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[硕士论文] 章佩佩
控制工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:设备金属板是机械设备的关键部位,其质量直接影响到机械设备的运行可靠性,需要对金属板内部可能存在的白点、和夹杂等缺陷进行检测。超声无损检测因具有检测准确率高、检测装置成本低、对人体及周遭环境无害等优点,适合用于机械设备板内部缺陷的检测,超声无损检测领域中的主要课题就是对超声信号处理方法的研究。超声缺陷回波信号是一种时变信号,具有非线性、非平稳性特征,传统傅里叶变换主要用于处理线性、平稳性信号,而以傅里叶变换为基础的相关变换如快速傅里叶变换、小波变换都具有傅里叶分析信号的局限性,因此课题主要研究了Hilbert-Huang变换分析方法,使用Hilbert-Huang变换对实验中机械设备板型缺陷信号进行处理,对处理过程中存在的问题进行了一系列相关研究:
  首先,论述了超声无损检测基本原理和超声波的传播特性,并利用这些特性推导出相应的检测方法对机械设备进行检测,分析了机械设备常出现的缺陷、位置及其原因,并对其超声缺陷信号进行了定性、定量和定位分析。
  其次完成了模拟超声检测机械设备的系统搭建,实验中主要采集了四种不同深度的缺陷信号,对其时域波形进行了分析,由于时域波形提供信息能力有限,将其拓展至时频域进行分析。针对超声回波信号非平稳、非线性等特性,主要研究了希尔伯特-黄变换法。使用希尔伯特-黄变换方法处理实验缺陷回波信号时存在问题,即端点效应问题和模态混淆问题。
  再次,针对端点效应问题,分析了两种改进方法,镜像延拓法和边界局部特征尺度延拓法,通过仿真实验将其对比分析,最终采用边界局部特征尺度延拓法对实验中的超声缺陷回波进行延拓;针对模态混淆问题,介绍了EEMD分解方法并与EMD方法对合成信号进行分解处理,两种结果对比验证了EEMD方法针对EMD分解时产生的模态混叠问题的处理有效性。将EEMD方法应用于超声缺陷回波信号中,分解结果显示模态混淆现象被消除。再基于EEMD方法建立原始超声缺陷信号的最优降噪光滑模型对其实行了降噪处理。
  最后,介绍了Hilbert谱与边际谱构造原理,通过对一个已知频率幅值信号的Hilbert边际谱和快速傅里叶变换频谱分析与比较,显示出Hilbert谱分析信号的优势,再对实验中4种不同深度的超声缺陷回波信号进行Hilbert谱与边际谱图显示并分析谱图所代表的各种缺陷信息,最终达到对机械设备内部缺陷检测与识别的目的。
[硕士论文] 方芳
水利工程;港口、海岸及近海工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:长江上游包括重庆市、四川省、云南省等大型码头的建设中,由于存在覆盖层浅及深水施工等问题,码头下部结构更多采用钢管混凝土嵌岩桩型式,桩基及纵横撑均大量使用钢结构。目前内河港口钢构件防腐主要依据沿海钢结构防腐标准采用涂层保护法。但与海港相比,内河在汛期具有流速大、高含沙量的水流环境,导致涂层在泥沙的冲蚀作用下快速脱落。本文采用CFD数值模拟方法,建立水沙两相圆柱绕流流场的数值模型,在此基础上研究内河含沙水流条件下,泥沙颗粒的冲蚀特性,基于已有的冲蚀理论模型,提出内河条件下冲蚀损伤模型。本文的主要研究工作及取得的成果如下:
  (1)采用大涡模型模拟非稳定湍流流场,离散相模型(DPM)模拟泥沙轨迹,建立了雷诺数为1.5×105的水沙绕流数值模型。计算结果表明:阻力系数Cd、升力系数Cl、斯特劳哈数St、表面压力系数,及不同粒径泥沙在尾流内的分布特征与相关文献结果基本一致,验证了模型的可靠性。
  (2)基于建立的水沙绕流数值模型,研究了泥沙颗粒在不同粒径、不同流速条件下对圆柱迎水面的冲蚀特性,结果表明:越靠近圆柱90°位置,受泥沙冲蚀的概率就越大,但冲蚀速度越小。大部分泥沙均以小冲角划过圆柱面,对涂层材料表面造成微切削损伤,经过反复冲刷后形成较长的沟壑。在圆柱90°附近,会有少量泥沙以大角度冲击涂层,在反复的冲击作用下形成冲击坑。泥沙粒径或流速越大,冲蚀圆柱45°-90°位置的概率就越大,且冲蚀速度、冲蚀角度、有效撞击率也随之增大。当粒径增大到一定范围,有效撞击率开始减小。
  (3)基于水沙绕流数值模型,研究了泥沙颗粒在不同粒径、不同流速条件下对圆柱背水面的冲蚀特性,结果表明:越靠近圆柱-90°位置,受泥沙冲蚀的概率就越大,冲蚀速度也越大。冲蚀背水面的泥沙颗粒,大部分还是小冲角划过圆柱面。相比于迎水面,背水面发生大角度冲蚀作用范围更广,且占比更多,但冲蚀程度远远不及迎水面。泥沙粒径或流速越大,圆柱-45°至-90°位置的冲蚀概率就越大,且冲蚀速度、冲蚀角度、有效撞击率也随之增加。当粒径增大到一定范围,有效撞击率开始减小。
  (4)结合数值模拟计算结果和现有冲蚀模型提出了适用于内河含沙水流条件下的涂层冲蚀数学模型。经计算1.0m/s、1.2m/s、1.5m/s、1.8m/s四种流速下涂层的厚度损伤量,各流速下的最大冲蚀量均出现在圆柱30°-45°位置附近。将计算值与室内模型试验值进行对比,验证了提出的涂层冲蚀数学模型的可靠性。
[硕士论文] 胡琳盛
机械工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:作为理想的现代工业结构材料,镁合金在汽车、航空航天工业等领域具有广阔的应用前景,被誉为“21世纪绿色工程材料”。然而镁合金具有非常高的化学和电化学活性,容易在自然环境中氧化,产生腐蚀现象,使其应用受到限制。因此,寻找一种有效改善镁合金耐蚀的方法成为了当务之急。目前,主要采用各类表面改性技术进行处理。这些技术中,磁控溅射作为一种绿色环保的薄膜沉积技术,具有沉积速率快、功率效率高等特点,近年来得到了国内外研究人员的高度重视,取得了快速的发展,广泛应用于工业薄膜制备领域。
  本文基于正交设计理论,采用射频磁控溅射在AZ31镁合金表面沉积Al2O3陶瓷薄膜,通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜等检测手段对薄膜进行表征探究溅射工艺参数(沉积时间、溅射功率、负偏压)对薄膜晶粒尺寸的影响。通过电化学测试与单因素试验相结合的方法探究溅射工艺参数对Al2O3陶瓷薄膜耐腐蚀性能影响规律。利用金相显微镜分析手段研究了镁合金基体与Al2O3陶瓷薄膜在NaCl溶液中的腐蚀行为,根据腐蚀电化学理论剖析了其腐蚀机制。研究结果表明:
  (1)通过正交预试验对各个溅射工艺参数进行优化得到的的最佳工艺为100mm、250W、80V,在此工艺下制备的Al2O3陶瓷薄膜较薄且透明,膜层厚度仅为3.15μm,且表面基本光滑平整、均匀致密。薄膜表面部分区域存在弥散分布的小颗粒,其生长模式为岛状生长模式,且在(221)面具有很好的择优取向。
  (2)通过单因素试验进一步研究溅射工艺参数对薄膜晶粒尺寸的影响发现在沉积时间为20mm时,晶粒尺寸相对较大,但随着沉积时间的延长,Al2O3陶瓷薄膜的晶粒尺寸逐渐减小。随着溅射功率的提高,Al2O3陶瓷薄膜晶粒尺寸逐渐减小。其中,当溅射功率在250W~300W之间,薄膜的晶粒尺寸极具增大。随着负偏压的增高,晶粒尺寸呈现先减小后增大的趋势。其中,在负偏压为60V时,Al2O3陶瓷薄膜具有最小的晶粒尺寸。
  (3)镁合金表面沉积的Al2O3陶瓷薄膜的耐腐蚀性能依镀膜工艺参数的不同而异。沉积时间的延长会使薄膜厚度逐渐变厚,会使薄膜较基体而言表现出更优异的耐腐蚀性能,但过长的沉积时间会导致薄膜龟裂。增高溅射功率会使溅射粒子的能量增大,但高功率下的溅射粒子会刻蚀膜面,导致薄膜产生缺陷;偏压能使薄膜的成膜能力增强,但过高的偏压反而会造成薄膜质量下降。通过实验分析获得影响Al2O3陶瓷薄膜耐腐蚀性能的最优工艺参数为:60min、250W、40V。在此工艺下制备的薄膜相对于镁合金基体而言其腐蚀电位从-1.630V提高到-1.492V,
  腐蚀电流密度由原来的7.455×10-4A cm-2降低到5.96×10-4A cm-2,其耐腐蚀性能得到显著改善。
  (4)浸泡实验显示,尽管镁合金在空气中形成了保护层,但由于Cl-轻易的腐蚀掉疏松多孔的氧化层,导致镁合金基体加速溶解,呈现全面腐蚀的状态。而Al2O3陶瓷薄膜由于具有较高的致密度,有效的阻碍了腐蚀介质,腐蚀比较温和,只有极小极浅的腐蚀坑出现。表明Al2O3陶瓷薄膜沉积在镁合金上提高了基体的耐腐蚀性能。
[硕士论文] 周林
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:空泡腐蚀的发生会严重影响电子液冷系统的正常运行。本文利用空泡腐蚀仪,采用失重法研究了铸铝在冷却液中的空泡腐蚀行为。在此基础上,通过腐蚀电化学技术,研究了在空化条件下,铸铝在冷却液中腐蚀电化学动力学过程。最后,采用现代表面分析技术,研究了铸铝在冷却介质中表面膜的形成机制以及空化作用下的损伤机制,揭示了电化学作用与流体力学之间的协同机制。
  研究结果表明:电化学腐蚀与空化作用之间的协同效应导致铸铝空泡腐蚀失重随空化作用时间的增大而增大,其空泡腐蚀速率随空化作用时间先增大后减小。缓蚀剂的添加能够抑制铸铝的空泡腐蚀,有利于防止铸铝的腐蚀。但是,并不能完全抑制腐蚀的发生。所以,电化学与空化作用之间的协同效应仍然会促进铸铝的空泡腐蚀。
  空化作用虽然使阴极氧扩散过程有所增强,但是却促进了铸铝发生钝化,抑制了其阳极过程。因此,腐蚀过程以阳极过程控制为主。当添加此阳极型缓蚀剂后,有效地抑制了铸铝的电化学腐蚀,从而降低了电化学腐蚀与空化作用间的协同效应,使铸铝在冷却液中的腐蚀减轻。
  在乙二醇基水溶液中,空化作用使铸铝表面氧化膜破坏,形成坑、洞,表现在电化学阻抗谱的低频处出现感抗弧,并且有两个时间常数。随着空化作用时间的增大,铸铝的反应电阻逐渐减小。进一步表明空化作用对电化学腐蚀具有促进作用。当添加缓蚀剂后,铸铝的电化学阻抗谱为一个变形的容抗弧,电极动力学过程为两个时间常数。一旦受到空化作用,其电化学阻抗谱在高频为一个容抗弧,中高频出现感抗弧,低频出现容抗弧,时间常数变为三个。表明在这种情况下,铸铝的空泡腐蚀机理更为复杂。
  在乙二醇基水溶液中,铸铝表面氧化膜成分主要是AlOOH、硅氧化物和硅酸盐。一旦发生空化作用,铸铝表面的硅氧化物和硅酸盐会逐渐脱落,在其表面形成坑、洞。同时,空化作用促进了AlOOH和Al2O3的形成。阳极型缓蚀剂的添加,有利于促进铸铝表面AlOOH和Al2O3的形成,与氮和磷形成混合型的缓蚀膜,抑制了铸铝表面坑、洞和裂缝的形成,从而有效的减弱了铸铝的空泡腐蚀。
  研究进一步表明,铸铝在冷却介质中的空泡腐蚀受协同效应影响,并且是由腐蚀引起的磨损腐蚀控制。基于此,提出了铸铝在冷却介质中的腐蚀模型。
[硕士论文] 龙永杰
机械工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:高速钢刀具作为切削性刀具,其寿命对整个系统的正常运行起着决定性地作用,特别是自动化生产与数控机床所需的各种高速钢刀具,要求加工精度高、耐磨损性能好。如何有效地提高刀具切削性能和使用寿命,成为现代制造业的研究热点。磁控溅射作为刀具涂层的一种沉积技术,能显著的改善工件的综合性能,是表面技术的重要研究方向之一。
  本文选用高速钢刀具作为研究对象,采用射频磁控溅射法在高速钢刀具表面沉积CrN涂层。通过正交试验探索靶功率、镀膜时间、氮气流量对CrN涂层性能的影响,得到制备CrN涂层的最佳工艺条件。采取单因素分析法,研究不同工艺参数对CrN涂层的沉积速率、形貌、显微硬度与膜基结合力、组织结构与化学组成等性能的影响。用台阶仪、划痕仪、粗糙度测量仪、显微硬度计等测量涂层的膜厚、膜基结合力、表面粗糙度、显微硬度。使用X射线衍射仪研究涂层结构,用扫描电镜观察涂层表面与截面形貌,用球-盘磨损仪研究涂层的摩擦学性能。探讨不同摩擦条件对未镀膜刀具、普通工艺镀膜刀具、优化工艺镀膜刀具摩擦学性能的影响,研究刀具摩擦系数、磨痕深度、磨痕宽度随参数变化的规律。
  研究表明:高速钢刀具表面磁控溅射CrN涂层的最佳工艺参数为靶功率150W,镀膜时间125min,氮气流量40sccm(标况毫升每分)。最优工艺下制备的CrN涂层其硬度为1207HV0.1,沉积速率为0.025um/min,表面粗糙度为0.540um,膜基结合力为31.6N。涂层为三角锥形貌,表面平整趋于光滑,轮廓非常清晰,结构致密,颗粒尺寸较小,膜基结合力和硬度较高,膜基结合力相比传统工艺提高6%,涂层具有明显的CrN(111)择优取向,Cr与N的原子数之比接近1∶1。磨损试验表明,未镀膜刀具磨损较为严重,镀膜刀具磨痕两侧只有轻微的犁沟和较少的磨屑堆积,磨痕深度、磨痕宽度、摩擦系数均较小。高载荷条件下(载荷5N),普通工艺镀膜刀具表面出现剥落失效,磨痕深度与宽度分别为4.12um、720.4um,摩擦系数为0.46,而优化工艺镀膜刀具表面磨痕颜色较浅,磨损轻微,磨痕深度与宽度分别为2.25um、570.8um,摩擦系数为0.314。因此在高速钢刀具表面通过优化工艺沉积CrN涂层后,刀具性能得到了显著的改善,为高速钢刀具表面强化处理提供了借鉴。
[硕士论文] 姜麟
化学工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:有机涂层防护体系兼具经济性、实用性、防护长效、节能环保等诸多优点,是目前使用最为广泛的金属防腐方法。我国幅员辽阔,自然环境复杂,不同地域间大气环境差异巨大。因此,对不同大气环境的腐蚀性做出综合评价,研究涂层防护体系在不同大气环境下的不同失效模式及失效机理,以及对涂层防护体系的使用寿命做出预测具有重要意义。
  本文采用雷达图分析法,选取环境温度、环境湿度、紫外辐射量、氯离子沉积量、氧化性、酸性六个方面对不同大气环境进行综合评价。根据环境的腐蚀性,制定相应的加速试验环境谱,并将两者进行对比。采用紫外辐射试验、周期浸润试验、吹砂试验相结合的加速试验方法,对不同的有机涂层防护体系进行加速腐蚀试验。分析涂层防护体系在不同环境下的失效模式的区别。通过电化学阻抗谱分析等现代仪器分析方法,研究了不同环境下涂层体系的失效机理。最后,通过对比加速腐蚀试验与大气暴晒试验的试验结果,得到两者之间的等效关系。
  结果表明:不同大气环境的腐蚀性存在巨大差异。其中:海洋环境具有高温度、高湿度、高盐分的特点;工业环境大气盐分含量高,并含有强酸性的SO2气体;城市环境大气含有高浓度的氮氧化物,其氧化性较强;高原大气干燥少雨,紫外辐射极强;沙漠环境高温干燥,紫外辐射强,存在沙尘暴等会对涂层体系造成严重物理性老化的极端气候条件。
  在涂层失效模式上:海洋环境主要表现为失光、厚度降低、附着力降低、起泡、粉化等现象;工业环境、城市环境主要表现为起泡、粉化等现象;高原环境会出现少量的起泡现象,综合来讲对涂层体系腐蚀性不强;沙漠环境主要表现为失光、厚度降低、附着力降低、粉化等现象。
  在腐蚀机理方面:各种环境下,涂层表面的C=O键、N-H键、C-O键都出现减弱。海洋环境高湿度、高盐分,失效主要由腐蚀介质的渗入引起,涂层表面出现大量连续的起泡,并由于起泡的破裂而产生大量微孔,涂层表面粗糙度增大;城市环境、工业环境较为湿润,且含有腐蚀性气体,同样出现了大量起泡现象,但起泡破裂不明显,涂层表面并未出现微孔。其中,城市环境由于氧化性较强,涂层的C=C键、C=O键等不饱和键减弱明显;高原环境下气候寒冷干燥,涂层表面仅出现少量起泡,表面粗糙度并未增大,化学键也未出现明显减弱;沙漠环境下,涂层表面被沙尘的冲击严重破坏,表面粗糙度极高。
  将加速腐蚀试验与自然暴晒试验的涂层体系相比较。综合涂层光泽度、厚度、电化学阻抗的变化,可以确定加速腐蚀试验与自然暴晒试验的等量关系为0.65-0.7左右。
[硕士论文] 杨熠
机械工程 武汉科技大学 2018(学位年度)
摘要:再制造具有节约资源、保护环境的特性,是实现废旧产品再使用和社会可持续发展的重要方式,非常符合国家发展绿色循环经济的战略要求。随着再制造产业的快速发展,大量通过再制造的异形件需要进行防锈保护,以免锈蚀对其产生新的损害。由于再制造异形件数量庞大、结构各异,其防锈保护制约着再制造产业发展,批量化的再制造异形件防锈保护已成为迫切需要解决的问题。本文以再制造异形件为研究对象,提出一种再制造异形件防锈保护方法,为大批量再制造异形件自动化防锈保护提供一种可借鉴的思路和方法,全文主要内容如下:
  (1).在梳理再制造产业国内外发展现状的基础上,提出现阶段再制造异形件防锈保护所面临的问题,针对再制造异形件防锈保护需求,提出采用喷涂防锈油的方法保护再制造异形件,并对目前喷涂防锈油保护零件的工艺方法进行总结,指出其喷涂再制造异形件所存在的问题,并选取防锈油类型及喷涂方式。
  (2).针对批量化多种类的再制造异形件不易涂油保护问题,提出一种绕中心轴线公转、相对周边自转,在密闭环境辅以自重驱动的再制造异形件喷涂油方法及装置,将基于视图法分类的再制造异形件置于涂油装置内喷涂,该涂油方法可满足再制造异形件的批量化、自动化涂油。针对涂油装置控制需求,对装置控制系统进行方案设计,并设计一种传送机构托运异形件喷涂,同时对装置的主要机构及参数如喷涂机构及数量、喷涂距离、喷涂机构安装位置、入料节拍、喷嘴数量等进行分析计算。
  (3).为提高喷涂质量,分析影响喷涂的诸多因素,根据涂层生长速率模型及涂层厚度模型,以喷涂区域内任意点涂层厚度和期望厚度的极限偏差最小为目标,构建喷嘴间距与工件转速优化模型,采用粒子群算法求解得到最优设计参数,并通过Matlab仿真及喷涂试验对求解结果进行验证。
[硕士论文] 房顶
机械电子工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:铁基粉末冶金材料由于其具有良好的自润滑性能,因而广泛应用于滑动轴承和发动机轴套等摩擦副零部件中。然而随着科学技术的发展,铁基粉末冶金材料的自润滑性能不足以满足高温、高载等复杂工况条件的要求,因此改善铁基粉末冶金材料表面的减摩耐磨性能是成为工业生产中亟待解决问题。为此本文对铁基粉末冶金材料表面开展低温化学渗硫进行了相关研究,对配方组元和工艺参数进行了优化设计,对铁基粉末冶金材料表面的渗硫层物相组成进行了分析,并进行了渗硫层摩擦磨损试验,明晰了渗硫层的减摩耐磨机理。
  首先使用初始试验配方对铁基粉末冶金材料表面进行低温化学渗硫,以摩擦磨损试验后的摩擦系数和磨痕深度为依据,通过控制变量法对渗剂配方进行了优化设计,分析了渗硫温度、渗硫时间、渗硫前酸洗活化时间和基体表面粗糙度等渗硫工艺参数对渗硫层摩擦磨损性能产生的影响。开展了不同润滑条件、不同载荷和不同转速等工况条件下的摩擦磨损性能研究,用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等微观设备分析了渗硫层的形貌、结构、物相组成、元素分布情况以及摩擦磨损试验后的磨痕形貌和磨痕表面组成,分析研究渗硫层的减摩耐磨机理。研究表明,试验配方和工艺条件对渗硫层的磨擦磨损性能有着重要的影响,在优化后的配方和工艺条件下,铁基粉末冶金材料表面渗硫可以明显改善其减摩耐磨性能。在油润滑条件下由于有润滑油的作用,渗硫层能充分发挥液固协同润滑,比干摩擦条件下减摩耐磨效果要好;渗硫层在相对较低的载荷下渗硫层发挥了较好的减摩耐磨性能,但当载荷超过渗硫层的承载能力时,渗硫层会很快失效,磨损很严重;适当的增加摩擦速度有助于渗硫层和上试样之间润滑油膜的形成,提高渗硫试样的减磨耐磨性能,但如果转速太高会对油膜产生破坏,不利于润滑油膜的稳定,加剧渗硫试样的磨损。
[硕士论文] 庞甜甜
流体机械及工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:哈氏合金C-276作为一种耐腐蚀的镍基合金,在工业领域中得到了广泛的应用,将其制备成薄膜能在有效利用材料特性的基础上降低使用成本。本文采用直流磁控溅射的方法制备高品质的哈氏合金C-276薄膜,研究了制备工艺及其组织结构、成分与性能。
  用ANSYS有限元分析软件对哈氏合金C-276薄膜内的热应力进行了模拟,结果表明靠近边缘处薄膜的应力应变较大,容易脱落,薄膜热应力水平远大于基体。将理论计算得到的热应力与模拟计算的结果进行了比对分析,得到了热应力随基体厚度、膜厚以及沉积温度变化的规律。
  首先用XPS研究分析了薄膜的化学组成,实验结果证明薄膜的成分与靶材成分类似,且除Ni以外基本以金属态存在。而后利用台阶仪、SEM、显微硬度计研究了镀膜工艺参数对薄膜沉积速率、微观结构及硬度的影响,实验证明不同工作气压下溅射功率对薄膜生长过程的影响有很大差异,应进行区分,同时研究了工作气压及靶基距对薄膜结构及性能等的影响规律,得到了实验范围内的最佳参数。
  最后研究了哈氏合金C-276薄膜在不同温度下的退火处理,退火温度范围为450℃-750℃,处理后的薄膜硬度整体下降。对薄膜的结构及硬度、摩擦性能进行研究,得到了晶粒细化且摩擦系数较低的薄膜,以及物相结构更接近哈氏合金C-276块体材料的薄膜。
[硕士论文] 何涛
流体机械及工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:本文研究了磁过滤阴极弧技术中抑制大颗粒和降低ta-C薄膜残余应力的关键技术,并在316L不锈钢和硅(100)表面制备一系列以钛为过渡层的ta-C薄膜。通过实验研究了磁过滤线圈电流、挡板孔径和脉冲偏压等工艺参数对大颗粒的影响,并运用ANSYS分析了弧源磁场分布对弧斑运动及大颗粒的影响。同时,研究退火前后ta-C薄膜的残余应力、硬度、膜基结合力和摩擦等性能的变化,并运用ANSYS模拟不锈钢基Ti/ta-C的热应力分布,探究ta-C薄膜残余应力过大的原因及降低方法。全文主要内容如下:
  (1)通过实验发现大颗粒含量随挡板孔径和磁过滤线圈电流的增大而增大,随脉冲偏压的增大而较小。
  (2)运用有限元方法研究发现随着中心永磁体直径和高度的增加,石墨靶面最大横向磁通密度越大,大颗粒含量越低;随着线圈电流增加,靶面纵向磁通密度零点位置逐渐向靶面中心靠近,弧斑运动更稳定,为有效控制大颗粒含量提供了一种新途径。
  (3)通过正交试验分析得出中心永磁体直径为18mm,高度为55mm,线圈电流为2A时弧斑运动稳定,大颗粒含量降低。
  (4)运用有限元方法模拟研究出316L不锈钢基Ti/ta-C复合膜的热应力分布规律,以及沉积温度、膜层厚度和基底厚度等参数对热应力的影响,数值模拟与理论计算结果误差较小,为沉积制备Ti/ta-C复合膜的厚度控制提供了理论依据。
  (5)实验测试了不同沉积温度下Ti/ta-C薄膜的残余应力,与热应力数值模拟结果比较分析,揭示了薄膜缺陷和杂质等导致的本征应力是磁过滤阴极弧沉积ta-C薄膜残余应力过大的主要因素。
  (6)通过高真空退火实验研究了Ti/ta-C薄膜残余应力的变化规律,其中退火温度200℃时,薄膜残余应力最低,硬度、结合力、摩擦系数和键结构相对未退火时变化较小。
[硕士论文] 李梦雪
环境科学 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:针铁矿是土壤和沉积物中极具表面活性和生物化学活性的重要组分之一,而土壤中铝元素的存在会影响针铁矿矿物学特征及其热相变规律,进而影响其相变产物表面物化性质。
  为此,本文合成了晶格铝替代针铁矿,并分别在空气气氛和还原气氛下得到了热处理产物。通过XRD、FESEM、TEM、Zeta电位、BET、红外光谱、拉曼分析、XPS等一系列表征得知:晶格铝替代针铁矿不仅会改变晶体形貌,影响晶体表面反应活性,抑制针铁矿的成核与生长,同时也提高了晶体的比表面积。在还原性气氛下,晶格铝替代会阻碍针铁矿向零价铁的转化并生成含有晶格铝替代铁氧化物的多孔零价铁。
  批实验结果说明:准二级动力学模型和Langmuir模型能够更好的描述反应过程,磷酸盐的吸附量与铝的替代量成正比关系。弱酸条件下能够促进铝代针铁矿及其热处理产物对磷酸盐的吸附,反应过程属于内表面络合过程。热力学参数说明铝代针铁矿及其热处理产物吸附磷酸盐是自发和吸热的过程。
  在铝代针铁矿吸附磷酸盐的实验中,共存阴离子和HA对吸附反应的影响大小顺序为Cl-、NO3-<HCO3-<SO42-<CO32-<HA;空气气氛热处理产物吸附磷酸盐的实验结果为Cl-/CO32-<NO3-<SO42-<HCO3-<HA;还原气氛热处理产物吸附磷酸盐结果为SO42-<NO3-<HCO3-<CO32-/Cl-<HA。这一结果说明HA的存在明显抑制了反应的进行。
  通过红外光谱和XPS分析结果得知:在吸附反应中,含氧官能团起到了重要作用,为磷酸盐的吸附提供了充足的吸附位点。磷酸盐主要以双齿配合物的形式吸附在铝代针铁矿的表面;而在空气气氛热处理产物中主要以双齿配合物和三维沉淀共存;还原气氛热处理产物吸附磷酸盐的反应机理不仅有吸附作用、还有化学沉淀或共沉淀作用。
[博士论文] 崔文超
机械制造及其自动化 山东大学 2017(学位年度)
摘要:非晶合金具有优异的机械、物理和化学性能,被用作结构材料和功能材料。但非晶合金特殊的微观结构导致了室温塑性变形能力差,成为限制其广泛应用的瓶颈。研究发现,利用相分离(难混溶)合金组元互相排斥的性质制备出纳米尺度相分离非晶合金能够有效提高非晶合金的室温压缩塑性。目前还缺乏对相分离非晶合金形成的微观机制以及分离相对塑性变形的作用机制的认识。Fe-Cu合金是典型的难混溶合金,相分离程度大,因此该体系构成的相分离非晶合金具有代表性。
  本论文以典型的相分离Fe-Cu合金作为研究对象,采用计算机模拟和实验相结合的方法,首先对相分离合金熔体进行结构、热力学表征,并与典型的Cu-Zr混溶体系进行对比,探讨难混溶合金的相分离机制,其次阐明Fe50Cu50、Fe75Cu25两种典型的合金熔体快速凝固条件下形成晶体、非晶的微观过程,最后利用快速凝固技术制备Zr-(Cu-Fe)-Al纳米尺度相分离非晶合金,分析形成机制,揭示分离相对非晶合金室温压缩塑性的影响及作用机制。
  本文首先选择Cu-Zr和Fe-Cu合金作为混溶合金和难混溶合金的典型体系,对二元混溶和难混溶合金进行结构和热力学表征。研究发现,由于合金熔体中原子间相互作用力不同,混溶和难混溶合金熔体的结构存在着很大的差别。在混溶的Cu-Zr合金熔体中,异类原子间的偏偶分布函数曲线第一峰的峰值大于同类原子,异类原子的配位数也大于同类原子,说明合金熔体的中心原子的第一配位层主要分布着异类原子。混溶合金的Bhatia-Thornton(B-T)结构因子中的成分波动自相关函数(Scc(q))在q趋近于0时没有明显波动。难混溶的Fe-Cu合金熔体的同类原子间偏偶分布函数曲线第一峰的峰值远大于异类原子,同类原子的配位数也更大,标志着同类原子间形成最近邻结构,其B-T结构因子在q趋近于0时Scc(q)突然增大,表明难混溶合金熔体中原子浓度出现剧烈波动。分析发现,合金熔体的过剩体积本质上是原子间吸引力和排斥力相互作用的结果,与合金熔体混溶趋势无关。合金熔体的混合焓是由合金体系能量的变化决定,混溶合金的混合焓为负,难混溶合金的混合焓为正。以上研究为相分离非晶合金的成分设计提供依据。
  对Fe50Cu50合金熔体在不同温度下的弛豫行为进行模拟,通过分析液滴尺寸、原子浓度波动以及体系中的势能变化,探究合金熔体的相分离机制和驱动力。研究发现,Fe50C50合金熔体的相分离过程由调幅分解机制控制,最终形成富Cu区和富Fe区,主要经历网格状结构生成、粗化以及液滴的迁移和球化过程。合金熔体在1500K弛豫平衡后,富Cu区内的Cu原子含量为90%,富Fe区内Fe原子的含量为95%,相分离过程存在着明显的上坡扩散现象。合金熔体内的平均势能和相区尺寸在相分离初期和液滴聚集粗化的阶段有明显下降,随后不再变化,说明势能的减小是合金熔体发生相分离的驱动力。对不同原子势能的计算发现Fe原子势能的减小造成了Fe原子聚集,富Fe区内的Cu原子“被迫”移动到富Cu区内。低温弛豫体系中富Cu区和富Fe之间存在着更大的势能差,因此原子的扩散速率更高,相分离程度更大。
  对Fe50Cu50合金熔体从3500K至300K的快速凝固过程进行分子动力学模拟,结合原子构型图研究其相分离机制以及非晶或晶体的形成过程。Fe50Cu50合金熔体快速凝固过程中先在调幅分解机制控制下发生相分离,然后凝固成晶体或非晶体。在不同冷速下,合金熔体最终形成三种不同形态的微观组织:较高的冷速形成分布着网格状富Fe相的非晶,降低冷速形成分布着网格状分离相的晶体,进一步降低冷速则形成分布着富Fe液滴的晶体。在晶化过程中,只有富Fe区(团簇)中才会形核。最终晶体中会出现很多孪晶,晶界两侧同类原子堆垛呈现出镜像对称。
  对Fe75Cu25合金熔体不同冷速时的快速凝固过程进行分子动力学模拟,同时利用单辊快淬法制备Fe75Cu25和Fe50Cu50合金条带,对其相分离机制和晶化过程进行研究。当模拟体系的冷速达到6.4×1012K/s合金最终凝固为非晶状态。与Fe50Cu50合金熔体不同,Fe75Cu25合金熔体的相分离过程由形核生长机制控制,最终在富Fe基体上形成富Cu液滴,因此所有体系凝固后的形貌都是是在非晶或晶体结构中分布着液滴状的分离相。实验制备的合金条带的结构与模拟获得的结构相一致。晶化后的合金结构与Fe50Cu50合金相似。模拟结果说明相分离合金中元素的含量会对相分离机制和分离相形貌产生影响,冷却速度只影响分离相的形貌而不会影响相分离机制。形核生长机制控制的相分离过程不出现网格状结构,因此更有利于在相分离非晶合金中获得均匀分布的相分离组织。
  利用Fe、Cu的难混溶特性,在非晶形成育力较强的Zr-Cu-Al合金中加入微量Fe元素,通过快速凝固技术制备出纳米尺度相分离Zr65-xCu30FexAl10(x=5和7.5at.%)非晶合金,对其塑性进行研究。结果表明,Zr60Cu25Fe5Al10的非晶形成能力优于Zr575Cu25Fe75Al10,Fe元素的增加会降低Zr-(Cu-Fe)-Al合金非晶形成能力。在形核生长机制的控制下,制备的非晶合金中形成了许多相分离颗粒,导致非晶合金呈现出大规模的微观结构分布不均匀现象。变形过程中,分离相在远离主剪切带的位置诱发形成多重剪切带,同时沿着主剪切带产生密集的多重剪切带,在两种剪切带的共同作用下,相分离非晶合金在压缩实验时表现出较高的屈服强度和明显的宏观塑性。对应力-应变曲线中的锯齿状波动分析发现塑性变形的稳定阶段和后期阶段局部应力下降的互补积累概率分布都符合幂律分布。前者的幂律标度指数大于后者,表明塑性变形的稳定阶段在动力学上处于更加稳定的自组织临界状态,这是由于在变形过程中在远离主剪切带处形成多重剪切带。在塑性变形的后期阶段,主剪切带周围生成了密集的多重剪切带,极大地延缓了主剪切带滑移-失效转变的出现,形成了稳定体系,提高了相分离非晶合金该阶段的塑性。实验结果验证了分子动力学模拟中的相分离非晶合金的结构形貌和形成机制,证明纳米尺度相分离非晶粒子能够极大地改善非晶合金塑性变形过程中剪切带生长的稳定性,进而改善非晶合金的室温塑性。
[博士论文] 神克常
材料加工工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:本文选取Au(110)和Au(111)单晶、二元Au-Ag和Au-Cu合金(Au87.5Ag12.5、Au75Ag25、Au87.5Cu12.5、Au75Cu25)以及多元的Au52Cu27Ag17-x(NiZn0.5)x(x=0,6,12,17)合金作为研究对象。利用X射线衍射仪(XRD)、电化学工作站、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、电子背散射衍射(EBSD)、热膨胀仪(DIL)、显微硬度计、纳米压痕仪、交变梯度磁强计(AGM)、DFT计算等测试手段和方法对Au及其二元和多元合金的组织结构、电催化性能、耐腐蚀性能、热膨胀行为、力学性能、磁性等进行了研究。主要分析了Au的两个低指数晶面的催化活性差异的来源以及合金元素的加入对Au合金结构和性能的影响。主要研究内容如下:
  (1)Au(110)及Au(111)对甲醇和甲酸电氧化的催化活性研究
  利用电化学循环伏安测试(CV测试)和电化学阻抗谱(EIS)并结合DFT理论计算研究了Au(110)和Au(111)两个单晶电极对于甲醇和甲酸氧化的催化活性。经过100个循环周期的CV扫描过后,两个Au电极依然保有催化活性,表现出比较好的耐久性。无论是对于甲醇的氧化还是甲酸的氧化,Au(111)都表现出了比Au(110)更好的催化活性。随着正向增加扫描电位,在两种电解质中Au(110)和Au(111)表面形成的氧化膜厚度是不同的,这可以利用氧化膜电阻Rf以及电荷转移速度常数ks来表征。在0.5M KOH+0.5M CH3OH溶液中,Au(111)表面上的氧化膜覆盖率比Au(110)上要小,这意味着在甲醇氧化过程中氧化膜带来的抑制作用较小,并且在高电位区间更容易发生氧化膜的翻转,从而有利于甲醇在高电位处的再次氧化。在0.5M H2SO4+0.5M HCOOH溶液中,Au(111)表面上的氧化膜较Au(110)上更厚,由于Au的氧化物形成伴随着甲酸的快速氧化,因此Au(111)对甲酸的氧化的催化活性更好。
  Au电极表面氧化膜的形成与CV测试过程中的过电位ΔEo以及OH-离子在表面的吸附相关。根据DFT计算得到OH-离子在Au(110)上的吸附能εads为-2.16eV,而在Au(111)上的εads则为-2.10eV,不过单位面积的Au(111)面上有更多的吸附位点。根据ΔEo以及εads的计算结果解释了Au(110)和Au(111)上氧化物数量不同的原因,并且计算得到的偏态密度(PDOS)以及OH-离子吸附位点的数量也对Au(111)有更高的催化活性给与支持。
  (2)Au-Ag及Au-Cu合金的催化活性、耐腐蚀性及力学性能的研究
  利用CV测试、极化曲线测试、显微硬度计对二元Au合金:Au87.5Ag12.5、Au75Ag25、Au87.5Cu12.5和Au75Cu25对于甲醇、甲酸氧化的催化性能、耐腐蚀性能以及力学性能进行了研究。制备得到的4种Au合金都是面心立方的Au基固溶体结构,Ag与Cu分别固溶于溶剂Au晶格之中形成连续固溶体。4种Au合金对甲醇和甲酸的氧化都有一定的催化活性。在0.5M KOH+0.5M CH3OH溶液中,Au-Ag合金的CV曲线主要表现为Ag的CV曲线形状,有两个氧化峰和两个还原峰,这是因为Ag在溶液中的氧化电流密度比较大,覆盖了Au和甲醇的氧化峰。CV曲线反扫过程中在Ag(Ⅱ)氧化物上会发生甲醇的再次氧化。Au-Cu合金的CV曲线正扫过程中有3个Cu的氧化峰,其中Cu(Ⅲ)氧化物可以促进甲醇的氧化。Ag、Cu含量的增加,合金对甲醇氧化的催化活性是增大的。在0.5MH2SO4+0.5M HCOOH溶液中,CV曲线在较低电位处表现出Ag或Cu的氧化峰,在较高电位处则是Au和甲酸的氧化峰。Au-Ag和Au-Cu合金对于甲酸氧化的催化作用主要来自于合金中的Au,也就是说Ag、Cu的加入对于合金对甲酸氧化的催化活性没有明显促进作用。另外发现溶液中存在HCOOH的时候,CV曲线高电位处对应于Ag(Ⅱ)→Ag(Ⅰ)的还原峰就消失了。
  4种合金在0.8MNaCl溶液中的耐腐蚀性顺序为:Au87.5Ag12.5>Au75Ag25>Au87.5Cu12.5>Au75Cu25。合金元素加入量的增加,降低了合金的耐腐蚀性,这与合金组元的腐蚀电位比Au的要低有关。Au-Ag合金在含Cl-离子溶液里的极化曲线会出现阳极电流密度峰,这归因于AgCl的形成。4种合金的显微硬度值大小为:Au75Cu25>Au87.5Cu12.5>Au75Ag25>Au87.5Ag12.5,合金元素的加入可以提高Au合金的显微硬度,强化机制主要为固溶强化,而且Cu元素比Ag元素有着更好的固溶强化效果。
  此外还研究了Au75Ag25合金在退火前后的催化性能和力学性能的变化,特别是利用EBSD研究了退火前后合金的织构、再结晶比例、晶粒取向差分布以及塑性变形能力。退火后合金对甲醇和甲酸的氧化的催化活性有了明显提高,主要与合金中Au(110)取向性的降低有关。而退火后显微硬度下降十分明显,这主要是由于退火消除了合金轧制带来的残余应力。退火过程中合金发生了再结晶现象,退火前合金有明显的织构,Au(110)主要沿着轧制方向的法向生长,而退火后合金没有织构存在。退火前合金组织中小角晶界占大多数,退火后占据多数的则是大角晶界,并且有大量的退火孪晶出现。另外根据Schmid因子的变化可知,退火后合金的屈服强度变小了,有更好的塑性变形能力,这与退火后显微硬度的降低也是一致的。
  (3)Au52Cu27Ag17-x(NiZn0.5)x(x=0,6,12,17)合金的热膨胀、硬度、磁性和电化学性能
  利用XRD、DIL、显微硬度计、纳米压痕仪、AGM、电化学工作站、XPS等对Au52Cu27Ag17-x(NiZn0.5)x(x=0,6,12,17)合金的结构、热膨胀行为、硬度、磁性、电化学耐腐蚀性、催化性能等进行了研究。4种合金主要是面心立方的Au基固溶体结构,也有一些金属间化合物存在。原子半径比较小的Ni、Zn元素对Au原子的置换会导致固溶体晶格常数变小。随着x增加,在热膨胀实验过程中x=0,x=6和x=12合金的相对长度膨胀量以及DIL极值处温度Tlm(即热稳定性)也增加,这主要是与原子结合能、错配熵、相变等因素有关。随着x增加,合金的显微硬度是增加的,特别是Ni、Zn元素的加入,可以起到很好的固溶强化作用。虽然有磁性元素Ni的加入,但是合金的饱和磁化强度十分微弱。不过合金元素的加入对Au合金的耐腐蚀性有削弱的作用,特别是有着较低腐蚀电位的富Ni相的增加是导致合金耐腐蚀性下降的主要原因。极化曲线上依然可以看出,含Ag元素的合金在含Cl-离子的溶液中会出现一个阳极电流密度峰,这主要是Ag元素的阳极溶解,即AgCl的形成导致的。
  利用王水对合金表面进行了不同时间的腐蚀,发现腐蚀时间和Ag含量对表面形貌以及CV曲线形状有着显著的影响。腐蚀会造成表面Au(110)取向性的变化以及Ag/AgCl颗粒的形成,并且CV曲线上会有一些新的峰出现。腐蚀前后的合金对HCOOH的氧化都有催化活性,Au、Ag以及Cu元素在CV曲线上都表现出了各自的氧化峰。和二元Au合金情况相似的是,HCOOH的存在使得CV曲线上Ag(Ⅱ)→Ag(Ⅰ)的还原峰消失了,这是因为Ag(Ⅱ)会与HCOOH发生反应被还原为Ag(Ⅰ),也表明Ag(Ⅱ)的存在对于HCOOH的氧化具有促进作用。
[博士论文] 梁永立
材料学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:无间隙原子(IF)钢具有优良的深冲成形性能,广泛应用于汽车、家电等外板制造,是最重要的结构材料之一。但是,IF钢的耐蚀性较差,服役过程中很容易受到环境侵蚀而失效。Zn-Al合金防护涂层具有优良的耐蚀和耐磨性能,是最常用的延长钢铁结构件服役寿命的涂层材料之一。作为一种新型的涂层制备技术,冷喷涂可以在低温下实现涂层的沉积,在金属涂层制备领域具有广阔的应用前景。如何制备致密稳定的保护性涂层、以及如何提高涂层与基体之间的结合强度,是冷喷涂技术发展中的关键问题。
  本文利用冷喷涂技术在IF钢表面成功制备出致密的Zn-Al涂层,研究了后续退火处理和IF钢基体表面纳米化对涂层/基体界面结合强度的影响。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱仪和X射线衍射表征了涂层、基体及界面化合物的微观组织、成分分布和相组成;利用显微硬度计、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和三电极系统评价了退火前后Zn-Al涂层的力学性能和耐蚀性能;利用三点弯曲和“拔钉法”(Stud pull-off test)研究了涂层/基体之间的结合强度。得出以下主要结论:
  1.利用冷喷涂技术在IF钢基体上制备出孔隙率<0.5%的Zn-Al合金涂层,制备过程中未发生明显的氧化和相变。200-350℃温度范围内,涂层硬度随退火温度的升高逐渐增大;而涂层的摩擦磨损性能随退火温度的升高呈现下降趋势;退火后涂层的耐腐蚀性能变化不大。
  2.冷喷涂Zn-Al层的IF钢原始样品(Zn-Al/IF-CG)在400℃保温60min退火后,涂层与基体之间的抗剥离能力略有提高;保温时间大于60min后,涂层与基体界面形成Fe11Zn40、FeZn10和Fe2Al5-xZnx组成的混合化合物相,导致其抗剥离能力随退火时间的延长快速降低。
  3.SMAT处理能够在IF钢基体表面制备出梯度纳米结构组织,最表层平均晶粒尺寸~10nm,硬度较粗晶基体提高~33%。表层梯度纳米结构组织在400℃以下具有良好的热稳定性。
  4.IF钢基体SMAT能够显著改善涂层/基体的界面结合性能,冷喷状态下Zn-Al层与SMAT样品(Zn-Al/IF-SMAT)的界面结合强度达到58.1MPa,较Zn-Al/IF-CG样品提高了~30%。
  5.冷喷涂Zn-Al/IF-SMAT样品的界面结合强度不能通过后续扩散退火处理进一步提高。在400℃退火时,保温时间小于30min时涂层/基体界面结合强度有所降低;随着保温时间的延长,界面结合强度开始升高并达到一个相对稳定值(~50.2MPa);当保温时间大于90min后,涂层-基体界面结合强度再次降低。
  6.相同条件退火处理后,冷喷涂Zn-Al层在表面纳米化IF钢基体上的结合强度均不低于在粗晶IF钢基体上的结合强度。
[博士论文] 孙倩
材料加工工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:偏晶合金十分广泛,其主要特点是,单一均匀的偏晶合金熔体在冷却过程中将发生液-液相变,生成两个互不混溶的液相。如凝固形成少量相以微小粒子形式弥散分布于基体中的复合材料,则许多偏晶合金具有优异性能,在工业上拥有广阔的应用前景。然而,偏晶合金液-液相变过程十分复杂,影响因素繁多,在常规的凝固条件下,极易形成相偏析严重乃至两相分层的凝固组织。这限制了该类合金的工业开发与应用。开展偏晶合金凝固过程及其组织控制研究对推动偏晶合金材料工业应用具有重要意义。
  微合金化对金属和合金凝固过程与组织具有重要影响,但迄今为止,有关微合金化条件下偏晶合金凝固行为的研究鲜有报道,本论文采用实验与模拟计算相结合的研究方法,研究微合金化条件下偏晶合金凝固行为,探索微合金化对偏晶合金凝固组织的影响及用微合金化法控制偏晶合金凝固过程及组织的可行性。主要研究工作及成果如下:
  实验研究了微量元素对偏晶合金凝固组织的影响,考察了微量元素Bi对Al-Pb合金、微量元素Sn对Al-Pb(Bi)合金凝固组织的影响。发现微量元素Bi、Sn可以显著细化Al-Pb(Bi)偏晶合金凝固组织;随着微量元素添加量的增加,弥散相液滴的平均尺寸呈现先减小后保持不变的规律;弥散相体积分数越大,微量表面活性元素对偏晶合金中弥散相粒子的细化效果就越好,表明微量元素Bi可以作为Al-Pb合金的表面活性元素,微量元素Sn可以作为Al-Pb(Bi)合金的表面活性元素。
  建立了微量表面活性元素作用下偏晶合金连续凝固组织演变过程模型,并结合实验开展了模拟研究,揭示了微量表面活性元素对偏晶合金连续凝固组织的影响机理。结果表明,表面活性元素富集于基体液相与弥散相液滴界面处,降低偏晶合金液-液相变过程中两液相间的界面能,从而提高弥散相液滴的形核率,降低弥散相液滴的Marangoni速率,促进偏晶合金形成弥散型凝固组织。
  提出了在氟盐反应法中采用纳米碳管(CNT)作为碳源制备Al-Ti-C中间合金的新思路,制备出了TiC颗粒弥散度高的Al-Ti-C中间合金,分析了CNT作为碳源时Al-Ti-C中间合金凝固组织的形成过程,结果表明,Al-Ti-C中间合金制备过程中,TiC颗粒是通过固态C与溶质Ti反应生成,而不是通过溶质C与溶质Ti反应生成;CNT尺寸小,比表面积大,能够增加铝熔体与CNT间的接触面积,同时,CNT结构中存在大量的缺陷和空位,使CNT具有较高的化学活性,这些均有利于促进CNT与溶质Ti之间的反应,促进TiC颗粒高度弥散分布于基体中的Al-Ti-C中间合金的形成。
  以Al-Pb(Bi)偏晶合金为对象,实验研究了微量化合物TiC对偏晶合金凝固组织的影响。发现微量化合物TiC可以显著细化Al-Pb(Bi)偏晶合金凝固组织;随着TiC颗粒添加量的逐渐增加,弥散相液滴的平均尺寸呈现先保持不变、增大、减小再保持不变的趋势;弥散相体积分数越大,微量化合物TiC对弥散相粒子的细化效果就越好,表明TiC颗粒可以作为Al-Pb(Bi)偏晶合金液-液相变过程中弥散相液滴的有效异质形核质点,能大幅度提高弥散相液滴形核率,促进弥散型偏晶合金凝固组织的形成。
  建立了TiC颗粒在偏晶合金熔体中的动力学行为模型及微量化合物TiC作用下偏晶合金凝固组织演变过程模型,模拟计算与实验研究相结合,分析了TiC颗粒在合金熔体中的动力学行为及其对偏晶合金凝固组织的影响,阐明了微量化合物TiC对偏晶合金凝固组织形成过程的影响机理。结果表明,TiC颗粒自加入偏晶合金熔体后会发生溶解、粗化及冷却时沉淀析出过程,这一过程对偏晶合金凝固组织影响重大,TiC颗粒对弥散相液滴的细化效果主要取决于液-液相变开始温度时熔体中存在的TiC颗粒的数量密度。当TiC颗粒添加量较小,冷却至液-液相变开始温度时熔体中存在的TiC颗粒的数量密度不足时,微量化合物的添加会粗化弥散相液滴;只有当TiC颗粒添加量较大,冷却至液-液相变开始温度时熔体中存在的TiC颗粒的数量密度足量时,微量化合物的添加才会细化弥散相液滴,促使弥散型偏晶合金凝固组织的形成。
[硕士论文] 黄苏南
工程力学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:泡沫金属材料由于其特殊的细观结构,使其具有优越的力学性能,诸如高比强度和高比刚度,以及良好的吸能特性,因此被广泛地应用于汽车、航空航天以及军事防护等领域,尤其是在缓冲吸能的结构设计方面,表现相当突出。而泡沫金属材料的功能可设计性也为其能够被广泛应用提供了保障,例如可改变其相对密度,孔径的类型和大小以达到实际应用的要求。泡沫金属的动态力学性能与其细观结构参数的关系尚不明确,实验研究相对较少。对泡沫金属实验研究的主要困难是泡沫金属在高速加载下的非均匀变形特征并不能满足传统Hopkinson压杆技术的均匀性假定,故而在实验中测得的动态压缩性能可能不准确。此外,对细观结构参数的影响的研究也同样存在着实验技术的困难,需要发展合适的实验方法以得到较为准确的动态力学性能与细观结构参数的关系。
  首先研究了泡沫铝材料在准静态压缩下的应力-应变行为和材料参数的确定方法。采用刚性-塑性硬化(R-PH)材料模型拟合泡沫铝的工程应力-应变关系,讨论了四种拟合方式,并且最终确定从材料参数本身的物理意义出发,采用独立确定材料参数的方法,可以很好地表征泡沫铝在准静态下的应力-应变关系。
  本文利用直接冲击的方式,基于泡沫铝的动态力学性能,并考察关于泡沫铝动态理论模型的研究,介绍了一种动态、刚性-塑性硬化(D-R-PH)模型,通过跨波阵面的守恒关系以及刚性体的牛顿运动定律,可以得到一种时间关于速度的函数表达关系,如下式所示:t(v)=L/b2∫v0ve(V+c)2/2b2(v0+c)2/2b2dV(a)式中,L为泡沫铝试件原始长度,v0为初始冲击速度,v为撞击过程中的瞬时速度,t为时间,b和c为材料参数。可以通过实验测定冲击速度的历史曲线,通过(a)式拟合得到材料参数b和c,进而可以给出D-R-PH模型中的两个材料参数:初始压溃应力σd0和应变硬化参数D。并通过对比拟合得到的应力时程曲线和由Hopkinson杆测得的应力时程曲线,验证了D-R-PH模型在研究泡沫铝动态力学性能方面的有效性和正确性。通过对比准静态实验的应力应变曲线可观察到泡沫铝是一种加载率敏感的材料。通过实验研究泡沫铝的相对密度对D-R-PH模型参数的影响,得到一种显含有相对密度的泡沫铝的应力应变关系。
  分别对不同性质的泡沫铝材料进行动态实验,并且通过两种拟合方案对比,得出适用于确定脆性泡沫铝材料或者非脆性泡沫铝材料的理论模型参数的方案。并对相关的原因进行了分析。结果表明,两种实验的拟合方案均可以对动态材料参数进行确定,对于应力的测量出现较大震荡或者不够准确的情况下,应该采取速度时间拟合;若速度和应力均能准确测量,用应力速度拟合方法将会更加准确。
[硕士论文] 杨愿愿
材料工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:金属基复合材料兼有金属基体的良好塑韧性和增强相的高比强优点,比传统金属材料具有更高的比强度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀性能等特点。进行TiC-NbC颗粒增强铁基复合材料熔敷层的研究,具有较高的理论意义和实际应用价值。
  采用粉末等离子熔敷制备了TiC-NbC增强高铬镍铸铁基复合材料熔敷层和高铬镍钢基复合材料熔敷层,使用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析、X射线衍射、显微硬度计等手段,研究了碳含量和TiC-NbC增强相含量对其组织与性能的影响。
  结果表明:在高铬镍铸铁基复合材料熔敷层中,Ti优先与C生成TiC,NbC以TiC为核心长大,生成TiC-NbC复合碳化物均匀地分布于熔敷层中。随着碳含量的降低,TiC-NbC复合碳化物形貌逐渐由块状变为双叶状、三叶状、十字状,铬的初生碳化物(Cr,Fe)7C3由粗大的规则正六棱柱状变为细小的不规则六棱柱状,其体积分数变小。高铬镍钢基复合材料熔敷层的显微组织主要由奥氏体、TiC-NbC复合碳化物、铬的碳化物组成。当TiC含量为1~4%时,随着外加TiC含量的增加,熔敷层的硬度及耐磨性增加。当外加TiC含量达到6%以上时,熔敷层出现裂纹,焊缝成形较差,有部分TiC颗粒团聚在一起。
  在高铬镍钢基复合材料熔敷层中,固溶体中Cr的含量比高铬镍铸铁基复合材料高。在高铬镍铸铁基复合材料熔敷层中,随着碳含量的降低,固溶体中的Cr含量不断增加,当Cr的固溶量达到约19%时,固溶量不再继续增加;而在高铬镍钢基复合材料熔敷层中,随着外加TiC量的增加,固溶体中Cr的含量变化不明显。
[博士论文] 卢磊
固体力学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:镁合金作为一种轻质结构材料,在汽车和航空等领域的应用前景广阔。然而,室温环境中较强的各向异性限制了镁合金的广泛应用。为克服这一缺点,许多学者开展了大量宏观力学行为和微观结构演化方面的研究,但微观结构演化如何影响镁合金的宏观力学行为仍不清楚,缺乏联系宏观与微观变形的细观尺度的测量。有关镁合金各向异性变形的原因众说纷纭,尚未达成共识。本文利用原位实时同步辐射X射线相衬成像和衍射多尺度测量方法研究不同应变率加载下镁合金的各向异性变形。实验设计两种加载方式,加载方向垂直或平行于变形镁合金的c轴,分别记为LA⊥和LA‖。在镁合金变形过程中,实现宏观应力—应变曲线、细观应变场和微观衍射图谱的同时采集。电子背散射衍射技术用于回收样品中的变形孪晶的表征。
  1、室温环境中准静态压缩加载,应变率5×10-4s-1,LA⊥和LA‖样品的应力—应变曲线、应变场和衍射图谱演化均呈现明显的差异。对于LA⊥样品,{1012}拉伸孪生主导塑性变形,应力梯度通过孪生被迅速释放并使应变场变得均匀化,应变局域化程度的降低有效激发了应变硬化率的增加。然而LA‖样品中的塑性变形主要依赖位错运动,位错在缺陷处形核并缠结引起应变集中,细观非均匀变形导致应变硬化率的降低。
  2、高温环境中准静态压缩加载,应变率10-3s-1,镁合金的宏观力学性能、细观应变场和微观晶格变形呈现明显的各向异性。由于初始织构的差异,在室温和高温下,{1012}拉伸孪晶主导LA⊥样品的塑性变形,而位错运动则在LA‖样品中较为盛行。随着温度的升高,LA⊥样品中激发的{10(1)2}拉伸孪晶的数量逐渐减少,使得应变场的均匀化程度降低;高温下,LA‖样品中{11(2)2}锥面滑移较易启动,使得LA‖样品在高温下呈现更加均匀的变形。{10(1)2}拉伸孪晶和锥面滑移均能通过协调垂直和平行于加载方向的变形使塑性变形变得均匀化。应变场不均匀度的差异导致LA⊥和LA‖样品的应变硬化率呈现明显的差异。
  3、分离式霍普金森压杆加载,应变率约为5.5×103s-1,镁合金的动态响应同准静态加载类似呈现较强的各向异性。{10(1)2}拉伸孪晶使得应变场的不均匀度减小,应变场局域化程度的减小有效激发了应变硬化率的增加;位错运动引起非均匀变形,应变场不均匀度的升高导致应变硬化率的减小。然而,在塑性变形的初期,动态加载过程中孪生主导塑性变形,而准静态加载下主导塑性变形的则是位错运动,表明加载应变率在一定程度上影响着镁合金的变形模式。
  4、平板撞击加载,应变率0.92~1.35×105s-1,LA⊥和LA‖样品的弹塑性转变呈现明显的各向异性,但二者的雨贡纽弹性极限基本相同,约为0.32GPa。低速撞击下LA⊥样品的层裂强度略高于LA‖样品,随着撞击速度的增加,二者的层裂强度均随撞击速度的增加而增加,且差异减小;当撞击速度增加至400m/s时,LA⊥和LA‖样品的层裂强度基本一致。LA⊥样品中形成大量的{10(1)2}拉伸孪晶,LA‖样品中孪晶数量较少。
[博士论文] 桂伟民
材料学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:钴基高温合金因其具有较高的熔化温度、优异的抗热疲劳以及抗热腐蚀性能,广泛应用于航空发动机中导向叶片材料。热疲劳是导向叶片最主要的失效形式之一。热疲劳裂纹主要萌生于碳化物和晶界处,并且会沿着碳化物和晶界扩展。为了提高合金的热疲劳性能,需要探索改善碳化物和晶界形态的途径。热处理是影响碳化物类型、形貌、尺寸以及分布的重要手段。本文重点研究了热处理条件下DD640M和DD6509两种钴基高温合金碳化物组织演变规律及其对热疲劳行为的影响,并关注了相应条件下合金持久性能的变化规律。另外,为避免晶界对碳化物演变产生影响,合金应用单晶凝固技术制备。同时,晶界的消除也有利于合金热疲劳性能的提高。本研究为钴基高温合金的发展和应用提供理论基础。
  DD640M合金的铸态组织为粗大的富Cr网状M7C3和富Ta、Zr的骨架状MC的两种共晶碳化物。在1140~1260℃/4h热处理过程中,随着温度升高初生碳化物的数量和尺寸逐渐减小。另外,热处理过程中发生了M7C3→M23C6反应以及MC碳化物的蜕化。本研究中首次揭示M7C3碳化物以原位方式向M23C6碳化物发生转变。M23C6碳化物在M7C3碳化物和基体界面处形核并朝着M7C3碳化物长大。初生MC碳化物在热处理过程中发生蜕化释放大量的W和Ti,温度较低时分解形成M6C碳化物,温度较高时则仅以固溶形式发生蜕化。
  DD6509合金的铸态组织为粗大的富Ta骨架状MC和富Cr不规则块状M23C6两种共晶碳化物。在1260~1330℃/4h热处理过程中,初生碳化物逐渐发生溶解。初生M23C6碳化物在1300℃/4h热处理时完全溶解到基体中,另外,高温下部分骨架状MC碳化物分解成颗粒状。
  固溶处理促进DD640M和DD6509合金在1000~1200℃时效条件下析出更均匀更细小的二次碳化物。DD640M合金基体中只析出二次M23C6碳化物;DD6509合金中析出二次MC和M23C6碳化物,其中二次MC碳化物分布在基体中而二次M23C6碳化物分布在碳化物周围。
  DD640M合金初生M7C3共晶碳化物在1280℃发生熔化,重凝组织为片层更细的M23C6共晶碳化物。M7C3共晶碳化物的熔化过程为M7C3碳化物先转变成M23C6碳化物再发生熔化。初生MC共晶碳化物在1320℃发生熔化,重凝后形成骨架更细的MC共晶碳化物。DD6509合金中初生M23C6共晶碳化物熔化发生在1335℃以及MC共晶碳化物熔化发生在1340℃。本研究首次关注了钴基高温合金中初生共晶碳化物的熔化现象,为优化钴基高温合金的化学成分以及微观组织提供借鉴。
  采用合适的热处理方法可有效改善DD640M和DD6509合金的热疲劳性能。其中,DD640M和DD6509合金分别在1260℃/24h和1330℃/24h+1100℃/100h热处理后热疲劳性能提高最为明显。热处理使得合金中碳化物更加弥散和细化,减缓热疲劳裂纹萌生与扩展,从而提高合金热疲劳性能。DD640M和DD6509合金高温固溶处理后持久寿命均有提高,其缘于热处理后获得良好的组织稳定性、细小MC碳化物以及过饱和固溶体。DD640M合金铸态样品在高温持久过程中发生了M7C3→M23C6,M23C6→M6C和MC→M23C6转变。热处理使得钴基高温合金热疲劳性能和持久性能均得到显著提高,这改变了热处理对钴基高温合金性能影响有限的认识,钴基高温合金热处理应该得到应有的重视。
  两种合金的成分差异影响合金碳化物组织的组成和稳定性。DD6509合金的热疲劳性能和高温持久性能均优于DD640M合金,归因于DD6509合金更加稳定的碳化物组织、较高的碳化物含量和二次MC碳化物的析出。
[硕士论文] 倪天宝
动力工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:随着发动机强化程度的不断提高和排放要求的日益严格,活塞质量的管控与关注走向精细化,小质量大问题成为活塞失效体现的突出模式,也已成为活塞生产企业三包索赔等质量成本中的重要构成部分。如何进一步提高产品质量、保证现有结构活塞的设计性能得到充分释放,是高效、便捷、低成本地实现活塞性能进一步提升的有效途径和现实需求。围绕着如何有效保证产品质量、加强制造过程控制,国内外进行了不懈的研究,且研究越来越细化。活塞镶奥氏体铸铁环槽的结构与质量是活塞功能实现的关键相关部位,影响着发动机功率释放和燃气排放达标与否,也是活塞制造过程中的重点、难点。
  结合国内外活塞制造过程控制技术发展现状,本文依据一定的理论计算及分析,依托工厂生产实际,对活塞奥氏体铸铁环槽的制造过程进行了深入研究和探讨,开展了大量的试验和分析,活塞奥氏体铸铁环槽表面质量得到有效提升。
  本文主要从铸铁环槽工艺特性分析、加工过程自动防错预警,有害毛刺预防、铸铁镶圈粘结率检测这几个方面进行研究:
  首先,针对活塞奥氏体铸铁环槽结构及其表面质量相关特性进行逐一分析,根据各特性尺寸及公差要求和现有设备保证能力,分析识别出质量控制难点和风险,明确了本文研究的必要性。同时对铸铁环槽加工所用设备精度要求、加工工艺装备及其与机床连接精度、铸铁环槽表面质量检测要求等进行了探讨和分析,这些是活塞铸铁环槽加工制造的基本保证因素,需要首先保证。
  其次,针对加工中常见的活塞止口垫屑问题,本文设计了一套气密防护装置及应用程序。通过加装气密性防错系统有效预防加工定位基准不稳问题,保证环槽表面质量的槽侧跳动及槽侧角度等产品质量特性稳定且不超差。该装置不仅提升了现有设备的机械加工能力,而且降低了操作者劳动强度。
  第三,根据近几年主机厂和最终用户质量索赔,铸铁环槽下侧面毛刺凸起已成为引起发动机漏、窜气所导致发动机燃油效率低、动力不足等质量事故的突出问题,且毛刺凸起在发动机运转过程中易脱落,脱落的颗粒物对发动机内部其他部件特别是对细小颗粒物比较敏感的部件,如曲轴、连杆、缸壁等产生重要的不可逆的损害。本文理论结合实际,根据毛刺凸起的形成原因,合理优化工艺流程,将环岸外口毛刺凸起有效控制在允许范围以内。
  第四,采用顶定位方式进行探伤有效规避了因活塞面窗结构造成的探测不稳问题,本文设计了结构简单操作方便的探伤机旋转机构、位移调整机构和探头调整机构,并设计一款适用于透射检测法使用的探伤粘结率检测标样,有效保证发动机对活塞强度的要求。
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