采用熔化极活性气体保护焊(MAG焊)对一种Fe-Cr-Ni-Mo高强高韧合金钢板进行多道次焊接,利用SEM、EPMA、TEM以及拉伸、冲击等实验研究了焊接接头的组织和力学性能。结果表明,焊缝金属由柱状晶和等轴晶组成,其中上部焊缝以柱状晶为主,而下部焊缝的等轴晶含量增加。焊缝上部因冷速较快形成回火马氏体组织;下部因合金元素含量较高,淬硬倾向较强,形成了粒状贝氏体组织。靠近焊缝的热影响区为较粗大的马氏体组织,其硬度最大(621 HV),明显高于母材(410 HV)。上部焊缝金属的硬度为365 HV,低于母材,而下部焊缝的硬度高于焊缝上部和母材,为450 HV。因此,焊接接头上部拉伸试样在焊缝处发生断裂,断裂强度为1109 MPa,而焊缝的下部拉伸试样在母材处发生断裂,断裂强度为1183 MPa。本实验用Fe-Cr-Ni-Mo合金钢的焊接接头强度较高,焊接强度系数不小于0.93,焊缝金属的冲击功为53 J。

利用TEM和SEM研究了回火时间(10、20、40和120 min)对不同V含量(0、0.08%、0.14%,质量分数) Fe-Cr-Ni-Mo高强钢碳化物转变和力学性能的影响。结果表明,淬火态0V钢在马氏体板条间析出了少量的M₇C₃型碳化物,而含V钢中无碳化物析出,因此淬火态0V钢的强度最高(2060 MPa)。回火处理过程中,短时间(20 min)回火时,0V钢仅在板条间析出了M₃C型碳化物,随着回火时间延长,M₃C型碳化物逐渐转变为M₂₃C₆,这2种碳化物尺寸均较粗大(150~300 nm),对合金钢强度的贡献相对较弱,导致0V钢的强度逐渐下降,由回火20 min时的1197 MPa下降到回火120 min后的1088 MPa。加入V后,合金钢经短时间(20 min)回火后不仅在晶界析出M₃C,还在晶内析出了数量较多的M₂C,且尺寸细小(不大于80 nm),随着回火时间的延长,M₃C逐渐分解并形成了数量较多的M₆C和更稳定的MC,对合金钢的沉淀强化效果较强,且对塑韧性的影响相对较小。因此随着回火时间的延长,含V钢的强度基本保持不变,而塑韧性呈现增加的趋势,获得了良好的强韧性配合。

以传统的淬火-回火试样作对比,研究了3种奥氏体化温度处理后淬火-配分中碳Fe-0.4C-1.5Mn-1.5Si钢试样的干滑动摩擦磨损性能。结果表明,860和1000 ℃全奥氏体化处理的2种淬火-配分试样中残余奥氏体的含量相近(体积分数分别约为14.37%和13.79%),其内的C浓度较高(质量分数分别为1.37%和1.38%),机械稳定性较强。在恒定低载荷(50 N)和恒定低滑动速率 (40 mm/s)条件下,摩擦过程中不易诱发马氏体相变,导致2种试样的耐摩擦磨损性能均很低。受显微组织细化影响,奥氏体化温度较低的试样具有更高的耐磨性。当奥氏体化温度降低到800 ℃时,获得临界淬火-配分试样。显微组织分析表明,该试样中不仅包含少量的铁素体(体积分数约6.75%),而且存在最高含量的残余奥氏体(体积分数约22.28%),使得在4组试样内的显微硬度最低。但由于低的C浓度(质量分数约1.06%),残余奥氏体的机械稳定性较弱,在摩擦过程中易诱发马氏体相变,不仅贡献额外的硬化,而且马氏体相变体积膨胀引起的材料表面层压应力对提高耐磨性也有利,由此导致临界淬火-配分试样表现出最好的耐磨损性能。因此,在给定的摩擦参数条件下,残余奥氏体对马氏体钢耐磨性的影响主要决定于其在摩擦过程中是否能经相变而引起附加的硬化作用。

利用OM、EBSD、HRTEM和Vickers硬度计等手段研究了冷却速率对Ti-V-Mo复合微合金钢组织转变、析出相及硬度的影响,阐明了(Ti, V, Mo)C在不同冷却速率下的析出规律及其对显微组织和硬度的作用机理。结果表明,当冷却速率低于20 ℃/s时,随着冷却速率的增加,析出相平均尺寸由13.2 nm逐渐减小至6.9 nm,铁素体平均晶粒尺寸由5.06 μm逐渐细化至2.97 μm,硬度呈先快速增大而后缓慢增大的趋势,铁素体的细晶强化和(Ti, V, Mo)C的沉淀强化是硬度升高的主要因素;冷却速率为20~30 ℃/s,其对晶粒细化和沉淀强化的影响效果已趋于饱和,硬度基本保持不变,此时Ti-V-Mo复合微合金钢的硬度具有最大值410 HV,屈服强度高达1090 MPa。Ti-V-Mo复合微合金钢的硬度y与冷却速率x符合指数衰减关系：y=-229exp(-x/5)+412。

以9Cr18合金为研究对象,分别对9Cr18热轧态材料及半固态坯料进行触变压缩实验。通过OM和SEM研究了其在加热、半固态及变形冷却后的显微组织演变规律,分析了其压缩过程中的固液流动特性和应力-应变关系。研究表明,半固态坯料制备是保证材料发挥半固态变形特性的必备流程,坯料加热至半固态温度能够保证固液三维均匀分布,充分发挥液相流动特性。仅通过对轧态材料加热至半固态温度区间会导致液相沿原带状组织区域熔化析出,固液分布不均匀。热轧态材料带状熔化致使液相不能形成三维连通,液相流动只能在不同部位的若干区域进行,变形主要通过固相颗粒塑性变形完成,进入最后阶段变形抗力上升。半固态坯料变形过程中固液相分布均匀,当变形进行至触变阶段,液相由于受到向外侧压力梯度作用,在固相间隙中流动,固相颗粒予以协调,发生宏观固液分离,从而使变形抗力随之下降。9Cr18合金在半固态温度区间成形过程中表现出不同于传统热处理的组织演变规律。半固态温度范围内奥氏体溶解合金元素的能力较传统奥氏体化(1050 ℃)有极大提高,从而提高了奥氏体在快速冷却过程中的稳定性,在冷却后得到过饱和的亚稳奥氏体组织。这种半固态独特的组织演变过程为材料组织性能控制提供一种新的可能。

采用分子动力学模拟研究了300 K时不同He浓度下(001)[010]和(121)[111] 2种取向bcc-Fe裂纹模型的扩展行为。结果表明,当模型中不存在He时,裂纹取向不同,裂纹扩展机制不同：(001)[010]取向裂纹的扩展机制分为弹性变形、相变、裂纹尖端沿相变区解理断裂;(121)[111]取向裂纹的扩展机制分为弹性变形、堆垛孪晶、孪晶尖端应力集中诱发多空洞合并断裂。(121)[111]取向裂纹的屈服应力和应变大于(001)[010]取向裂纹,说明(121)[111]取向裂纹具有较强的抵制裂纹扩展的能力。He浓度对裂纹扩展行为的影响主要体现在2个方面：当He浓度较低(0.9%,原子分数)时,He的存在减缓了相变或者孪晶转变速率,降低了裂纹扩展速率;当He浓度较高(6.0%,原子分数)时,大量He团簇的存在促进了空洞形成,导致2种裂纹模型的断裂机制均变为He团簇诱发多空洞合并断裂,未出现相变或者孪晶。

采用JmatPro软件、OM、SEM和TEM等方法研究了不同含N量的Mn18Cr18N奥氏体不锈钢的析出行为及其对力学性能的影响。结果表明：析出物主要为六方结构的Cr₂N和少量M₂₃C₆,其中氮化物Cr₂N优先沿着晶界析出,随后以不连续胞状方式向奥氏体晶粒内部生长。随着N含量的增加,Cr₂N氮化物的析出变得更加敏感,当N含量为0.7%时,Cr₂N氮化物的最敏感析出温度为750 ℃,孕育期仅为10 min;而碳化物M₂₃C₆主要以颗粒状形式形成在奥氏体晶界上,与相邻的奥氏体晶粒保持相同的位向关系。力学性能测试结果表明,Cr₂N氮化物的析出对Mn18Cr18N奥氏体不锈钢的强度有较小的影响,但对于塑性却有强烈的恶化作用。时效后Cr₂N的析出导致伸长率和断面收缩率明显降低,伸长率从52.9%降低到27.7%,断裂模式也随着Cr₂N氮化物数量的增加从韧性断裂转变为脆性的沿晶断裂和穿晶断裂。TEM分析表明,固溶态试样在拉伸变形过程中通过滑移和孪生方式协调变形,呈现了良好的塑性变形能力。而时效后,位错通过滑移和繁殖最终堆积在Cr₂N片层之间和颗粒状M₂₃C₆周围,降低了Mn18Cr18N奥氏体不锈钢的塑性变形能力。

采用失重分析、X射线衍射分析、扫描电镜分析及电化学测试分析方法对Q235碳钢在模拟海洋工业大气环境中的初期腐蚀历程和机理开展深入研究,并着重探究了不同比例SO₂和Cl^-的协同效应对碳钢初期腐蚀行为机制的影响。结果表明,Q235碳钢在模拟海洋工业大气环境中的初期腐蚀呈现由加速过程向减速过程转化的特点,且加速过程的腐蚀动力学仍遵循幂函数规律D=Atⁿ;腐蚀24 h后,腐蚀产物呈现双层结构,即疏松的外层和相对致密的内层。SO₂和Cl^-的协同效应会加速碳钢的腐蚀,但二者比例的变化对碳钢腐蚀失重影响并不明显,也没有改变腐蚀产物成分,SO₂促使碳钢腐蚀形态趋向于均匀腐蚀。

应用锌盐与氨水以及单氰胺水溶液间配体交换反应,制备了氰胺锌(ZnNCN)颗粒。并通过在前驱体盐溶液中共混银盐,利用相同的配体交换反应过程,制备了氰胺银(Ag₂NCN)/ZnNCN复合颗粒。利用XRD、SEM、红外光谱(FT-IR)和紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱对光催化剂的结构进行表征。结果表明,单一ZnNCN为花瓣状颗粒,宽禁带半导体材料(禁带宽度E_g=4.71 eV)。Ag₂NCN/ZnNCN复合颗粒形貌与单一ZnNCN和Ag₂NCN相比有很大变化,2种金属氰胺化物以弱的物理作用力结合形成异质结构,复合颗粒的光谱响应范围扩展至可见光区,E_g=2.05 eV。以罗丹明B为光催化降解对象,研究了ZnNCN、Ag₂NCN/ZnNCN复合颗粒在氙灯激发下的光催化活性。与单一ZnNCN以及Ag₂NCN+ZnNCN机械混合物相比,Ag₂NCN/ZnNCN复合颗粒表现出增强的光催化性能,表现为一级反应动力学特征。

采用Gleeble3500D热模拟试验机研究了GH4720Li合金的高温热变形行为,分析了不同热压缩工艺条件下流变力学曲线特征,建立了表征材料流变力学特征的包含应变参量的双曲正弦型Arrhenius本构关系模型以及BP人工神经网络模型,并通过对材料热变形组织的表征,揭示了GH4720Li合金高温变形过程中的动态再结晶形核机制。结果表明,包含应变参量的双曲正弦型Arrhenius本构关系模型预测精度较差,而BP人工神经网络模型能很好地表征GH4720Li合金热变形过程中的流变力学行为,模型预测值与实验值的平均相对误差仅为0.814%。组织分析结果表明,GH4720Li合金在1140 ℃条件下动态再结晶的主要形核机制为非连续动态再结晶,变形晶粒的晶界为再结晶晶粒提供形核位置。

以TiAl-8.5Nb预合金粉末为原料,添加1%Sn (原子分数)粉为强化烧结剂,采用无压烧结技术制备了高致密度的高铌TiAl合金,探究了Sn添加对TiAl基合金的烧结致密化过程、微观组织和力学性能的影响规律。研究表明：添加1%Sn可降低高铌TiAl合金粉末的烧结致密化温度,提高烧结坯的致密度及线性收缩率,从而有利于降低合金组织晶粒度,改善合金综合性能。添加Sn后,合金粉末经1500 ℃烧结2 h,其致密度可达到99.1%,线收缩率达到9.3%;合金显微组织为均匀细小的α₂/γ全片层结构,片层团尺寸为40~60 μm;Sn主要固溶于γ相中,使其轴比c/a及晶胞体积增大;所制备合金的Rockwell硬度为50.1 HRC,抗压强度为2938 MPa,屈服强度为680 MPa,压缩率为29.1%,其性能指标均高于未掺杂Sn元素的高铌TiAl基合金。

基于铝合金厚板热处理时客观存在的非等温现象,利用非等温回归动力学模型、力学性能测试、电导率测试及TEM观察,研究了非等温回归温度场和时间的耦合效应对Al-8Zn-2Mg-2Cu (质量分数,%)合金厚板组织及性能的影响。结果表明,随着非等温回归时间的延长,合金的电导率逐渐升高,硬度和强度逐渐下降。优化的非等温回归再时效制度使MgZn₂相的尺寸分布范围宽化。因此,位错切过和位错绕过强化机制的合理匹配有效地降低了硬度的损失,同时合金的电导率得到显著提升。以105 ℃、24 h为预时效制度,经过慢速升温非等温回归处理120 min后再经120 ℃、24 h峰时效,Al-8Zn-2Mg-2Cu铝合金厚板的抗拉强度、屈服强度及电导率分别为620 MPa、593 MPa和21.1 MS/m,其综合性能优于单级峰时效(T6)及双级过时效(T73),且包含慢速升温的非等温回归再时效技术更适用于厚板的时效热处理。

用一步电沉积法在Cu网表面制得超疏水膜层,并用FE-SEM、接触角测量仪、EDS、FTIR和XPS表征膜层的形貌、浸润性和化学成分,研究工艺参数对膜层微观结构和浸润性的影响。结果表明,在30 V电压下反应10 min,得到的Cu网表面均匀覆盖着由纳米片聚集成的微米胞,成分为Cu[CH₃(CH₂)₁₂COO]₂,接触角达到最大值156.2°,滚动角低至1°。用动电位极化曲线和油水分离装置分析试样的耐腐蚀和油水分离性能,结果表明,超疏水膜层将基体的腐蚀电流密度从1.50×10^-5 A/cm²减小到4.77×10^-9 A/cm²,降低约3个数量级,腐蚀电压从-0.177 V提高到-0.141 V。油水分离实验表明,超疏水Cu网经5次循环利用后,油水分离效率仍在95%以上,显示出良好的油水分离能力和循环使用性能。

提出了一种可降低铸锭宏观偏析的铸造工艺：层状铸造(layer casting,LC)。将铸锭分为数个甚至数十个浇包逐次间隔浇注,使每包次浇入的金属液依次、逐层凝固,从而达到降低铸锭中宏观偏析的目的。采用实验与数值模拟相结合的手段验证该工艺的可行性和适用性。分别采用传统铸造工艺和层状铸造工艺制备Al-4.0%Cu (质量分数)小铸锭,采用直读光谱仪测量铸锭中心截面处Cu含量并绘制出对应的宏观偏析图。实验结果表明：采用传统铸造工艺制备的铸锭出现明显的宏观偏析,包括铸锭底部严重的负偏析和顶部正偏析;而采用层状铸造工艺制备的铸锭没有出现大范围严重的宏观偏析,铸锭中心线上最小负偏析和最大正偏析分别降低了24.6%和77.2%,说明层状铸造工艺可一定程度改善铸锭宏观偏析。同时,采用柱状晶-等轴晶混合三相凝固模型对100和13 t钢锭的传统铸造工艺以及层状铸造工艺的宏观偏析的形成进行数值模拟预测。模拟结果表明：采用层状铸造工艺可有效改善大型钢锭中的宏观偏析,并且随着钢锭尺寸的增大,该工艺对宏观偏析的改善效果愈加明显。并对层状铸造工艺抑制宏观偏析的作用机理进行了分析。