 强磁场下碳化物/铁素体界面能增大是导致长杆状M₂₃C₆碳化物球化的主要因素, 并导致析出相颗粒密度降低,平均尺寸增大. 利用Langer-Schwartz模型描述了低活化钢在高温强磁场条件下析出相的粗化过程. 构建三维立体模型修正了屈服强度与沉淀强化关系的公式,定量描述了析出相的粗化过程对低活化钢力学性能的影响, 模拟结果与实验结果符合较好.

通过SEM, TEM, EBSD和纳米硬度等多种手段对经Q&P(quenching and partitioning)工艺处理的低碳 CrNi3Si2MoV钢中的马氏体进行了表征, 并探讨马氏体在单轴拉伸过程中的作用. 研究结果表明: 一次马氏体发生了C配分和回火析出现象, 容易腐蚀;二次马氏体呈淬火态特征, 由1个马氏体领域构成, 板条尺寸较小, 约为0.1-0.2μm,C含量和纳米硬度均高于一次马氏体, 在变形过程中能够协同组织变形,起到强化作用, 而氧化物夹杂和大尺寸的析出物是微裂纹产生和扩展的主要原因.

在纯氟化物电解质体系下, 以原Al为阳极, 利用杂质与Al析出电位的差别,采用水平电解槽进行了Al的电解精炼提纯研究. 结果表明: 水平电解槽导致的电流密度分布不均没有对精炼过程造成不利影响, 电解过程槽电压平稳;预电解对电解质净化效果明显, 预电解后电解质中Cu, Si和P的含量分别降低到3.2×10^-6, 14×10^-6和1.5×10^-6. 与三层液精炼Al相比,水平精炼阴极Al是沉底的, 受上层电解质保护从而减少了烧损, 电流效率最高达98.6%.最后得到的精炼Al与原Al相比, Fe, Si, Zn和Cu等杂质的含量明显降低,特别是Cu含量由14.5×10^-6减少到0.9×10^-6,精Al纯度达到99.99%.

采用XPS分析钢筋经模拟混凝土孔隙液浸泡后表面膜的化学组成, 结合线性极化法和动电位扫描阳极极化曲线测试, 研究钢筋在模拟混凝土孔隙液中表面膜化学组成与腐蚀电化学行为的关联. 结果表明:钢筋在纯模拟液中处于钝化状态. 在含Cl^-和不同pH值的模拟混凝土孔隙液中,随着Cl^-浓度的增加和pH值的降低, 钢筋的腐蚀电位负移, 电流密度增大;钢筋表面钝化膜Fe²⁺的含量增加, Fe³⁺的含量减少.当模拟液中外加Cl^-浓度达0.6 mol/L或pH值降至11.31时,钢筋表面不发生钝化, 但加入0.24 mol/L NaNO₂缓蚀剂后又可使钢筋钝化从而抑制腐蚀.

借助XRD, SEM, EDS和显微硬度仪等分析测试手段, 研究了时效处理和La含量对真空精炼的AZ91合金显微组织和力学性能的影响. 结果表明: 时效处理可以使第二类β相大量析出, 且β相呈不连续层片状沿晶界两侧分布.随La含量的增加, β相的尺寸逐渐减小, 而α相的尺寸则呈现先减小后增加的趋势. 铸态和时效态试样的力学性能参数均随La含量的增加呈现出先增加后减小的趋势. 时效态试样的抗拉强度、屈服强度、延伸率和Vickers硬度分别比铸态试样提高12.65%, 16.85%, 13.71%和37.24%. 当La含量达到0.1648%时,抗拉强度、屈服强度、延伸率和Vickers硬度分别达到276 MPa, 208 MPa, 13.85%和132 HV.

通过纳米力学探针对铁素体相在热老化过程中的力学性能变化进行了研究.采用仪器化冲击试验机研究了材料的冲击行为, 使用SEM观察冲击断口形貌.结果表明: 长期热老化导致铁素体相的塑性变形能力不断下降,材料的冲击韧性也显著下降. 热老化过程中冲击功的损失主要是由于裂纹扩展能量的降低引起,在400℃热老化1×10⁴ h后裂纹稳定扩展能几乎降为0.热老化材料的冲击断裂过程为: 在冲击载荷下裂纹首先在铁素体内萌生并快速扩展,铁素体相发生解理断裂, 裂纹扩展到奥氏体相, 最后裂纹连接贯穿整个试样

使用瞬态气动热实验模拟系统对超硬铝合金7A04在不同瞬态高温热冲击条件下的力学性能进行了气动热模拟和热载联合实验研究, 得到7A04在热、力学环境共同作用下的高温强度极限和承载时间等重要表征参数. 实验结果表明:超硬铝合金7A04在短时热冲击环境下的强度极限比航空材料手册中长时间恒温下测量的强度极限有明显提高, 这为航空航天材料和结构在短时高速热冲击环境下承载能力的提升和结构优化设计提供了可靠依据.

针对连铸过程中水口吹Ar工艺导致的铸坯缺陷, 利用Cu质水冷插针进行物理模拟实验, 研究了气泡在连铸坯固/液界面处的运动行为. 通过观察气泡在固/液界面的运动行为, 研究气泡被铸坯捕获机理. 同时, 对现场铸坯进行了取样分析, 发现弯月面处生长的枝晶是气泡被凝固坯壳捕获的一个重要因素, 进而提出生产中采用水口电磁制动和结晶器窄面处电磁搅拌的方法来改善铸坯质量, 减少气泡凝入铸坯.