元胞自动机(CA)是一种高效且物理意义明确的模拟方法, 能够较准确地模拟合金的凝固组织演变过程. 本文简述了合金凝固过程CA模拟方法的基本原理, 综述了合金凝固组织演变CA模型的发展历程, 分析了现存的CA模型的特点, 展望了合金凝固CA模型的未来发展方向.

利用超快速冷却技术对碳素钢中渗碳体的纳米析出行为和强化作用进行了研究. 实验结果表明, 在超快速冷却条件下, 0.17%C和0.33%C钢的组织中形成了大量弥散的纳米级渗碳体析出, 颗粒尺寸为10~100 nm, 实现了在无微合金元素添加的条件下渗碳体的纳米级析出. 随着超快速冷却终冷温度的降低, 钢的屈服强度和抗拉强度都逐渐增加, 当超快速冷却的终冷温度从890 ℃下降到600 ℃时, 0.17%C和0.33%C钢的屈服强度提高超过了100 MPa. 在超快速冷却之后采用形变热处理工艺, 可以进一步增加钢的位错密度, 促进渗碳体均匀形核, 实现了纳米级渗碳体颗粒在整个组织中更加均匀弥散的分布, 从而更好地实现均匀强化的效果. 在超快速冷却和形变热处理工艺条件下, 0.17%C钢的屈服强度提高到600 MPa以上.

利用浸泡实验与电化学实验研究了低合金耐候钢Corten A和碳钢Q235在90 ℃地下水模拟溶液中的缝隙腐蚀行为. 采用SEM, EDS和Raman 光谱分析了缝内腐蚀产物膜的形貌和成分. 结果表明, 2种钢均发生了缝隙腐蚀, 且随着腐蚀时间的延长缝隙腐蚀越严重; Corten A的缝隙腐蚀比Q235严重; 在中性或偏酸性的溶液中, 耐候钢的耐腐蚀性能优于碳钢, 而在pH值为1的溶液中, 耐蚀性则相反; 合金元素Cr, Cu和Si对Corten A在溶液中的耐缝隙腐蚀性能不利.

采用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了拉拔过程中珠光体钢丝心部织构演变规律. 结果表明, 经过多道次干拉和淬火处理的钢丝存在强度较小的<110>丝织构, 经过湿拉拔后, <110>丝织构强度明显增加. 应用黏塑性自洽模型(VPSC), 建立了拉拔过程中钢丝心部织构计算模型, 预测了织构的演化规律, 并用虚拟的单向拉伸实验研究了初始织构对力学行为的影响. 预测结果与EBSD测试结果相符, 随着拉拔应变的增加, 晶粒的<110>取向逐渐转向拉拔方向. 在拉拔方向上的反极图中, 存在<113>和<012>连线上稳定的取向, 靠近<001>和<111>连线上的取向先转向到稳定取向再转向<110>取向, 其它取向直接转向<110>取向. 随着拉拔应变增加<110>丝织构的体积分数逐渐增加, 增加速率逐渐减小. 随着初始<110>丝织构体积分数的增加钢丝心部的屈服应力逐渐增加.

采用电化学技术(动电位极化曲线, 自腐蚀电位, EIS, Mott-Schottcky(MS)曲线及循环伏安曲线)和表面分析方法(SEM和原位Raman 光谱)研究了空冷20SiMn钢在pH值均为10.64的3种浓度的碳酸盐缓冲液和浓度恒定为0.437×10^-3 mol/L的NaOH溶液中的腐蚀行为. 结果表明, 20SiMn钢在NaOH溶液中发生了均匀腐蚀, 经Fe(OH)₂转变为最终产物a-Fe₂O₃和g-FeOOH; 在低浓度碳酸盐缓冲液中发生了局部腐蚀, 经绿锈GRs得到最终腐蚀产物a-Fe₂O₃和b-FeOOH; 在高浓度碳酸盐缓冲液中发生了钝化, 并且受可溶性离子Fe(CO₃)₂^2-的影响, 钝化膜的耐蚀性随碳酸盐总浓度的升高存在极值.

采用显微硬度测试、HRTEM和原子探针层析技术(APT)等测试手段分析了核元件燃料包壳备选材料LT24铝合金在180 ℃人工时效早期显微硬度、组织变化及析出序列中析出物的Mg与Si原子比(ρ). 结果表明, 在180 ℃时效初期, 合金的硬度显著增加, 析出高数量密度的溶质原子团簇和球状Guinier-Preston (GP)区; 时效4 h后达到硬度峰值, 析出物以高数量密度的针状β"相为主; 进一步时效, 合金处于一硬度平台, 析出物仍以β"相为主. 随时效时间的延长, 析出相逐渐长大, ρ逐渐增加, β"相中ρ在1.23~1.35之间, β"相对合金的强化起最重要作用. 在早期时效过程中合金析出物的析出序列为过饱和固溶体→溶质原子团簇→溶质原子团簇+GP区→溶质原子团簇+GP区+β"相.

采用等温热压缩实验, 通过计算和对比热激活参数, 并利用EBSD和TEM分析技术, 研究了2099合金在热变形过程中的动态软化机制. 基于Zener-Hollomon参数(Z)和变形温度(T)并结合对热激活参数与微观组织的分析, 给出了2099合金在热变形中的软化机制. 在lnZ≥35.5和T≤380 ℃范围内, 变形以位错的交滑移为主. 在lnZ≤37.4和T≥340 ℃范围内, 由位错的交滑移、攀移以及三维位错网脱缠等变形机制共同控制. 在lnZ≤35.1和T≥420 ℃范围内, 发生了动态再结晶, 此时以位错的交滑移、攀移、动态再结晶以及位错的脱钉为主要软化机制. 动态再结晶形核机制以晶界弓出和亚晶合并共存, 并随着变形温度的升高和应变速率的降低, 亚晶合并形核得到强化.

对热挤压、时效处理(T5态)及固溶+时效处理(T6态) Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金(质量分数)分别进行了低周疲劳实验, 探讨了热处理对合金低周疲劳变形行为的影响. 结果表明: 时效处理和固溶+时效处理可提高热挤压Mg-7%Zn-0.6%Zr-0.5%Y合金的循环变形抗力; 时效处理降低了合金的疲劳寿命, 固溶+时效处理可以提高合金在较高外加总应变幅下的疲劳寿命, 但降低合金在较低外加总应变幅下的低周疲劳寿命; 不同状态合金的弹性应变幅和塑性应变幅与载荷反向周次的关系可分别用Basquin和Coffin-Manson公式来描述; 时效及固溶+时效处理过程中形成的长周期堆垛有序结构(LPSO相)是合金的循环变形抗力大幅提高的主要原因, 而疲劳变形过程中形成的孪晶可能是时效态合金疲劳寿命降低的原因.

针对α/β型TC18钛合金大型锻棒中心与边部的性能差异, 利用EBSD技术研究了β相的组织差异、织构差异及形变程度差异, 并考察了β相的这些差异对遵循Burgers关系的α_p相取向及球化速率的影响. 结果表明, 锻态TC18钛合金中的β相处于不同程度的形变状态, 随位置不同而具有不同的织构, 中心位置β相具有再结晶织构<100>的特点, 并且存在显著的晶粒尺寸不均匀性, 这些因素对中心与边部的性能差异有主要贡献. α_p相的球化过程主要在β相晶内亚晶界上完成, 前期随形貌由片状向方块状的变化, 取向关系变化很小; 后期向球形过渡时, 取向关系偏差较大. β相晶粒内的取向差是衡量加工硬化对强度贡献的有效参数, 而α/β两相的取向关系与理想Burgers关系的偏差是揭示球化速度和形变β相晶粒回复程度的有效参数.

对2014-T6铝合金疲劳试样的缺口部位进行了阳极氧化处理, 表面氧化层厚度分别为5, 10和20 μm. 通过旋转弯曲疲劳试验机对阳极氧化处理前后的疲劳试样进行了疲劳实验. 分析了阳极氧化处理对该铝合金材料弯曲疲劳性能的影响, 并讨论了该材料的弯曲疲劳性能随着表面氧化层厚度增加的变化趋势. 结果表明, 在中低应力下, 阳极氧化处理降低该铝合金材料的弯曲疲劳寿命; 随着氧化层厚度增加, 疲劳裂纹起始位置从氧化层表面转移到铝合金基体表面, 材料的弯曲疲劳寿命降低, 但厚度增加到一定程度, 材料S-N曲线的倾斜部分随着氧化层厚度的继续增加基本保持不变.

为得到硅通孔电镀填充铜(TSV-Cu)的力学性能, 对TSV-Cu进行了Berkovich纳米压痕实验. 基于Oliver-Pharr算法和连续刚度法确定TSV-Cu的弹性模量和硬度分别为155.47 GPa和2.47 GPa; 采用有限元数值模拟对纳米压痕加载过程进行反演分析, 通过对比最大模拟载荷与最大实验载荷, 确定TSV-Cu的特征应力和特征应变; 由量纲函数确定的应变强化指数为0.4892; 将上述实验结果代入幂强化模型中, 确定TSV-Cu的屈服强度为47.91 MPa. 最终确定了TSV-Cu的幂函数型弹塑性应力-应变关系.

将主烧结曲线(MSC)理论应用于93W-5.6Ni-1.4Fe高比重合金的放电等离子烧结(SPS). 以加热速率100 ℃/min为临界点, 建立了2个不同加热速率阶段合金的主烧结曲线. 在2个不同加热速率阶段, 93W-5.6Ni-1.4Fe高比重合金的放电等离子烧结MSC曲线均可有效预测合金烧结全过程的致密化行为, 以及粉末压坯的收缩量和合金的最终烧结密度. 计算了93W-5.6Ni-1.4Fe高比重合金放电等离子烧结过程中的致密化函数c, 定量地证明了当加热速率大于100 ℃/min时, 随着温度升高, 合金的SPS致密化过程显著加快. 此外, 主烧结曲线理论计算得到的表观致密化激活能与采用Arrhenius公式计算所得到的致密化激活能基本一致.

对单晶高温合金DD6进行表面吹砂处理, 然后分别在1100, 1200和1300 ℃保温4 h, 研究了不同加热条件下DD6合金的再结晶组织及其对持久性能的影响. 结果表明, DD6合金吹砂试样1100 ℃加热4 h形成胞状再结晶组织, 胞状再结晶晶界前沿的基体中存在大量的位错缠结, 合金的持久寿命略微降低; 1200 ℃加热4 h形成胞状再结晶与等轴再结晶同时存在的混合型再结晶组织, 合金的持久寿命降低; 1300 ℃加热4 h形成等轴再结晶组织, 等轴再结晶晶界上发现碳化物析出, 合金的持久寿命严重降低. 带有等轴再结晶组织的持久试样的断口形貌为沿晶断口, 带有胞状再结晶组织的持久试样的断口形貌为韧窝断口, 带有再结晶组织的试样裂纹起源于再结晶晶界.

采用OM, SEM和TEM等手段, 分析了Nb/Ti 比对铸造镍基高温合金长期时效微观组织演化的影响. 结果表明, 在长期时效期间, Nb/Ti 比对γ'相形貌演化和粗化影响不大, 但对γ'相体积分数有一定影响. 初生MC中Nb/Ti 比和(Nb+Ti)/(W+Mo) 比与合金Nb/Ti 比具有很好的线性关系. 随合金Nb/Ti 比下降, 2 个比值线性下降, 使MC分解程度提高, 热稳定性降低; 但是, 2 个比值的显著改变并不能导致MC分解程度的大幅变化, 还存在其它因素对MC热稳定性具有重要影响. MC的分解程度可通过分解前后体积分数的变化来计算, 而热稳定性强弱则可由分解程度来定量表达. Nb/Ti 比降低, 晶界粗化更加严重, 晶界析出M₂₃C₆的倾向增大, 析出M₆C的倾向减小. 但是, 合金中μ相的析出演化行为并未受到Nb/Ti 比的明显影响.

采用普通重力铸造、挤压铸造和等温热处理半固态挤压的方法制备了原位Mg₂Si/Al复合材料, 研究了其组织演变和耐磨性. 结果表明, P孕育变质后,铸态组织中Mg₂Si增强相由粗大的枝晶转变为细小的块状,经过等温热处理后的半固态组织, Mg₂Si增强相分布均匀、尺寸细小,表现为规则的球形, α-Al的形貌也变得较为圆整, 表现为规则的球状或椭球状. 此外, 等温热处理的半固态组织中的Mg₂Si和α-Al尺寸还有较为明显的改变. 与普通重力铸造Mg₂Si/Al复合材料相比, 挤压铸造复合材料的HB硬度提高了23.5%, 半固态挤压复合材料的HB硬度提高了39%. 在相同磨粒尺寸和载荷条件下, 普通重力铸造复合材料的磨损率最大, 挤压铸造复合材料的磨损率次之, 半固态挤压复合材料的磨损率最小.

以氨酚醛树脂为黏合剂, 将掺Al的Co₃O₄粉末负载在SiC泡沫上, 再经H₂还原制备出SiC负载的钴基结构化催化剂. 采用XRD, SEM, N₂吸附-脱附和H₂吸附等手段, 研究了还原温度对涂层中Co晶粒的大小、相转化、微观结构以及吸附特性的影响, 并以NaBH₄水解放氢反应为探针反应, 研究了不同条件下制备的钴基结构化催化剂的催化活性. 结果表明, 随着还原温度的升高, 泡沫SiC表面涂层中活性组分Co的颗粒尺寸不断增大, 结晶性增强. 在120 ℃时, 活性组分颗粒表面的H₂化学等温吸附量随着还原温度的升高而降低, 其催化活性也呈现降低趋势. 当还原温度为400 ℃时, 其催化NaBH₄水解放氢的速率最大, 可达48.38 mL/(g·min).