世界已逐渐进入以物联网和智能制造为主导的工业4.0时代,特别是人工智能和大数据处理的强烈需求,微纳米尺度器件的研发制造及广泛使用的日趋活跃使得小尺度材料得到广泛关注。由于这些材料的几何尺度和微观结构尺度的约束效应,其热疲劳损伤行为与块体材料不同。同时,材料尺度由微米向纳米量级的转变也会引起损伤机制的转变,使材料表现出不同的损伤形式,产生显著的尺寸效应。本文综述了近年来国内外开展的有关金属薄膜/线的热疲劳实验方法、热疲劳损伤行为及演化和热疲劳影响因素的研究进展,探讨了微纳米尺度金属材料热疲劳的微观机制和尺寸效应,并对这一领域的研究前景进行展望。

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。

研究了退火工艺对含Nb高强冷轧无取向硅钢组织、磁性能与力学性能的影响。退火温度升高与退火时间延长均可导致Nb在晶界处的偏聚减弱、富Nb析出相粒子的固溶与粗化,因此阻止晶界迁移的钉扎力降低,晶粒长大;富Nb相粒子粗化与晶粒长大均可降低铁损,但也同时使得强度显著降低。因此,含Nb高强冷轧无取向硅钢的磁性能与力学性能无法同时得到优化。当采用940 ℃保温270 s退火工艺后,Nb偏聚于该钢晶界并同时有大量富Nb相粒子析出,有效抑制了晶粒长大与γ织构的发展,可以在磁感和铁损尚未明显恶化的情况下,通过晶粒细化和析出强化有效提高该钢的屈服强度,达到该钢磁性能与力学性能的最佳匹配,此时磁感应强度B₅₀为1.690 T,铁损P_1.5/50为4.86 W/kg,P_1.0/400为30.47 W/kg,屈服强度为505 MPa,断后伸长率为17.55%。

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。

计算了GH536高温合金选区激光熔化(SLM)过程中熔池区域的温度场变化和凝固后残余应力分布。计算采用复合Gauss热源研究激光光学穿透深度的影响规律,通过研究材料属性随温度的变化关系实现粉层、熔池及固态金属的转化。实验结果表明,Gauss热源模型能够较好地模拟SLM过程中的温度场分布以及凝固后的残余应力。模拟结果显示,随着激光功率的增大,熔池宽度、深度和长度均相应增大,凝固速率减小;随着扫描速率增大,熔池宽度和深度减小,长度不变,凝固速率增大。计算结果表明,单层选区激光熔化的零件表面存在较大的拉应力,随着深度增大,拉应力迅速减小转为压应力。

利用SEM和EBSD技术研究了镍基690合金在715 ℃时效15 h后不同类型的三晶交界附近3个晶界上碳化物的析出形貌。结果表明：对于不同类型三晶交界处,Σ3_c晶界上析出的碳化物的形貌存在明显的差异,碳化物按照Σ3-Σ3-Σ9、Σ3-Σ9-Σ27、Σ3-Σ27-R、Σ3-R-R三晶交界顺序逐渐增多增大。Σ3_i和Σ9晶界上析出的碳化物的形貌在不同类型的三晶交界附近基本相似。Σ27晶界上碳化物的析出形貌在三晶交界处与晶界内部存在一定差异,三晶交界处析出的碳化物相对于晶界内部离散且大。当2条随机晶界与Σ3或Σ9晶界相连时,其中一条随机晶界上析出的碳化物比另一条上的小。

针对航空发动机压气机薄叶片激光冲击后残余压应力的严重松弛问题,对TC11钛合金薄壁试件激光冲击后进行轴向拉-拉疲劳实验和真空保温处理,通过X射线衍射测试获得疲劳载荷和热应力载荷作用下的应力松弛规律,并分析松弛机理。实验结果表明：疲劳载荷 (最大应力σ_max=500 MPa,应力比R=0.1)作用下表面残余压应力松弛了53%,前5次循环占了95%,且表面松弛程度和严重松弛深度都随疲劳载荷增大而增大,其松弛机理是局部材料发生塑性变形而引起的应力场重新分布。在200、300和400 ℃下恒定保温120 min后,表面残余压应力分别松弛了3%、29%和48%,而在200 ℃+400 ℃和300 ℃+400 ℃交替保温120 min后分别松弛了18%和58%,松弛均发生在前60 min内,且严重松弛深度随温度呈现相同变化规律,其松弛机理是热应力激活位错、晶界等进行运动和消亡而导致塑性回复。由于松弛机理不同,疲劳载荷与热应力载荷复合作用下应力松弛呈现出叠加效应。

采用低偏析异质籽晶法研究了定向凝固制备单晶高温合金时籽晶熔合区的形成机制,利用SEM和EPMA对籽晶熔合区的组织以及元素分布进行分析。结果表明,籽晶回熔平衡界面前沿存在一个无微观偏析的熔合区,该区域是凝固界面发生平面状-胞状失稳转变的过渡区。增加籽晶材料中W含量或提高定向凝固速率均会促进凝固界面的平面状-胞状失稳转变,且凝固速率的影响更显著。相比于传统籽晶法,低偏析异质籽晶熔合区内的平界面凝固能有效避免籽晶回熔界面的枝晶熔断和成分过冷导致的杂晶形核,从而提高单晶的引晶生长成功率。

通过控制直流电解沉积电解液温度制备出不同微观结构的块体纳米孪晶Cu样品。结果表明,当电解液温度由313 K降低至293 K,纳米孪晶Cu的平均晶粒尺寸由27.6 μm减小至2.8 μm,平均孪晶片层厚度由111 nm减小至28 nm。电化学测试表明,降低温度减缓了纳米孪晶Cu沉积的电化学过程,使阴极过电位增大,引起晶粒和孪晶的形核率增加,从而使晶粒尺寸和孪晶片层厚度同时减小。

采用数值模拟方法,通过改变坩埚长短轴比例R和电磁搅拌频率研究半固态A356铝合金浆料的流动规律,以及R对半固态A356铝合金浆料初生相组织的影响。结果表明：随着R增大,半固态A356铝合金在短轴上所受的最大电磁力和最大流速呈先增大后减小的趋势,在长轴上所受的最大电磁力和最大流速呈先增大后减小再增大的现象;频率越高,短轴和长轴上所受的电磁力差和流速差越明显,因而可使熔体流动时出现“加速-减速-加速”的循环运动现象。当电磁频率和R分别为30 Hz和1.1时,坩埚长轴和短轴上的最大流速分别为153.6和143.2 mm/s,流速差最小,此时可制备出较优的半固态A356铝合金浆料。

为了改善植入钛合金材料在人体环境中耐蚀性能,采用双阴极等离子反应溅射沉积方法,在医用Ti-6Al-4V钛合金表面制备了厚度为40 μm、平均晶粒尺寸为12.8 nm的Ta₂N纳米晶涂层。采用纳米压入仪、Vikers压痕仪和划痕仪考察了Ta₂N纳米晶涂层的硬度、弹性模量、韧性以及涂层与基体间的结合力。结果表明,Ta₂N涂层的硬度和弹性模量分别为(32.1±1.6) GPa和(294.8±4.2) GPa,涂层与基体的结合力为56 N;在压入载荷为0.49~9.8 N下,Vikers压痕表面以及横断面均未观察到微裂纹,反映其具有较高的压痕韧性。采用动电位极化、电化学阻抗谱、恒电位极化和电容测量(Mott-Schottky)等多种电化学表征技术,对Ta₂N涂层在Ringer's生理溶液中的电化学腐蚀行为进行了深入研究,并从钝化膜组成、致密性和半导体特性3个方面探讨了涂层的腐蚀防护机理。结果表明,在Ringer's生理溶液中,Ta₂N涂层表面形成的钝化膜更加致密,其腐蚀抗力明显优于Ti-6Al-4V合金。XPS分析结果表明,在较低的极化电位下,Ta₂N涂层的钝化膜主要由TaO_xN_y构成,随着外加极化电位的升高,其进一步氧化形成Ta₂O₅;电容测试结果表明,Ta₂N涂层表面所生成的钝化膜具有n型半导体特征,其施主浓度和载流子扩散系数明显低于Ti-6Al-4V 合金表面生成的钝化膜。

利用直流磁控溅射技术在Si基底上制备了NdFeB、CeFeB和NdFeB/CeFeB薄膜。XRD和磁滞回线结果表明,所制备的薄膜样品均具有良好的c轴取向,其中NdFeB单层薄膜垂直于薄膜表面方向的室温矫顽力\begin{array}{c}{H}_{c\perp }\end{array}达到1377.4 kA/m。研究了3种不同薄膜样品的磁黏滞系数S随温度(5~300 K) 的变化趋势,发现在低温(5 K)条件下,3种薄膜的S值非常接近,且都小于1,这是由于低温时薄膜晶格内的热起伏已经不足以使畴壁跃过位垒达到能量更小的位置。通过研究温度和外场对3种薄膜磁黏滞性的影响,发现NdFeB/CeFeB薄膜的磁黏滞系数更接近于CeFeB单层薄膜,且远小于NdFeB薄膜,说明通过双硬磁复合能够有效降低薄膜磁化强度对时间的依赖性,提高其时间稳定性。

以淬火态40CrNiMoA为基材,研究了靶功率密度对“热影响区”升温幅度、区域尺度及镀层结构的影响规律。结果表明,随着靶功率密度从20.61 W/cm²提高到143.01 W/cm²,不仅与镀层比邻的基体温度从310 ℃升高到525 ℃、“热影响区”的尺度从0.37 mm增加到2.51 mm,而且纯Ti镀层的择优取向由(002)转变为(110),平均晶粒尺寸由9.9 nm增大至19.5 nm,表面粗糙度先减小后增大。同时,当基体温度大于300 ℃时,镀层的内应力随着晶格微观缺陷的消除而释放。

建立了Cu-Al复合材料连铸成形的数值模拟模型,确定了模型的边界条件,提出了复合过程处理和结果评价方法。通过与部分实验结果对比表明,模拟结果与实验结果一致。以铜包铝棒坯立式连铸和Cu-Al复合板坯水平连铸过程为例,采用ProCAST软件对其稳态温度场进行了数值模拟分析,得到了各工艺参数对连铸过程的影响规律,给出了合理的工艺参数范围,并结合模拟的参数进行相应的实验研究。结果表明,本工作建立的连铸复合模型、确定的边界条件、提出的复合过程处理和结果评价方法合理,可有效用于连铸复合成形模拟分析。计算结果表明,制备横断面为100 mm×100 mm、Cu包覆层厚度(4~10 mm)的铜包铝棒坯可行的连铸工艺参数为：Cu液温度1250 ℃,Al液温度750 ℃,结晶器长度200 mm,芯棒管长度290 mm,一冷水流量1600~2000 L/h,二冷水流量900~1300 L/h,二冷水距结晶器出口距离30 mm,拉坯速率60~80 mm/min;制备厚度20 mm、宽度75 mm、Cu包覆层厚度(4~7 mm)的Cu-Al复合板坯可行的工艺参数为：Cu液温度1250 ℃,Al液温度760~800 ℃,拉坯速率40~80 mm/min,Al液导流管长度20 mm。