本文简述了国内外高强铝合金发展的理论基础及其材料的制备加工技术. 针对大规格高性能铝合金材料的成分设计、熔炼、均匀化、固溶、淬火、预拉伸以及时效各工序的相关技术的研究热点和发展进行了介绍和讨论. 并对我国该类铝合金及其发展和应用提出了建议.

应用Maxwell 2D软件模拟了电磁结晶器中磁感应强度及其随电流频率的变化规律, 研究了低频率电磁搅拌下A356-Y合金中RE在合金熔体中的分布规律以及对合金凝固组织的影响. 结果表明, 在工频以下的低频率段, 通过数值模拟获得了磁感应强度较强的电流频率; 在这个电流频率下, 利用电磁搅拌制备了半固态A356-Y合金浆料, 其中初生相的等积圆直径和形状因子分别达到65 mm以下和0.80以上, 可满足半固态流变成形的要求; 稀土Y在电磁场的驱动下, 其分布沿着铸锭的半径趋于边缘富集, 但受电流频率的影响; 在所研究的范围内, 随电流频率增大, 稀土Y趋向铸锭边缘富集.

采用搅拌摩擦焊(FSW)对厚度为2 mm的2099-T83与2060-T8 Al-Li合金进行搭接. 利用OM和SEM等分析技术探讨搅拌头转速和搅拌针长度对搭接接头界面结构与力学性能的影响. 结果表明, 2099-T83/2060-T8搭接接头焊缝区可观察到明显的结合界面, 焊缝区显微硬度低于母材, 且在热机影响区与焊核区的过渡区硬度最低. 当搅拌头转速由600 r/min增加到800 r/min, 且搅拌针长度由3.0 mm减小至2.5 mm时, 界面形貌由光滑界面转变成“锯齿状”咬合界面, 焊缝区结合界面形貌主要受搅拌针长度影响, “锯齿状”咬合界面搭接接头平均破坏载荷为654 N. 搭接接头均在底部母材2060-T8侧热机影响区与焊核区的过渡区断裂, 断裂特征为韧-脆混合断裂. “锯齿状”咬合界面搭接接头经150 ℃, 保温20 h人工时效处理后, 焊缝区显微硬度有所提升, 接头承载能力较未经人工时效处理的降低了20%, 断口呈现脆性断裂模式.

采用力学性能测试、DSC及TEM研究了预变形对Al-Mg-Si-Cu合金析出行为的影响. 结果表明, 在慢速率升温过程中, 预时效态合金GP区溶解速率均随预变形量的增加而降低, 利用Avrami-Johnson-Mehl方法求得经0, 5%和15%预变形后合金的GP区溶解激活能分别为137.1, 189.5和141.3 kJ/mol; 若合金经不同预变形后直接进行185 ℃, 20 min烤漆硬化, 预变形可有效促进沉淀相析出, 提高烤漆硬化增量, 最高达160 MPa, 不过预变形量大于10%时合金烤漆硬化增幅减缓; 此外, 经预变形处理后烤漆态合金的GP区溶解速率在一定温度下均较低, 但高于某一温度后, 相应的GP区溶解速率均高于未经预变形处理, 最终获得的ln[(dY/dT)φ/f(Y)]-1/T曲线甚至会出现高激活能向低激活能转化现象; 不过随预变形量增加, β′′相析出激活能不断降低, 析出速率不断增加.

通过模拟核电高温高压循环水腐蚀疲劳实验, 研究了核级低合金钢环境疲劳损伤规律与控制机理, 构建了一个植入环境效应的疲劳设计模型, 给出了便于工程应用的环境疲劳设计曲线, 并建立了核电站实际构件的环境疲劳安全评估流程, 给出了尝试实施例.

对M42高速钢刀具进行脉冲磁化处理, 考察脉冲磁场对组织和性能的影响, 分析了脉冲磁场改变微观组织以及力学性能作用机理. 运用TEM和激光共聚焦显微镜分析了脉冲磁场冲击前后高速钢位错组态、碳化物分布以及微观组织的变化. 研究表明, 高速钢经脉冲磁化处理后, 发生晶格畸变, 基体内析出大量弥散碳化物, 微观组织变细密, 晶粒细化. 微观组织的变化导致力学性能发生变化, 材料Rockwell硬度与显微硬度均显著提高, Rockwell硬度最大可以增加2.9 HRC. 基于位错理论分析了脉冲磁场作用下高速钢的强化机制, 磁场作用于位错的力足以克服位错线张力引起的阻力和晶格点阵引起的阻力, 从而使位错能以Orowan机制产生增殖、滑移, 致使位错密度增加.

利用Gleeble热模拟实验机、Vickers硬度计、SEM, HRTEM及DSC研究了淬火态含Nb和Nb-Mo微合金钢在升温过程中碳化物的析出行为. 利用经典形核长大理论及Avrami方程对淬火态钢中MC型碳化物的析出动力学进行了计算. 结果表明, 含Nb和Nb-Mo微合金钢淬火后以20 ℃/min的速率加热至不同温度水冷, 在300和700 ℃, 由于e-碳化物和MC型碳化物析出而出现了硬度峰值. MC型碳化物在650 ℃左右析出, 由于析出强化而硬度上升, 与理论计算得到的MC型碳化物的析出鼻子点温度约650 ℃的结果相一致. Mo进入NbC中降低了NbC与铁素体基体的错配度, 从而减小了析出相与铁素体基体间的界面能, 使得(Nb, Mo)C析出动力学加快, 所以Nb-Mo钢中析出相粒子分布更为密集, 尺寸更为细小, 具有较高的析出强化作用.

将高碳高合金钢SDC99分别在1030 ℃奥氏体化30 min后油淬、在-196 ℃液氮中深冷处理8 h及210 ℃回火2 h. 采用三维原子探针(3DAP)技术分析了淬火态、深冷态、回火态C原子的空间分布; 用XRD研究了3种热处理状态下马氏体轴比、马氏体中含C量的变化; 用SEM原位观察深冷前后碳化物的形貌. 结果表明, C原子在深冷处理过程中偏聚于马氏体孪晶界, 形成厚度为5~10 nm的偏聚区. 210 ℃低温回火过程中, C进一步偏聚形成富C相或与合金原子形成M₂₃C₆型碳化物.

通过拉伸变形5%及1100 ℃退火30 min的晶界工程(GBE)处理工艺, 将304奥氏体不锈钢低Σ重合位置点阵(CSL)晶界比例提高到75% (Palumbo-Aust标准)以上, 形成大尺寸的“互有Σ3ⁿ取向关系晶粒的团簇”显微组织. 采用钨极气体保护焊焊接样品, 对焊接后样品的HAZ区域进行显微组织表征和耐腐蚀性能测试. 结果表明, GBE处理过的304奥氏体不锈钢具有较好的晶界网络稳定性, HAZ区域内仍具有高比例低ΣCSL晶界, 并且晶粒尺寸并未明显变大. 在晶间腐蚀浸泡实验和电化学动电位再活化法(EPR)测试中, GBE处理的样品HAZ敏化区都表现出了更好的耐腐蚀性能, 表明晶界工程可以有效改善304奥氏体不锈钢焊接热影响区耐晶间腐蚀性能.

以工业化等离子冷床炉熔炼的TC1合金为研究对象, 结合实际生产流程, 并借助于中子衍射技术, 研究不同轧制工艺对TC1板材显微组织与性能演变的影响, 揭示组织结构与力学性能之间的关系. 结果表明, 冷床炉熔炼的铸锭组织为魏氏组织. 经过轧制后, a集束发生扭曲和破碎. 单向轧制变形a相沿轧向排列比换向轧制更为明显. 退火后, 板材中变形a相发生等轴化. 经过单向轧制和换向轧制后, 轧制板材均表现为柱面织构类型, 这是板材横向屈服强度均明显高于其轧向屈服强度的主要原因.

对BSTMUF601合金在不同温度和应力条件下进行了拉伸蠕变实验, 获得了该合金的高温蠕变的变形规律, 基于此提出了一种新的修正q映射法蠕变本构模型, 该模型考虑了蠕变3阶段的蠕变特点. 模型预测结果与实验结果吻合较好, 平均相对误差为1.86%, 相对于没有考虑第2阶段的θ映射法模型和没有考虑第1阶段的修正q映射法模型相对误差分别减少0.10%和6.02%, 表明该模型具有较强的适用性, 且不降低预测精度. 对蠕变和蠕变断裂试样的位错组态和空洞演化进行了显微分析, 结果表明, 稳态蠕变阶段蠕变应力指数都接近5, 合金主要通过位错攀移越过γ′相的方式变形, 并未观察到层错和微孪晶存在于γ′相或基体中, 蠕变变形机制主要是位错攀移. 空洞在晶界上形核, 长大连接形成裂纹, 在应力集中作用下, 裂纹沿晶界扩展, 最终导致断裂, 蠕变断裂机制主要是晶界断裂.

基于晶体塑性理论, 建立了滑移和孪生机制耦合的孪生诱导塑性(TWIP)钢单晶晶体塑性本构模型, 通过引入孪晶体积分数及其饱和值, 分别考虑了孪生对硬化及滑移的影响, 对该本构模型进行数值实现. 并通过ABAQUS/UMAT平台上的二次开发, 将其应用于TWIP钢单晶典型取向单向加载条件下的力学行为模拟. 分析了单晶不同取向下塑性变形的微观机理和滑移系、孪生系的启动状态及其对宏观塑性的影响, 尤其是模拟得到黄Cu取向和S取向加载过程的应力突变, 再现了Cu单晶实验中的应力陡降现象. 结果表明, 孪晶体积分数较小时, 对应变硬化影响较小; 随着孪晶体积分数的增加, 对应变硬化的影响逐渐明显; 当孪晶体积达到一定量时, 孪晶体积达到饱和, 孪生增量为0, 晶体滑移转向, 新的滑移系启动, 应力突降.

分别采用Zn-15Al, Zn-22Al, Zn-28Al, Zn-37Al和Zn-45Al钎料钎焊获得Cu/Al接头. 利用SEM, EDS和XRD研究了Zn-Al钎料成分对Cu/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构的影响, 并系统阐述了Zn-Al钎料成分-接头界面结构-接头抗剪切强度之间的关系. 研究发现, Cu/Zn-15Al/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构为Cu/Al_4.2Cu_3.2Zn_0.7, 且Al_4.2Cu_3.2Zn_0.7界面层较薄, 其厚度为2~3 μm, 接头具有较高的抗剪切强度, 达66.3 MPa. 随着钎料中Al含量的提高, 在Cu/Zn-22Al/Al接头界面处Al_4.2Cu_3.2Zn_0.7界面层的厚度逐渐增大, 甚至在Cu/Zn-28Al/Al接头的Al_4.2Cu_3.2Zn_0.7界面层附近出现少量的CuAl₂, 接头的抗剪切强度逐渐降低. 当采用Al含量较高的Zn-37Al钎料钎焊Cu/Al接头时, Cu母材/钎缝界面结构转变为Cu/Al_4.2Cu_3.2Zn_0.7/CuAl₂; 脆性CuAl₂层的出现, 使接头抗剪切强度大幅下降, 为34.5 MPa. 当采用Al含量最高的Zn-45Al钎料钎焊Cu/Al接头时, Cu母材/钎缝界面结构转变为Cu/CuAl₂, 接头抗剪切强度最低, 为31.6 MPa.

采用直流反应磁控溅射技术在M2高速钢基片上制备了不同Mo含量的CrMoN复合涂层, 研究了Mo含量的变化对CrMoN复合涂层成分、相结构、化学价态、截面形貌、显微硬度和摩擦性能等的影响．结果表明, 随着Mo含量的增加, CrMoN复合涂层的相结构先转变为以fcc-CrN相为基础的(Cr, Mo)N置换式固溶体, 后转变为以fcc-g-Mo₂N相为主的混合相, 当Mo含量为69.3% (原子分数)时, 伴有少量的bcc-Mo相生成; CrMoN复合涂层的显微硬度先增加后降低, 在Mo含量为45.4%时具有最高值; 当Mo含量大于45.4%时, 在与对磨副摩擦过程中会生成大量的MoO₃相, 降低了摩擦系数和磨损率.

采用恒流极化, SEM, XRD, EIS和Tafel扫描对比研究了Pb-Ag-RE合金阳极在无Cl^-和含500 mg/L Cl^- H₂SO₄溶液中的腐蚀行为和析氧行为. 结果表明, Pb-Ag-RE阳极在含Cl^-电解液中生成的氧化膜层出现“火山口”状孔洞, 合金基底上分布着大量的腐蚀坑, 呈现出明显的局部腐蚀特征. 此外, Cl^-的存在会减少阳极表面氧化膜层中PbO₂的含量, 抑制析氧反应中间产物的生成和吸附, 进而增加析氧反应传荷阻抗. 因此, 500 mg/L的Cl^-对Pb-Ag-RE合金阳极的耐腐蚀性能和析氧活性均会造成不利影响, 工业生产中应尽量降低电解液中Cl^-的浓度.