作为结构轻量化的代表性材料,传统铝合金受限于200 ℃以下温度服役,300~400 ℃高温服役成为其应用的瓶颈问题。本文面向该瓶颈问题内在机理及其相关科学问题,提出了快扩散溶质原子与慢扩散溶质原子耦合的新型耐热铝合金微观组织设计策略:(1) 沉淀相界面原子偏聚;(2) 异质原子间隙位置有序化;(3) 多层级异质相界面共格耦合等热稳定化设计,在原子尺度上对微观组织进行微合金化调控。最后,展望了300~400 ℃耐热铝合金体系开发及未来潜在发展方向。
钨材料作为一种重要的工业材料,以其高密度、高熔点和卓越的硬度及耐磨性能而闻名。晶体缺陷在钨材料的晶体结构中是常见的,调控钨材料中的缺陷是改善其性能的重要手段,深入理解钨材料中缺陷的形成与演化是实现其调控的理论基础。本文从烧结过程引入缺陷、应力效应引入缺陷2个关键方面,综述了钨材料缺陷的形成机制及其研究进展,对应地从制备、加工等角度来理解钨材料中的缺陷,并对相关领域近年来的研究进展进行了评述和展望,旨在为钨材料的研究提供参考。
随着第四科学范式数据驱动方法的兴起,其在合金设计领域中对物理模型驱动的第三科学范式构成了显著的冲击。但2种范式均无法在合金设计,尤其是宏观力学性能设计层面打破模型准确性与可解释性间的互斥关系,因而无法满足材料基因工程领域,尤其是针对块体金属结构材料设计的高效率、高合理性要求,这一困境也催生了第五范式AI4Sci在该领域的兴起。本文综述了物理冶金原理指导人工智能方法体系下的诸多案例,从数值数据指导、图像数据指导和机制指导3个层次系统阐明如何进行物理模型/机制与人工智能的深度结合,以打破合金设计过程中模型准确性与可解释性间的互斥关系,从而深刻揭示合金设计过程中多尺度物理模型、人工智能及AI4Sci三大范式的理论本质与优劣势,并在突破跨尺度建模困境、发展材料学大模型技术等方向上,给予各科学范式在合金设计中未来发展的研究思路与技术方法指导。
Monel K-500合金具有优异的耐腐蚀性能和良好的力学性能,被广泛应用于化工、船舶等领域。为研究定向凝固(DS)与固态相变双联协控技术对合金力学性能的作用机制,在不同生长速率下采用定向凝固和双联协控技术制备了Monel K-500合金,并对合金的微观组织和拉伸性能进行了分析。结果表明,定向凝固条件下合金的微观组织由γ相枝晶构成。当生长速率由100 μm/s减小至5 μm/s时,DS合金凝固时的温度梯度增大,在生长速率和温度梯度共同影响下枝晶组织逐渐粗化,合金中Cu元素偏析减弱且γ相织构强度增大,合金屈服强度与抗拉强度分别从248和421 MPa提高至288和487 MPa,延伸率由63.4%增大至69.9%。定向凝固与固态相变双联协控条件下,γʹ沉淀强化相析出,且微观偏析进一步减弱。随着生长速率减小,双联协控合金的屈服强度与抗拉强度增大,延伸率先减小后增大,裂纹由穿晶与沿晶混合扩展模式转变为以穿晶为主的扩展模式。断裂后合金中γ相晶体取向分析表明,合金中与择优生长方向<001>取向不一致的杂晶会引起晶粒内位错密度增大,从而导致合金延伸率降低。而晶粒细化有利于合金变形过程中应力的均匀分布,提高合金延伸率。相比于定向凝固,生长速率为5 μm/s时,双联协控合金的屈服强度与抗拉强度分别提高了34%和41%。
锆基块体非晶合金由于其临界尺寸大、耐腐蚀性能优异、强度和弹性极限高、Young's模量相对较低,在承重结构材料及生物医学材料方向有着巨大的应用潜力。本工作以Zr-Ti-Cu-Al合金体系为对象,利用XRD、DSC、SEM及电化学实验等手段研究了Ag替换Cu对Zr55Ti3Cu32 - x Al10Ag x (x = 0、1、1.5、2和2.5,原子分数,%)块体非晶合金的玻璃形成能力、晶化动力学、力学性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明,适量Ag替换Cu改善了该合金体系的玻璃形成能力,显著增加了晶化激活能(Eg、Ex、Ep1、Ep2),提高了热稳定性。合金的断裂强度随Ag含量的增加而提高,当Ag含量为1.5%时,压缩变形高达5.49%,相较初始体系提升了120%。在磷酸缓冲液(PBS)与模拟体液(SBF)中进行的电化学腐蚀分析表明,Ag的添加提高了Zr55Ti3Cu32 - x Al10Ag xBMG在SBF和PBS溶液中的耐生物腐蚀能力。
为研究新型镍基粉末高温合金中的重要强化元素Hf和Ta在合金蠕变过程中的作用,本工作通过SEM、TEM和EBSD等表征手段,从多尺度研究了在650~750 ℃范围内Hf和Ta对镍基粉末高温合金蠕变断裂特征和性能的影响。结果表明,添加Hf和Ta可以显著延长合金的蠕变断裂时间,降低最小蠕变速率,提高合金的承温能力和持久强度。各蠕变温度下的断口形貌类型一致,裂纹源区均为沿晶断裂,裂纹扩展区均为混合断裂,而Hf和Ta的添加显著降低了裂纹源区的面积。由于合金的层错能随着温度的升高而增加,蠕变变形机制由650 ℃下的微孪晶剪切为主导转变为750 ℃下的微孪晶剪切和超点阵层错剪切共同主导。添加Hf和Ta提高了合金中MC型碳化物的含量,显著降低了退火孪晶界的密度,有效抑制了二次裂纹的形核。添加Hf和Ta细化了晶界上的M23C6相并使其不连续析出,强化了晶界,抑制了沿晶断裂。添加Hf和Ta降低了合金在各温度下的层错能,提高了变形微孪晶的密度,增大了位错运动的阻力。添加Hf和Ta增加了二次γ′相的体积分数和平均尺寸,增大了γ和γ′相的晶格错配度,增强了γ/γ′相界面的强化作用。
针对16MnCrS5齿轮钢在淬火过程中易发生变形的问题,本工作结合实验与数值模拟方法,系统探讨其淬火变形机理。采用不同晶粒尺寸、组织带状化程度及淬透性的C型缺口试样进行淬火实验,测定了对应试样的淬火变形量。利用Deform有限元分析软件对上述试样在淬火处理过程中的温度场、应力场与相场进行模拟,可视化了其对应的淬火变形过程。结果表明,16MnCrS5齿轮钢的淬火变形量随晶粒尺寸和组织带状化程度的增加而增加,晶粒尺寸为75 μm的试样的淬火变形量相较于晶粒尺寸为22 μm的试样增加近一倍。当带状组织等级超过3级时,试样淬火变形量显著增加。16MnCrS5齿轮钢的淬火变形量随着淬透性的增加而增加,当试样距离水冷端9 mm处的硬度> 32.2 HRC时,淬火变形量与淬透性呈现更强的关联性。实验和数值模拟分析揭示16MnCrS5齿轮钢淬火热变形的内在机制主要归因于热应力和马氏体相变应力,其中,马氏体相变在时间和空间上的不均匀性是影响16MnCrS5齿轮钢淬火热变形的主要因素。
TRIP型双相钢由于马氏体相变可以平衡强度、提高延展性和提高成形性而受到广泛关注。然而,随着马氏体相变的演化,钢中微观组织和相分布特征不断变化,从而导致复杂的微裂纹形核和扩展。本工作利用SEM、EBSD观察TRIP型双相不锈钢Fe-19.6Cr-2Ni-2.9Mn-1.6Si在拉伸至工程应变为55%时的微裂纹特征,分析由材料微观组织特征(相分布、晶界或相界路径等)导致的微裂纹形核及扩展规律。结果表明,微裂纹主要分布在初始奥氏体与铁素体相界位置,约占总微裂纹数的70%,铁素体相内晶界位置的微裂纹数约占总数的20%,初始奥氏体相内晶界位置的微裂纹数仅占总数的10%左右。微裂纹的形核易发生在多类型界面的交汇位置,主要的微裂纹形核位置可分为3类:相变马氏体/铁素体/残余奥氏体三相的交汇点,相变马氏体/铁素体相界和铁素体晶界交叉点,及相变马氏体/铁素体相界和初始奥氏体晶界交叉点。这些裂纹源在相界附近相变马氏体的影响下,易沿初始奥氏体与铁素体相界或与相界夹角较小(< 30°)的铁素体晶界扩展,而由于马氏体相变松弛了奥氏体相内的应力集中,导致微裂纹不易沿奥氏体晶界扩展。
针对高温炉辊在高温重载环境下的氧化、磨损等失效问题,采用一步式和分步式机械合金化(MA)工艺分别合成了2种CoNiCrAlY-20%ZrB2 (质量分数)复合粉末并制备成涂层,对其组织和性能进行了研究。结果表明,用分步式MA成功合成了纳米ZrB2增强的CoNiCrAlY复合粉末,较一步式球磨,分步式球磨的ZrB2颗粒更加均匀地分布在金属基体相中。分步式MA球磨35 h复合粉末的平均粒径符合超音速火焰喷涂(HVOF)要求。采用HVOF制备复合涂层,发现分步式MA粉末制备的涂层熔化状态较一步式MA粉末制备的涂层更好,且分步式涂层孔隙率更低、硬度更高、韧性更强。2种涂层在750 ℃以上均具有良好的自润滑能力,且在950 ℃时涂层表面形成了连续完整的“上釉层”。950 ℃时分步式涂层磨损率比一步式涂层低了60%,说明在高温环境下分步式涂层具有更好的耐磨性能。此外,与纯CoNiCrAlY涂层相比,纳米ZrB2颗粒加入可以显著提升涂层的高温摩擦磨损性能。
含长周期堆垛有序结构的Mg-RE-Zn合金的热变形行为及微观组织特征高度复杂。为拓展该类合金的工程应用,本研究在变形温度为350~500 ℃、应变速率为0.001~1 s-1条件下对固溶态Mg-10Gd-6Y-1.5Zn-0.5Zr合金进行热压缩实验,以研究该合金的热变形行为,构建其热加工图并确定热加工窗口;结合微观组织表征,研究该合金热变形过程中动态再结晶和长周期堆垛有序结构(LPSO)相扭折变形的相互作用。结果表明:该合金的流变应力随温度的升高和应变速率的降低而降低。在较高应变速率下,流变应力对温度的敏感性更高。在较低的温度下变形时,流变应力对应变速率的敏感性更高。基于Murty理论构建热加工图,发现在应变为0.7时存在2个最佳加工区域,位于变形温度400~450 ℃、应变速率0.001~0.027 s-1和变形温度450~487 ℃、应变速率0.12~1 s-1范围内。通过对所构建热加工图不同区域对应样品的微观组织表征(即再结晶晶粒的体积分数分析),验证了热加工图的准确性。通过统计不同温度下流变曲线的软化应力(峰值应力-稳态应力)、再结晶晶粒体积分数和层状LPSO相扭折角,发现层状LPSO相的扭折变形程度随变形温度的升高而降低,再结晶晶粒体积分数随变形温度升高而升高,且层状LPSO相的扭折变形对动态再结晶具有抑制作用,流变曲线的软化应力受动态再结晶和层状LPSO相扭折变形的共同影响。
为揭示辐照缺陷(如He泡)对液态金属动态断裂的影响,并发展相应的损伤理论模型,本工作采用分子动力学模拟和连续介质力学理论计算研究了宽应变率范围内含He泡液态金属铝的动态拉伸断裂行为。模拟结果表明,在3.0 × 106~3.0 × 109 s-1应变率范围内,He泡增长是导致液态金属断裂的物理机制;在极高应变率下(如3.0 × 1010 s-1),除He泡增长,也观察到孔洞成核、增长,但He泡增长仍占据主导地位。He泡增长过程可分为快速增长和较慢增长2个阶段,该阶段性增长特征不受应变率影响,但He泡增长速率随着应变率的升高而显著增加。与液态纯Al相比,含He泡液态金属铝的动态拉伸强度显著降低,该差异在极高应变率下有所减小。进一步发展了含He泡液态金属的损伤断裂模型,采用该模型的理论计算结果与微观模拟结果在宽应变率范围内相符。
液析碳化物严重影响钢的力学性能。本工作利用SEM、TEM等手段表征和分析了液析碳化物的形貌及元素分布,研究Nb含量对中碳Nb合金化钢液析碳化物的影响。基于密度泛函理论的第一性原理与准谐Debye模型相结合的方法,分析了不同温度下NbC与晶格振动、电子相关的热力学参数演变规律。建立了耦合凝固相变的微观偏析模型,定量分析了凝固相变和Nb含量对溶质元素偏析的影响。结果表明,随着Nb含量的增加,液析碳化物的形貌由球形向多面体转变,带状分布趋势加强。不同温度下NbC中电子导致的自由能改变量增加被晶格振动导致的自由能改变量减小所补偿,总Gibbs自由能改变量为负,证实了NbC的热力学稳定性。凝固过程中L + δ向L + γ转变,降低了溶质元素C的偏析程度,增加了Nb元素的偏析程度。Nb含量的增加促使NbC在更低的固相分数时开始析出。