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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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  2013年, 第49卷, 第5期 刊出日期:2013-05-11 上一期    下一期
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论文
连铸结晶器内氩气/钢液两相非稳态湍流特性的大涡模拟研究
刘中秋,李宝宽,姜茂发,张立,徐国栋
金属学报. 2013, 49 (5): 513-522.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00760
摘要   PDF (7358KB)

提出了一种连铸结晶器内氩气/钢液两相非稳态湍流流动的大涡模拟模型, 采用非齐次Euler-Euler双流体模型描述氩气/钢液两相流运动方程, 采用大涡模拟模型对湍流黏性力进行求解. 利用板坯探伤缺陷检测结果间接地验证了氩气/钢液两相非稳态湍流运动特征, 利用水模型实验结果验证了两相的非对称流动特征. 结果表明, 氩气泡的行为将直接影响结晶器内钢液的流动行为. 气泡在结晶器内的运动行为主要受吹Ar量和钢流量的影响, 其平均直径随着吹Ar量的增大而增大, 随着钢流量的增大而减小. 结晶器内的不对称流场具有不稳定性, 偏流是绝对的, 对称是暂时的、偶然的, 偏流的周期性不明显. 结晶器二冷区弯曲段的弧形形状对结晶器内部流场的影响较大, 偏流发生在弯曲段附近.

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镍基单晶高温合金再结晶过程模拟研究
吴春龙,许庆彦,熊继春,李忠林,李嘉荣,柳百成
金属学报. 2013, 49 (5): 523-529.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2013.00036
摘要   PDF (1856KB)

结合单晶高温合金各向异性的特点, 建立了基于应力应变和变形储存能的物理数学模型, 考虑了再结晶晶界迁移引起的晶粒长大过程. 针对单晶高温合金变形过程进行应力应变模拟, 考虑了不均匀变形对再结晶的影响, 计算储存能分布, 建立了再结晶临界储存能模型, 模拟了镍基单晶高温合金在局部变形后热处理过程发生的静态再结晶过程. 对DD6单晶高温合金试样表面进行冷变形处理, 分别置于1280 ℃温度下进行不同时间的热处理, 样品冷变形区域表面发生了不同程度的再结晶, 并且随着时间延长, 再结晶区域和晶粒尺寸逐渐增加. 通过2D数值模拟方法研究这一过程, 并将再结晶组织模拟结果与EBSD实验结果进行对比, 结果吻合较好, 表明借助于该模型能较好地模拟单晶高温合金的再结晶过程.

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hcp-Ti中辐照诱发缺陷演化及温度效应的分子动力学研究
姚曼,高晓,曾维鹏,王旭东,徐海譞,Simon R. Phillpot
金属学报. 2013, 49 (5): 530-536.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2013.00007
摘要   PDF (1858KB)

运用分子动力学方法研究了hcp-Ti中的级联碰撞. 建立晶体结构模型, 选取不同的初级碰撞原子方向和能量, 分别研究了级联碰撞中所产生的点缺陷的演化情况, 给出初始物理图景. 对级联碰撞中的两大特征分布“离位峰”及“热峰”进行分析, 定量讨论了损伤区瞬态温度分布, 局部“熔化区域”的变化, 辐照诱发峰值缺陷数和稳定缺陷数等, 为分析材料辐照损伤行为提供了数据. 本工作中运用的计算方法可作为研究材料辐照诱发缺陷形成微观机制的一个有效手段.

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偏晶合金在激光表面处理条件下的凝固行为研究
陈书,赵九洲
金属学报. 2013, 49 (5): 537-543.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2013.00014
摘要   PDF (2052KB)

开展了激光表面处理条件下Al-Pb合金的快速凝固实验, 获得了富Pb相粒子弥散分布于Al基体的合金表面层, 原合金表层内富Pb相粒子经激光表面处理后得到明显细化. 分析了激光表面处理层的凝固组织特征, 建立了激光表面处理条件下偏晶合金组织演变模型,模拟计算了Al-Pb偏晶合金表面处理层凝固组织形成的动力学过程. 实验和模拟相结合, 分析了合金表面处理层在升温熔化、富Pb相液滴溶解及熔体均匀化和冷却凝固过程中的组织演变为. 结果表明, 激光表面处理技术是获得富Pb相高度弥散分布的Al-Pb合金表面层的有效方法.

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模式螺旋磁场驱动金属液流动的研究
王松伟,王晓东,倪明玖,张新德,王增辉,那贤昭
金属学报. 2013, 49 (5): 544-552.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00690
摘要   PDF (5831KB)

研究了永磁体螺旋磁场作旋转运动, 驱动金属液所产生的三维流动行为. 采用超声波Doppler测速仪, 对金属液的流速进行了定量测量分析. 通过周期性改变螺旋磁场的旋转方向, 完全实现了频域模式变化的螺旋磁场. 研究了不同模式参数下, 金属液在圆柱形容器内周向和轴向流动速度的变化情况. 结果表明: 本实验条件下金属液的周向流动, 随着磁场的周期性换向也出现周期性的往返流动, 周向流速的幅值在模式周期Tm大于40 s后达饱和. 轴向流动是螺旋磁场的移动分量引发的轴向环流和旋转分量驱动的二次流共同作用的结果. 模式磁场作用下轴向流动存在最佳模式周期Tm*. 当模式周期小于Tm*时, 轴向流动出现了周期性的往返流; 大于Tm*时, 二次流开始形成并逐渐成为主要的流动形态.

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X80管线钢板中条串状CaO-Al2O3系非金属夹杂物的控制
王新华,李秀刚,李强,黄福祥,李海波,杨建
金属学报. 2013, 49 (5): 553-561.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00505
摘要   PDF (5133KB)

采用转炉-钢包精炼炉-RH真空精炼-钙处理炼钢工艺生产的X80管线钢板中, 条串状B类夹杂物主要为低熔点CaO-Al2O3,其成因主要为: (1) 炉外精炼和钙处理后, 钢液中存在许多微小CaO-Al2O3系液态夹杂物, 连铸过程聚集成较大尺寸夹杂物(10-20μm), 轧制过程中变形为大型条串状夹杂物. (2) 尺寸较大的夹杂物在钢液钙处理时, 外表层转变为高熔点CaO, CaS或CaO-CaS系, 但内部仍为低熔点的CaO-Al2O3, 此类夹杂物在钢板轧制时, 内部仍能够变形, 最终延展为条串状夹杂物. 对X80管线钢板B类夹杂物的控制采用新的策略, 将控制重点由钢液钙处理后去除低熔点CaO-Al2O3系夹杂物, 改为在钙处理前强化去除钢液中夹杂物, 尤其是较大尺寸的夹杂物. 采取新控制策略后, 真空精炼后夹杂物数量大幅度降低, 钙处理效果显著提高, 钢板中检测到的夹杂物全部为高熔点CaO-CaS系夹杂,B类夹杂物评级由以往低于2.0级降低至0级.

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Fe-3.15%Si低温取向硅钢不同常化工艺下的组织及析出相研究
李慧,冯运莉,齐雪京,苍大强,梁精龙
金属学报. 2013, 49 (5): 562-568.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00644
摘要   PDF (3841KB)

利用OM, TEM, EDS与XRD技术, 对Fe-3.15%Si低温取向硅钢热轧板不同常化处理后的显微组织、析出相及最终产品的磁性能进行了分析研究, 并对热轧板和常化板经过冷轧后的冷轧板织构进行了对比分析. 结果表明, 采用1120 ℃保温3 min二段式冷却的常化处理工艺, 常化板表层显微组织均匀, 沿板厚方向的显微组织的不均匀性显著, 对后续过程中形成高取向的Goss织构最有利, 取向硅钢的磁性能最高; 采用二段式冷却的常化冷却工艺最优, 在此冷却工艺下析出的细小的析出物数量最多,且弥散分布在基体中, 抑制剂的抑制效果最好, 对成品获得高磁性最有利; 热轧板、常化板经过冷轧后的冷轧板织构均主要由{111}<110>和{111}<112>织构组成, 但常化板较热轧板冷轧后的冷轧板γ取向线织构密度明显增高, 由此可以证实常化处理有助于取向硅钢最终获得高取向的Goss织构.

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Cu和Ni低碳高强度钢等时回火析出富Cu相的研究
余锡模,赵世金
金属学报. 2013, 49 (5): 569-575.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00666
摘要   PDF (2789KB)

用显微硬度计、HRTEM和三维原子探针(3DAP)对含Cu和Ni低碳高强度钢等时回火析出的富Cu相进行了研究.结果表明: 回火过程中,基体发生软化, 富Cu相析出, 板条状马氏体逐渐转变成多边形状铁素体; 在500 ℃时富Cu相强化作用达到最大值; 设置不同的Cu等浓度值时, 在400-500 ℃富Cu相的数量变化幅度大, 在500-650 ℃富Cu相的数量基本不变; 在晶界处发生C, Mo, P和Cu的偏聚; 晶界处Cu浓度高于基体, 为富Cu相的形核和长大提供了有利条件; 在析出的富Cu相与基体的过渡层上发生Ni, Mn和Al的偏聚, 这些偏聚元素与富Cu相核心共同形成核-壳结构.

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X100高强管线钢焊接接头的断裂韧性
毕宗岳,杨军,牛靖,张建勋
金属学报. 2013, 49 (5): 576-582.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00703
摘要   PDF (3553KB)

采用裂纹尖端张开位移(CTOD)实验对X100高强管线钢焊接接头母材、焊缝和热影响区(HAZ)进行了断裂韧性测试研究, 并使用SEM和TEM对CTOD试样近断口区组织及夹杂物进行了观察. 结果表明, 温度对X100高强管线钢焊接接头断裂韧性有显著影响. 在同一温度下, 条件启裂值δ0.2δ0.2BL均呈现母材最大、热影响区次之、焊缝最小, 即母材低温断裂韧性最优、热影响区次之、焊缝最差, 但随温度降低, 其断裂韧性均下降. 母材试样近断口区显微组织为粒状贝氏体(GB)和少量准多边形铁素体(QF)及板条贝氏体铁素体(BF), 细小粒状M-A组元弥散分布于贝氏体铁素体板条界; 焊缝试样近断口区组织为针状铁素体(AF), M-A组元形态多样, 尖角明显; 热影响区粗晶区近断口组织为粒状贝氏体和平行排列的板条状贝氏体铁素体, M-A组元呈方形、楔形、条形分布于晶内、晶界和板条界处. 大尺寸尖角型M--A组元是导致焊缝和热影响区粗晶区断裂韧性差的主要原因之一, 而较高的夹杂物分布则使焊缝具有较低的断裂韧性.

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奥氏体化与冷却速率对过共析钢组织的影响
李俊杰,Godfrey Andrew,刘伟
金属学报. 2013, 49 (5): 583-592.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00699
摘要   PDF (4049KB)

通过使用热膨胀仪模拟奥氏体化与连续冷却过程, 研究了一种过共析钢在连续冷却条件下奥氏体化与冷却速率对于先共析渗碳体及珠光体片间距的影响规律. 结果表明: 提高连续冷却速率、延长奥氏体化时间或者提高奥氏体化温度均可以降低相变温度, 扩大相变温度区间, 细化珠光体片间距, 使先共析渗碳体厚度变薄或变得不连续. 然而, 过度地提高冷却速率或者奥氏体化温度会导致出现马氏体,破坏组织的均匀性; 通过控制合适的奥氏体化温度和冷却速率, 大幅度延长奥氏体化时间得到了细化的全珠光体组织, 并从C原子扩散和形核生长的角度对实验现象进行了理论解释.

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CeO2/ZrO2-Y2O3纳米结构热障涂层的高温稳定性及耐腐蚀性能
宫文彪,李任伟,李于朋,孙大千,王文权
金属学报. 2013, 49 (5): 593-598.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00702
摘要   PDF (1580KB)

采用等离子喷涂方法(APS)在GH30高温合金表面分别制备了纳米ZrO2-8%Y2O3 (YSZ, 质量分数)和掺杂25%(质量分数)纳米CeO2的三元CeO2/ZrO2-8%Y2O3(CSZ)热障涂层. 使用FESEM和XRD分析了涂层的微观组织, 研究了CSZ涂层在1100 ℃加热条件下分别保温不同时间及固定加热时间10 h, 改变加热温度时涂层晶粒尺寸的变化情况, 测试了2种涂层在高温下的耐Na2SO4熔盐腐蚀能力. 结果表明, CSZ涂层在高温长时间加热时, 平均晶粒尺寸从喷涂态的45 nm增至63 nm, 变化较小, 在900 ℃, Na2SO4熔盐腐蚀条件下长时间加热无m-ZrO2相析出, 耐蚀性能要高于YSZ涂层.

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异步轧制纯Ti薄板表面纳米晶的形成
刘刚,刘金阳,王小兰,王福会,赵骧,左良
金属学报. 2013, 49 (5): 599-604.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00733
摘要   PDF (2081KB)

对工业纯Ti板材进行异步轧制, 在板材表面获得纳米晶组织, 对显微组织演变和硬度沿板材深度的分布进行了测试分析. 结果表明, 经过异步轧制后, 工业纯Ti表面形成了等轴状、尺寸介于30-60 nm的纳米晶组织, 证明异步轧制可以使大尺寸金属板材在轧制过程中实现表面纳米化. 异步轧制板材表面纳米晶的形成过程包括: 在外力的反复作用下, 位错密度升高, 并通过滑移、湮灭和重组形成了亚微米尺度的位错胞/亚微晶. 随着轧制道次和压下量的增加, 高密度位错重复上述过程使晶粒尺寸不断减小、取向差持续增大, 最终形成等轴状、具有中等到大角度晶界的纳米晶组织. 表面梯度层在轧制初期形成, 其厚度随着压下量增加而逐渐增大, 层内硬度变化与晶粒尺寸密切相关.

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激光成形修复2Cr13不锈钢热影响区的组织研究
徐庆东,林鑫,宋梦华,杨海欧,黄卫东
金属学报. 2013, 49 (5): 605-613.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00708
摘要   PDF (5423KB)

对激光成形修复2Cr13不锈钢热影响区分别进行了单道单层、多道单层、单道多层和多道多层4种形式的修复实验.通过金相观察和硬度测试确定了激光成形修复区域的组织特征, 结合热影响区温度场模拟分析了组织形成机理.结果表明: 热影响区内微观组织从基材到修复区底部呈现连续性变化, 其中, 主要相结构经历了α铁素体→α铁素体+少量马氏体→马氏体+少量α铁素体→马氏体的转变,马氏体的出现导致硬度快速上升; 同时, 原M23C6型碳化物逐渐溶解, 直至消失, 且晶内碳化物先于晶界碳化物发生溶解;伴随碳化物的溶解逐渐出现δ铁素体;随着趋近修复区底部, δ铁素体逐渐增多、长大并连成骨架; 当沉积层数增加后, 硬度峰值随之下降, 在热影响区中部的部分区域会出现晶粒细化, 且热影响区顶部的晶界逐渐开始析出碳化物, 同时, δ铁素体骨架逐步被晶界打断.

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不锈钢表层对空化与电化学腐蚀交互作用的纳米力学响应
张茹,沈汉杰,张雅琴,李栋梁,李彦嘉,雍兴跃
金属学报. 2013, 49 (5): 614-620.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00716
摘要   PDF (1089KB)

采用纳米压入测试技术, 研究了阳极极化对空化作用下奥氏体不锈钢表层力学性能(纳米硬度Hnano和纳米弹性模量Enano)的影响, 并结合失重法与腐蚀形貌分析, 探讨了阳极极化对空泡腐蚀过程中协同效应机制的作用. 同时, 将表层平均纳米硬度与平均纳米弹性模量的比值定义为表层综合力学性能参数(H/E)nano. 结果表明, 在不同的阳极极化条件下, 空泡腐蚀试样表层纳米硬度、弹性模量和表层综合纳米力学参数的演化规律存在很大差异. 随着阳极极化电流增大, 表层纳米硬度和表层综合纳米力学参数逐渐减小, 表层纳米弹性模量逐渐增大. 在空化作用下, 当阳极极化处于钝化区时, 其协同效应主要为空泡磨损起作用; 当阳极极化处于钝化开始向过钝化状态转变时, 其协同效应机制为腐蚀引起的磨损过程控制; 一旦处于过钝化区, 其协同效应则主要为磨损引起的腐蚀过程控制. 奥氏体不锈钢表层纳米硬度是决定耐空泡腐蚀性能的关键因素. 在空化与电化学腐蚀的交互作用过程中, 随着电化学腐蚀增大, 腐蚀引起的磨损失重量增大, 即非Faraday失重增大, 腐蚀表面也因此呈现坑、点、沟槽状的形貌特征.

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Al和Zn对铸造Mg-5Sn合金微观组织和力学性能的影响
董旭光,付俊伟,杨院生
金属学报. 2013, 49 (5): 621-628.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2012.00720
摘要   PDF (3870KB)

根据合金成分设计, 在Mg-5Sn铸造合金中逐步添加2%Al及4%Zn(质量分数), 实验结果表明,单独添加Al后, 一次枝晶尺寸减小, 且二次臂变的更加细密, 合金的延伸率从6.6%提高到22.4%; Al和Zn复合添加后, 长程枝晶转变为较为圆整的蔷薇状, 在合金中生成了Mg32(Al, Zn)49,合金的屈服强度和抗拉强度分别达到96和232 MPa, 但延伸率则下降到14.8%. 通过固溶时效处理,Mg-5Sn-4Zn-2Al合金在175 ℃时效24 h后达到硬度峰值83.5 HV, 其晶内析出相由沿[0001]晶向分布的MgZn2和块状的Mg2Sn相组成, 对应的室温屈服和抗拉强度分别提升到144和264 MPa; 在150 ℃下其屈服强度仍可达到138 MPa, 这表明合金的晶内析出的MgZn2Mg2Sn相在高温下仍具有良好的强化作用.

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热氧化法制备超疏水Ti表面及其耐腐蚀性
康志新,郭明杰
金属学报. 2013, 49 (5): 629-634.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2013.00027
摘要   PDF (1424KB)

利用简单的热氧化法制备了具有微/纳双尺度粗糙结构的多孔Ti表面, 经自组装分子膜修饰后使纯Ti表面实现了超疏水特性. 利用XRD,FE-SEM, XPS, 光学视频接触角仪、腐蚀溶液浸泡及动电位极化法对TO-OTS超疏水膜进行表征及分析. 结果表明: 热氧化后的微/纳双尺度粗糙结构赋予TO-OTS优越的低黏附超疏水性能, 其静态接触角达166.0°, 滚动角低至2.0°, 对强酸强碱溶液和某些盐溶液都具有超疏性, 更可抵抗氢氟酸溶液对Ti基底的腐蚀. 动电位极化分析结果显示, TO-OTS超疏水膜显著提高了Ti在3.5%NaCl溶液中的耐腐蚀性能, 保护效率达到99.1%.

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电流密度对直流电解沉积纳米孪晶Cu微观结构的影响
金帅,潘庆松,卢磊
金属学报. 2013, 49 (5): 635-640.  
摘要   PDF (2175KB)

采用直流电解沉积技术, 制备出具有高密度择优取向的纳米孪晶结构块体Cu样品. 样品由微米级柱状晶粒构成, 晶粒内有高密度的平行于生长基面的共格孪晶界面. 研究发现, 电流密度对于纳米孪晶Cu的晶粒尺寸有明显影响, 但对其织构和孪晶片层厚度影响不大.当电流密度从10 mA/cm2增加到30 mA/cm2, 纳米孪晶Cu的平均晶粒尺寸从10.1μm减小到4.2μm, 孪晶片层厚度为30-50 nm. 其原因是随电流密度的增加, 阴极的过电位增大, 从而使晶粒细化.

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