通过对X80管线钢进行固体渗碳模拟焊接接头区域的Fe₃C和退化珠光体组织,采用扫描Kelvin探针(SKP)、扫描振动参比电极(SVP)和局部电化学交流阻抗谱(LEIS)结合浸泡实验分析了Fe₃C和珠光体对铁素体钢表面电化学性能以及在鹰潭土壤模拟溶液中的局部腐蚀发生规律的影响. 结果表明, 退化珠光体组织在空气(湿度为40\%, 温度为22 ℃)中的腐蚀电位低于贝氏体铁素体, 并且随着Fe₃C含量的增加, 腐蚀电位降低; 渗碳试样在鹰潭模拟溶液中发生局部腐蚀,中心铁素体区为整个材料电偶腐蚀的阴极, 退化珠光体和退化珠光体/贝氏体铁素体区为阳极, 随着Fe₃C含量的增加, 阳极溶解电流密度增大；模拟溶液各离子含量成倍增加后, 退化珠光体的阳极电流密度升高, 电化学交流阻抗值降低, 局部腐蚀效应增大.

使用Gleeble-3800热模拟试验机模拟单道次焊接条件下大厚度(50 mm)F460钢板热影响区(HAZ)热循环过程, 通过OM, SEM, EBSD和TEM研究了HAZ的显微组织随热输入($E$)的演化规律. 测试了不同E下HAZ的室温硬度(HV),在-40和-60 ℃下进行了Charpy冲击示波实验(CVN). 当E=15 kJ/cm时,显微组织为高位错密度板条马氏体(LM), 板条间呈现出大取向差,板条间存在细小片状马氏体/奥氏体(M/A)组元. 当E=30 kJ/cm时, 板条贝氏体(LB)形成,随着E提高至50 kJ/cm, 板条宽度增大, 且有粒状贝氏体(GB)形成,大角度晶界减少, M/A组元粗化. 当E为100-300 kJ/cm时, HAZ的显微组织由GB+上贝氏体(UB)+准多边形铁素体(QPF)构成, 组织均匀性恶化.HAZ的硬度、CVN最大载荷(P_m)、脆性断裂止裂载荷(P_a)、脆性断裂裂纹扩展速率、CVN载荷降至0时的位移(d₀)等均随着E的增加而降低.脆断单元解理面尺寸随$E$的提高而逐渐增大, 从而揭示HAZ铁素体等效晶粒尺寸随E的提高而增大、低温韧性随E的提高而降低的规律. E不高于30 kJ/cm时,在-60 ℃下的HAZ与母材的韧性相匹配.

以激光焊接平面环形结构时, 在首尾段重叠焊接部分发生的凝固热裂纹为例,采用实验和数值模拟相结合的手段, 从冶金和力学2个方面综合研究了环形焊缝凝固热裂纹的发生机理. 对凝固热裂纹附近的微观组织进行观察,并用电子背散射衍射对裂纹附近晶粒尺寸进行测量, 发现重叠焊缝中心部位晶粒粗大, 而粗大晶粒导致焊缝金属凝固时韧性下降. 利用有限元数值模拟对平面环形结构激光焊接过程的温度场和应变场进行计算, 与单道焊接相比,重叠焊接的焊缝金属在凝固温度区间内冷却速率较低, 应变随温度的变化速率较低,产生热裂纹的力学驱动力相应较弱. 因此, 重叠焊接部分晶粒粗大化导致的低韧性是平面环形激光焊缝凝固热裂纹发生的主要原因.

采用液态金属冷却(LMC)高温度梯度定向凝固炉制备<001>和<011>取向的DD407单晶高温合金, 研究了晶体取向对枝晶间距和微观偏析的影响. 结果表明, 晶体取向对单晶高温合金的枝晶间距和微观偏析有明显的影响. 枝晶间距随着<001>取向偏差角的增加而增加,但随<011>取向偏差角的增加而减小,且<011>取向的枝晶间距因为侧枝的分枝而明显大于<001>取向. 成分分析表明, 在不同取向的单晶中, Al,Ti和Ta富集于枝晶间, 是正偏析元素, 而W严重富集于枝晶干, 为负偏析元素,当<011>取向平行轴向时元素的偏析程度最轻.

采用选晶法在改进的Bridgman定向凝固炉上进行镍基单晶高温合金DD3定向凝固实验,研究了选晶法制备镍基单晶高温合金过程中晶粒组织演化和螺旋选晶行为, 采用电子背散射衍射(EBSD)技术对晶粒的竞争过程进行分析. 结果表明,选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向, 获得取向良好的<001>定向凝固组织. 在距激冷板36.1 mm处, 90%的<001>取向晶粒与轴向偏离小于10°, 只有很少的晶粒取向与轴向偏离大于12°. 螺旋选晶段的主要作用是确保只有一个晶粒进入型腔, 在选晶段沿螺旋方向攀旋一周时就可获得单晶组织. 选晶过程中, 远离选晶器螺旋通道内侧的晶粒由于受到螺旋通道较强的几何约束, 进而被靠近螺旋通道内侧的晶粒所淘汰. 螺旋选晶器的狭窄通道对枝晶生长的阻碍作用是实现螺旋选晶的主要原因.

采用XRD, SEM和TEM研究了TC16钛合金在700-900℃固溶后淬火的显微组织和相组成, 以及淬火温度对拉伸性能的影响. 结果表明, 在700和750℃淬火, TC16钛合金由初生α相、亚稳β相和微量ω相组成; 随着淬火温度的升高, 合金出现了β→α''的马氏体相变; 从β单相区淬火,合金由α''马氏体组成. 拉伸实验表明, 拉伸过程中亚稳组织试样出现应力诱发α''马氏体相转变, 导致屈服强度降低.

采用感应熔炼气体雾化法制备了TiAl预合金粉末. 粉末粒度主要分布在100-250 μm, 呈正态分布, 粉末平均粒度为120.7 μm. TiAl预合金粉末的相组成与粒度分布有关, γ相所占比例越高, 预合金粉末粒度越大. 小粒度的预合金粉末主要由α₂相组成; 预合金粉末在温度高于500℃时效处理, 发生α₂→γ转变. TiAl预合金粉末相组成不同会产生后续热等静压组织局部粗化现象. XPS结果表明TiAl预合金粉末颗粒表面形成Al₂O₃和TiO₂薄膜.

研究了形变热处理(TMT: 固溶-淬火-预析出-轧制)Al-7.81Zn-1.81Mg-1.62Cu合金板材中MgZn₂等第二相粒子的析出形貌和数量及其对板材组织、织构和硬度的影响. 结果表明, 在TMT过程中形成的纳米/亚微米尺寸MgZn₂粒子,在固溶处理过程中对亚晶界/晶界迁移形成了强烈的阻碍作用, 但不会诱发粒子激发形核(PSN)再结晶. 在本文实验条件下, 合适的TMT制度可大幅降低材料的再结晶分数, 载荷为29.4 kN的Vickers硬度由176 HV提高至203 HV(提高了约15%).

采用Nd:YAG激光和光纤激光焊接了Ti-50.7%Ni(原子分数)记忆合金, 利用DSC, SEM和EDS对焊缝金属相变温度的变化规律和影响因素进行了分析, 并对焊接接头的记忆功能进行了研究. 结果表明, 不同焊接工艺参数的焊缝金属与母材相比,相变温度有明显差异, 产生差异的主要原因是组织的不同和基体Ni含量的差别. 基体Ni含量与C, O, N的含量、富Ni沉淀相尺寸和数量以及焊接过程中Ni的烧损有关.低热输入、高激光功率密度的焊缝金属, 基体Ni含量高, 相变温度偏离母材的程度更大.焊缝金属相变温度的变化使得焊接接头形状恢复温度区间明显不同于母材, 对其使用性能产生不利影响.

以水银为介质, 通过物理模拟实验考察射流型磁场排布方式对中厚板坯连铸结晶器内流场的控制. 采用超声波Doppler测速仪测量有、无磁场下的结晶器内液态金属流速, 研究磁场排布和强度对水口出流、结晶器内流动、液面流动、结晶器窄面模壁的冲刷作用等的影响. 实验显示, 射流型磁场排布方式使水口出流流速受到比通常磁场排布方式更强的抑制作用, 使其在撞击结晶器窄壁前发生分散,可使上环流流速增强, 下环流减弱直至消失, 直接形成活塞流形式; 同时, 还改善了弯月面处流动情况. 相比于工业生产中的全幅一段电磁制动技术,射流型磁体排布方式的电磁制动在水口出流、液面处流动方面具有更强的制动作用.

考虑金属材料晶体细观塑性变形流动的各向异性性质以及晶体滑移的非线性运动硬化,以Voronoi多晶集合体作为材料的代表性单元(RVE), 用晶体塑性模型描述金属材料的细观本构关系, 对多晶纯Cu进行了晶粒尺度的对称应变循环细观分析.证实了本文模型和方法可以用于描述多晶金属材料不同应变幅的循环滞回特性,并可以用于估计金属材料在循环加载过程中后继屈服面形状和曲率与预加载方向相关的变化. 分析发现: 在对称应变循环中, 随循环数增加, 多晶材料宏观拉伸方向的内部细观应变分量的统计变异系数(COV)不断增加, 材料内部晶格的不均匀细观转动也越来越显著. 这些结果表明, 循环过程中应变分布差异和晶格转动差异逐渐增大,从而导致材料内部微结构越来越不均匀.

采用晶体相场模型模拟了对称倾侧亚晶界结构及其在应力作用下的湮没机制,并从位错运动和能量角度对湮没机制进行分析, 此外还分别讨论了温度、位向差和应力方向对亚晶界湮没的影响. 研究表明, 亚晶界是由呈一定角度的双位错组垂直分布组成的; 亚晶界的湮没过程包括4个阶段:位错的攀移, 位错的分离与攀滑移, 位错的再次攀移和再次分离、攀滑移;温度的降低阻碍亚晶界的湮没; 位向差小的亚晶界先于位向差大的亚晶界湮没,且湮没速度较快;亚晶界上应力方向的改变会引起湮没过程中位错运动方向发生改变,从而影响亚晶界的湮没, 压应力有利于亚晶界的湮没.

建立了多组元梯度硬质合金W-C-Co-Ti-Ta-Nb-N体系的热力学和扩散动力学数据库, 采用Thermo-Calc相图热力学计算软件描述了梯度烧结过程中出现的各相及其成分,并采用DICTRA扩散动力学软件对WC-Ti(C, N)-Co, WC-Ti(C, N)-TaC-Co和WC-Ti(C, N)-NbC-Co合金梯度层的各相体积分数及各组元成分随距离的分布进行了计算机模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好. 在热力学和扩散动力学数据库基础上制备了WC-(Ti, W)C-Ti(C, N)-(Ta, Nb)C-Co合金, 采用SEM观察梯度层的显微结构, 利用EDS分析合金组元分布, 并对合金梯度层的形成进行了计算模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.

采用基于密度泛函理论的CASTEP和DMOL程序软件包, 计算了Mg₁₇Al₁₂, Al₂Sr和Mg₂Sr相的结构稳定性、弹性性能和电子结构. 合金形成热和结合能的计算结果显示, Al₂Sr具有最强的合金化形成能力和结构稳定性.Gibbs自由能的计算结果表明, 随着温度的升高, Mg₁₇Al₁₂, Al₂Sr和Mg₂Sr的结构稳定性发生了变化, 在实际工作温度高于423 K以上时,Al₂Sr的结构稳定性最好, Sr合金化Mg-Al基合金形成Al₂Sr有利于提高镁合金的高温抗蠕变性能. 体模量(B)、弹性各向异性系数(A)、Young's模量(E)、剪切模量(G)和Poisson比($\nu$)的计算结果表明, Mg₂Sr为延性相, 而Mg₁₇Al₁₂和Al₂Sr为脆性相, Mg₂Sr的塑性最好.态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明, Al₂Sr结构最稳定的原因主要源于体系存在强烈的共价键作用, 而Mg₁₇Al₁₂结构稳定性优于Mg₂Sr是体系中离子键与共价键共同作用的结果.

在除O₂的0.1 mol/L NaHCO₃, 0.1 mol/L NaHCO₃+0.1 mol/LNa₂SO₄以及0.1 mol/L NaHCO₃+0.1 mol/L NaCl溶液中,用恒电位法在低碳钢电极表面制备腐蚀产物, 并原位监测低碳钢的开路电位,用SEM观察腐蚀形貌, 用XRD确定腐蚀产物的相组成. 结果表明,在0.1 mol/L NaHCO₃溶液中, 低碳钢的开路电位最终处于再钝化区间,其表面未观察到明显的腐蚀现象; 在0.1 mol/L NaHCO₃+0.1 mol/L Na₂SO₄溶液中, 低碳钢的开路电位最终处于再活化区间, 其表面发生均匀腐蚀; 在0.1 mol/L NaHCO₃+0.1 mol/L NaCl溶液中, 低碳钢的开路电位最终亦处于再活化区间, 而其表面却发生局部腐蚀. XRD结果表明, 低碳钢表面的腐蚀产物主要为 Fe₃O₄和α-FeOOH.

通过人工海水的盐雾干-湿实验模拟海洋大气环境, 研究了Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.01Ga合金的腐蚀行为. 采用SEM和XPS分析了合金表面腐蚀形貌及腐蚀产物成分, 采用XRD分析了腐蚀产物的结构. 结果表明: Sn-0.7Cu合金腐蚀初期发生明显的点蚀, 点蚀易于在富Cu区萌生, 且以触须状向外扩展;腐蚀后期腐蚀产物分层, 龟裂且易于剥落, 此时腐蚀产物不具有保护性. XRD分析表明, 腐蚀产物主要为非晶态Sn的氧化物, 同时有少量的SnCl₂•2H₂O;微量元素Ga能显著提高Sn-0.7Cu合金的抗盐雾腐蚀性能. XPS分析表明, 微量元素Ga在表面存在明显的富集行为, 并形成一种致密的保护性氧化膜,它是提高Sn-0.7Cu合金抗盐雾腐蚀性能的主要原因.

利用冲击实验、拉伸实验、XRD和TEM对2种不同N含量的无Ni高N奥氏体不锈钢低温变形行为进行了研究. 结果表明, 高N奥氏体不锈钢在低温下发生明显的韧脆转变和加工硬化现象. 在实验材料的Mn含量水平内, 提高Mn含量能够改善高N奥氏体不锈钢的低温塑性和韧性, 降低其韧脆转变温度. 18Cr-12Mn-0.55N钢在低温拉伸变形时会发生形变诱导马氏体相变, 但马氏体转变量很少,降低温度对马氏体转变量无明显影响. 形变诱导马氏体能提高高N奥氏体不锈钢的加工硬化能力, 但降低了钢的低温塑性和韧性. 加工硬化能力和层错能随温度的降低而降低是Fe-Cr-Mn高N奥氏体不锈钢在低温下发生脆断的主要原因.

采用真空感应熔炼法制备了Fe-30Mn-1C合金, 研究了其力学性能、磁性、模拟体液中的降解速度以及体外生物相容性. 研究结果表明, 与Fe-30Mn合金和316L不锈钢相比, C的加入提高了铁基合金的力学性能, 使材料兼具高强度和高塑性,并进一步降低了材料的磁性, 使其具有更优良的核磁共振(MRI)兼容性.电化学阻抗谱(EIS)结果表明, 材料的极化电阻降低, 浸泡实验也证实材料的降解速度得到提高. 体外生物相容性研究结果表明, Fe-30Mn-1C合金同时具有优异的抗溶血、凝血、血小板黏附性能, 以及良好的细胞相容性, 满足对医用植入材料的基本要求.

利用纳米压痕实验以及四探针法, 系统研究了相同层厚Cu/X(X=Cr, Nb)纳米金属多层膜的力学性能(强/硬度)和电学性能(电阻率)的尺度依赖性. 微观分析表明: Cu/X(多层膜调制结构清晰, Cu层沿{111}面择优生长, X(层沿{110}面择优生长.纳米压入结果表明, Cu/X(多层膜的强度依赖于调制周期, 并随调制周期的减小而增加. 多层膜变形机制在临界调制周期(λ^c≈25 nm)由Cu层内单根位错滑移转变为位错切割界面. 多层膜的电阻率不仅与表面/界面以及晶界散射相关, 而且在小尺度下受界面条件显著影响. 通过修正的FS-MS模型可以量化界面效应对多层膜电阻率的影响. Cu/$X$纳米多层膜可以通过调控微观结构实现强度-电导率的合理匹配.