考虑熔池与小孔的耦合作用, 建立了穿孔等离子弧焊接三维瞬态熔池流体流动和传热过程的数学模型. 采用流体体积函数法追踪小孔的形状与尺寸, 利用焓--孔隙度法处理凝固熔化过程中的相变潜热以及动量损耗问题. 针对穿孔等离子弧焊接的工艺特点, 建立了随小孔深度动态调整的组合式体积热源模式. 对8 mm板厚的不锈钢工件进行了穿孔焊接工艺实验和数值模拟, 获得了等离子弧焊接过程中熔池出现、小孔形成、流场与温度场演变、工件熔透与穿孔等动态过程的基础数据, 展示了小孔穿孔前后熔池流体流动规律. 工件背面小孔形状尺寸以及焊缝横断面的数值模拟结果与实验测试结果基本吻合.

从宏观传热学出发, 综合考虑焊缝横断面形状特点及接头形式对焊接热流的影响, 建立了适用的T型接头激光+GMAW复合热源焊的组合式热源模型. 利用双椭球体热源模型描述电弧热流和熔滴热焓, 采用热流峰值指数递增--锥体热源模型表征激光热输入, 并通过坐标系转换的方法旋转热源模型, 以考虑焊枪倾斜对焊接热流分布的影响, 推导出适用于T型接头复合焊的热源模型表达公式, 从而简化了T型接头焊接数值模拟中的模型加载过程. 将所建立的模型用于不同焊接条件下铝合金T型接头激光+GMAW单侧双面焊接焊缝形状和尺寸的模拟计算, 计算结果与实验结果吻合较好, 从而证明了模型的准确性和适用性; 利用该模型计算了铝合金T型接头复合焊近缝区不同位置的热循环曲线, 分析了铝合金T型接头复合焊热循环特征, 为其组织和性能的预测奠定了基础.

对球栅阵列封装(ball grid array, BGA)组件进行热循环实验, 通过EBSD对焊点取向进行表征, 观察不同取向焊点内晶粒取向演化情况. 同时采用Surface Evolver软件对 BGA焊点进行三维形态模拟, 并基于实际焊点内的晶粒构成, 对热加载条件下BGA组件热应力应变分布进行计算. 实验和模拟结果表明, 晶粒取向对焊点可靠性和失效模式产生非常显著的影响. 对于单个晶粒构成的焊点, 应力应变主要集中在靠近界面的钎料内部, 该处发生明显的再结晶并伴随着裂纹的萌生和扩展; 而对于多个晶粒构成的焊点, 应力应变分布则依赖于晶粒取向, 再结晶和裂纹倾向于偏离界面沿原有晶界向钎料内部扩展. 部分特殊取向焊点, 当原有晶界与焊盘界面垂直时, 不利于形变, 表现出较高的可靠性. 当晶界与焊盘夹角为45^o时, 在剪切应力和焊点各向异性的双重作用下, 原有晶界处产生较大的应力应变集中, 加速了裂纹的萌生和扩展, 导致焊点最终沿着原有晶界发生再结晶和断裂, 焊点发生早期失效的可能性增加.

通过物理模拟实验研究板坯连铸流动控制结晶器(flow control mold II, 即FC Mold II)电磁制动过程中, 磁场强度和分布对结晶器内金属液流动的影响规律. 实验中, 以水银为模拟工质, 在模型拉速为0.41, 0.52和0.82 m/min(分别相当于生产拉速1.00, 1.30和2.00 m/min), 电磁制动的上区磁场强度B₁=0.18, 0.36和0.50 T, 下区磁场保持B₂=0.50 T不变的匹配(组合)条件下, 考察结晶器(模型)内的水银流态和流速分布, 并以此分析上、下区磁场强度匹配(组合)对水口出流、液面流动以及结晶器窄面模壁所受冲刷等的影响规律. 结果表明, 在上述拉速条件下, FC Mold II电磁制动的上、下区磁场强度匹配关系, 分别取B₁/B₂=0.36, 0.72和1.00时, 结晶器中金属液的制动效果最好.

对2种冷轧超低碳钢(Nb+Ti-IF钢和高Nb-IF钢)进行了再结晶退火实验, 对比研究了2种钢在超快速退火(加热速率约为300 ℃/s)下的再结晶组织和织构特征. 结果表明, 在超快速退火工艺下, 含C和Nb量较高的Nb-IF钢再结晶平均晶粒尺寸与普通退火工艺下无明显差别(均为(11.0±0.3) μm), 再结晶织构峰值{223}<472>的取向密度由普通退火工艺下的23.9降低到18.0, 且织构类型分散. 分析表明, 较高的C和Nb含量在超快速退火工艺下推迟再结晶的发生, 提高再结晶温度, 增加了其非γ取向形核所占比率, 恶化<111>//ND取向织构, 是其织构强度减弱的原因. 在超快速退火工艺下, 再结晶平均晶粒尺寸是否细化是高形核密度、极短的长大时间的晶粒细化效应与高晶界迁移速率的晶粒粗化效应相互竞争的结果, 极大变形量和细晶作用产生的高形核密度造成形核点饱和, 降低了超快速退火相对于普通退火工艺的晶粒细化效应, 是晶粒细化不明显的主要因素.

对Fe-Mn-C系2种TWIP钢Fe22Mn0.6C和Fe22Mn0.6C0.19V的显微组织、力学性能及加工硬化行为进行了研究. 结果表明, 经900℃固溶处理后的Fe22Mn0.6C0.19V钢和经800℃固溶处理的Fe22Mn0.6C钢具有晶粒尺寸相近的奥氏体组织; Fe22Mn0.6C0.19V钢在真应变ε>0.14后进入加工硬化速率平台区, 而Fe22Mn0.6C钢则在ε>0.12后即进入加工硬化速率平台区;  Fe22Mn0.6C0.19V钢在ε>0.21以后结束了加工硬化速率平台区, 其平台区明显较Fe22Mn0.6C钢短;  Fe22Mn0.6C0.19V钢加工硬化速率平台在ε>0.21以后结束是由VC沉淀粒子与TWIP钢形变孪晶相互作用引起的, VC沉淀粒子对于TWIP钢形变孪晶的产生及增殖都有明显的抑制作用.

采用完全淬火+两相区再加热-淬火-分配(IQ$\&$P)热处理工艺对0.23C-1.8Mn-1.35Si钢进行处理, 获得了具有亚温铁素体、马氏体以及广泛分布于原奥氏体晶界、相界等处的残余奥氏体等构成的多相组织. 利用SEM, XRD以及EBSD等对不同热处理阶段钢的微观组织进行了表征. 结果证实, 该多相组织低合金钢中残余奥氏体的获得主要依赖于以下两点: 一是两相区再加热阶段逆转变奥氏体组织中的富Mn富C, 二是淬火--分配阶段残留奥氏体在分配过程中的二次富C, 通过上述的两步元素富集处理可以使该低碳钢在室温下获得超过10%含量的残余奥氏体, 而残留奥氏体在分配过程中的二次富C则对该类钢中残余奥氏体的形成及其在室温下的稳定化起到了至关重要的作用. 由于广为分布的残余奥氏体在形变过程中的TRIP效应, 使得该类钢种在拉伸变形过程中获得了持续的加工硬化能力, 从而实现了强度与塑性的良好结合. 测试结果表明, IQ&P钢的强塑积超过了26 GPa?%, 屈服强度大于600 MPa, 抗拉强度超过900 MPa, 均匀延伸在16\%以上, 常温半厚冲击韧性达到了39 J.

采用SEM, XRD以及TEM对经抗菌时效处理后的含Cu双相不锈钢中抗菌富Cu相的微观结构及析出演变规律进行了研究. 结果表明, 在 540-580 ℃温度范围内, 双相不锈钢中的铁素体基体及α/γ相界上均有抗菌富Cu相析出, 奥氏体内没有新相的析出; 随时效时间的延长, 析出相逐渐粗化, 并由球形颗粒状转变为棒状或长条状; 随着时效温度的提高, 富Cu相析出速率加快, 较快地由颗粒状转变为棒状; 时效处理过程中, 富Cu相会随时间的延长及温度的提高从亚稳态过渡到稳定的 ε-Cu相; ε-Cu相具有复杂的多层孪晶结构, 与铁素体基体满足Kurdjumov-Sachs取向关系: (111)_ε-Cu//(110)_α-Fe, [011]_ε-Cu//[001]_α-Fe, (111)_ε-Cu//(121)_α-Fe, [011]_ε-Cu//[012]_α-Fe.

采用电化学方法分析了经抗菌时效处理后的含Cu双相不锈钢耐腐蚀性能, 同时采用覆膜法测试了其广谱抗菌效果. 极化曲线测试结果表明, 材料表面存在的ε-Cu等富Cu相成为钝化膜中的薄弱点, 粗大富Cu相的时效析出位置易成为点蚀形核源, 析出粗大富Cu相所占比例增加使得材料耐点蚀性能减弱; 阻抗谱测试显示钝化膜中存在的ε-Cu等富Cu相会降低整体电位及钝化膜电阻, 使钝化膜稳定性下降; DL-EPR测试表明, 在相界及晶间析出的ε-Cu等富Cu相会使晶间呈现阳极性, 导致晶间发生选择性腐蚀, 因富Cu相主要在铁素体上析出, 与奥氏体相比, 其耐晶间腐蚀性能下降严重. 抗菌检测表明, 富Cu相的相结构和体积分数是影响材料抗菌性能的关键因素, ε-Cu的抗菌效果最好, 亚稳态富Cu相次之, 固溶Cu最差. ε-Cu相数量越多, 抗菌效果越好.

在Zr-4合金基础上添加0.1%-0.5%Bi(质量分数)制备成Zr-4+xBi合金, 用高压釜腐蚀实验研究了 Bi含量对Zr-4+xBi合金在400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽中耐腐蚀性能的影响; 用TEM, EDS和SEM观察了合金和合金腐蚀后氧化膜的显微组织. 结果表明: 随着Bi含量的增加, Zr-4+xBi合金中第二相的尺寸和形状变化不大, 但数量增多, 并出现了不同成分的第二相, 包括Zr(Fe, Cr)₂, Zr-Fe-Cr-Bi, Zr-Fe-Sn-Bi和 Zr-Fe-Cr-Sn-Bi. 在Zr-4+0.1Bi合金中检测到了含Bi的第二相, 这说明580 ℃时Bi在Zr-4+$x$Bi合金α-Zr基体中的固溶度小于0.1%. 另外, 适量Bi的添加促进了原先固溶在α-Zr基体中Sn的析出. 与Zr-4合金相比, 在Zr-4中添加0.1%-0.5% Bi后合金的耐腐蚀性能反而下降, 并随着Bi含量的增加耐腐蚀<性能恶化趋势越显著, 这说明Zr-4合金中添加Bi并不能改善合金的耐腐蚀性能, 反而产生有害的影响, 这应该与含Bi第二相和同时含有Bi, Sn第二相的析出有关.

选用了具有相同织构的Zr-4, N18和ZIRLO锆合金片状样品, 利用高压釜在360℃,  18.6 MPa的0.01 mol/L LiOH水溶液中进行了280 d腐蚀实验, 采用EBSD和SEM研究了织构及合金成分对锆合金耐腐蚀性能的影响. 结果表明, 腐蚀280 d后, Zr-4样品表现出明显的腐蚀各向异性特征, 在织构因子较大的轧面(S_N面)上氧化膜较厚, 耐腐蚀性能差, 而在织构因子较小的垂直于轧向的截面(S_R面)和垂直于横向的截面(S_T面)上氧化膜较薄, 耐腐蚀性能好. 添加合金元素Nb的N18和ZIRLO样品氧化膜生长的各向异性受到抑制, 在S_N, S_R和S_T 3个不同面上氧化膜的厚度相同, 耐腐蚀性能比Zr-4样品的S_N面优良. 但是, 如果只以样品的S_R和S_T面进行比较, 氧化膜的生长速率会随Nb含量的增加而增大, 耐腐蚀性能变差. 从改善合金的耐腐蚀性能考虑, Nb的添加量不应该高于0.3%(质量分数).

在不同的搅拌头转速及焊接速度下, 对2 mm厚AlCuLi合金进行了搅拌摩擦焊接. 结果表明, 焊核区由细小等轴再结晶晶粒组成. 随搅拌头转速增加, 晶粒尺寸逐渐增加; 随焊接速度增加, 晶粒尺寸略有减小. TEM分析表明, 焊核区的析出相大部分溶解, 在随后的冷却过程中形成粗大的析出相, 而在热影响区析出大量的粗大平衡相. 在较低的焊接速度(80 mm/min)下, 接头在热影响区的硬度最低点发生断裂, 随搅拌头转速增加, 接头强度逐渐升高, 最高可达母材的87%, 延伸率约为10%. 而在较高的焊接速度(200 mm/min)下, 搅拌头转速较低时, 焊核区材料流动不充分, 样品在焊核处发生断裂, 强度较低, SEM分析表明, 断口出现材料流动不充分导致的缺陷; 随搅拌头转速增加, 断口处缺陷明显减少, 对强度影响不显著, 接头强度可达母材的84%.

使用Nd³⁺∶YAG脉冲激光器产生的脉冲能量为12.5 J, 频率10 Hz, 波长1064 nm的脉冲激光研究了强激光冲击下的Ti-6Al-4V合金表面响应, 用SEM和TEM及IFFT方法分析了激光冲击强化造成的微结构响应. 结果表明, 激光冲击可使Ti-6Al-4V合金表面硬度增加80%以上, 残余压应力达到500 MPa以上. 在激光冲击产生的超高能量和超高应变率作用下, 具有α/β两相结构的Ti-6Al-4V合金的激光冲击强化效应表现出明显的择优倾向, 在较低冲击能量下, β相优先获得形变强化; 在较高的冲击能量下, α和β相才能同时获得相当的形变强化, 且优先强化相出现过饱和强化现象. 位错增殖是冲击强化的主要微观机制, 增殖形式多为定向发射和位错偶极子, α和β相则以半共格方式协调形变; 在冲击强化区域内呈现应变屏蔽现象, 其源于形变缺陷的自组织, 是材料在激光冲击形变时的微观约束条件和激光冲击单点累积形变方式以及α/β两相的相间强度与结构差异共同作用所致.

采用Gleeble 3800热模拟机对Mg-6Zn-0.5Zr-0.5Ce镁合金进行了高温压缩变形实验, 分析了该合金在变形温度为523-673 K, 应变速率为0.001-1.0 s^-1条件下的流变应力变化规律. 结果表明, 变形温度和应变速率对流变应力具有显著影响, 流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而减小; 在较高变形温度和较小变形速率下, 流变应力随真应变的增加至峰值后即呈稳态流变特征. 采用双曲正弦函数拟合曲线, 确定了该合金的变形表观激活能为145.76 kJ/mol; 建立了可用于描述该镁合金的流变应力的单隐层前馈误差反向传播人工神经网络模型. 利用动态材料模型构建了热加工图, 结合组织观察认为, 该合金在648-673 K, 应变速率为0.1-1.0 s^-1条件下发生动态再结晶; 而同样应变速率下, 温度低于573 K时材料在变形过程中由于机械孪生导致开裂. 由交滑移所产生的机械回复位错控制着界面的形成, 且动态再结晶模型表明该合金再结晶主要受界面迁移所控制.

采用射频磁控溅射制备不同Mo含量的TiMoN薄膜. 利用XRD, SEM, EDS, 纳米压痕仪和高温摩擦磨损实验对薄膜的相结构, 形貌, 成分, 力学性能和摩擦磨损性能进行分析. 结果表明, TiMoN薄膜为fcc结构; 当Mo占金属元素总量的比例X<68.37%(原子分数)时, 薄膜主要为Mo在TiN中的置换固溶体; 当X>68.37%时, 薄膜主要为Ti在Mo₂N中的置换固溶体; 随Mo含量的增高, 择优取向发生改变, 晶粒尺寸逐渐减小, 薄膜的显微硬度显著升高, 最高达36.37 GPa, 摩擦系数逐渐降低, 并在X达到68.37%后稳定在0.4左右; 不同Mo含量的TiMoN薄膜的磨损率在10^-8-10^-6 mm²/N之间, 优于TiN薄膜. 基于晶体化学理论,对TiMoN薄膜低摩擦系数的原因进行了讨论.

以碱基对数为7.5 kB的大肠杆菌环状质粒DNA为模板, 通过紫外线辐射作用下的光化学反应方法制备了Ag纳米颗粒. 采用紫外--可见光吸收光谱, TEM和EDS等方法研究了辐射时间、溶液浓度等工艺条件对Ag纳米颗粒组成、形貌和结构的影响. 结果表明, 获得的Ag纳米颗粒为fcc结构, 颗粒直径为25-40 nm; 一定条件下, Ag纳米颗粒为环状, 中间孔洞直径为8-10 nm, Ag⁺与碱基对数摩尔比为4、辐射时间为40 min时, Ag纳米颗粒中环状结构最多.

在细菌浸出黄铜矿的过程中, 浸出速率缓慢的原因是矿物表面会形成一层阻碍矿物与浸出液之间物质交换的钝化膜, 这层膜的组成会随着浸出的进行而变化. 利用SEM, EDS, XRD和XPS等对细菌浸出黄铜矿的过程中, 矿物表面的形貌、组成及物相变化进行了研究. 结果表明, 黄铜矿在细菌浸出过程中依次形成了缺铁铜硫化物 Cu_1-xFe_1-yS_z(x<y), 单质硫晶体S⁰, 氧化铁, 羟基氧化铁和黄钾铁矾. 由于浸矿混合细菌ASH-07对硫的氧化作用, 硫化物层和单质硫层都是氧化膜形成过程中的中间产物, 致密的黄钾铁矾层则对黄铜矿的浸出产生钝化作用.