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关键词： GH4720Li合金细晶铸锭   均匀化热处理   组织演变   热加工性能  

摘要： 通过对GH4720Li合金细晶铸锭在不同均匀化热处理温度下组织演变规律与热加工性能的研究,确定了合金的最佳均匀化热处理工艺参数。依据不同参数下的一级与二级均匀化热处理工艺实验,深入研究了细晶铸锭的偏析系数以及共晶相含量与均匀化热处理工艺之间的内在联系,并对不同热处理工艺参数下合金的热加工性能进行了评价。实验结果表明:均匀化热处理温度的升高或保温时间的延长能够有效降低合金中共晶相的含量,改善合金中元素的偏析情况。此外,合理的二级均匀化热处理工艺能够降低均匀化温度与保温时间,从而提高均匀化热处理效率。经二级均匀化缓冷(1140℃保温12 h+1170℃保温10 h,以0.2℃/min冷却至1010℃后,出炉空冷)热处理所获得试样的高温塑性显著优于一级均匀化处理和二级均匀化空冷处理的试样,当热变形参数为1120℃、1 s-1时,其最大压下量为50%,显著优于其它热处理工艺参数。合金在1140和1160℃热变形时动态再结晶形核方式主要以非连续动态再结晶为主,原始晶粒边界为动态再结晶晶粒提供形核位置,且M(C,N)型强化相能够促进合金动态再结晶行为的发生。本研究中GH4720Li合金细晶铸锭的最佳均匀化热处理工艺为:1140℃保温12 h+1170℃保温10 h,以0.2℃/min冷却至1010℃后,出炉空冷。

关键词： 激光熔覆   Fe-Mo-V-C合金   涂层   显微组织   摩擦磨损  

摘要： 采用同轴送粉激光熔覆技术在45#钢基材表面制备Fe-Mo-V-C合金涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等测试分析手段表征涂层的物相组成、组织形貌和元素分布。采用维氏硬度计和干滑动摩擦磨损试验机测试涂层显微硬度和摩擦磨损性能,并分析其摩擦磨损机理。结果表明:激光熔覆Fe-Mo-V-C合金涂层的主要物相成分为α-Fe相与(α-Fe,Ni)、Fe4V、Fe9.7Mo0.3等铁基合金相,VC、V8C7、VB、Fe3C等金属间化合物相,以及铁基金属相与渗碳体组成的共晶组织;涂层致密均匀,细小的硬质颗粒在金属基体中呈均匀、弥散、密集分布。当熔覆功率为1600 W时,涂层平均显微硬度达1020 HV0.2,其耐磨性是基材的14倍。VC等硬质颗粒的“弥散强化”赋予涂层高硬度,在磨损过程中起到“扎钉”和“抗磨骨架”作用,大幅提高了铁基涂层的耐磨性。

关键词： 规则共晶   非规则共晶   共晶转变  

摘要： 综述了近年来规则共晶和非规则反常共晶转变的理论和实验的研究进展。对于规则共晶的形成的研究已趋于成熟,建立了能较好预测实验结果的理论模型;对于非规则反常共晶的形成,目前已获得大量的实验数据,涵盖生长方式,生长速率,生长形态,空间分布和组织粗化等行为,但在模型描述和预测仍不完善,形成机理仍存争议。然而,由于实际工业合金成分的复杂性,共晶凝固理论至今实际应用仍偏少。因而,如何通过实验和理论研究相结合,将共晶点成分理论松弛到整幅相图范围,二元合金凝固理论拓展到多元合金体系,将理论与最新技术条件相结合应用到工业生产中,仍是凝固理论研究的努力方向。

关键词： 海绵钛   电解钛   TC4   显微组织   力学性能  

摘要： 分别以海绵钛和电解钛为原材料熔炼TC4钛合金,将熔炼后的铸锭进行热轧,研究两种原材料熔炼的铸锭轧制为TC4轧板后的组织与性能。结果表明,海绵钛TC4热轧板材组织较电解钛晶粒粗大,组织不均匀,而电解钛TC4热轧板材组织为均匀细长、条状交错的α相,呈现出类似网篮组织结构。海绵钛TC4板材的抗拉强度和洛氏硬度明显高于电解钛TC4钛合金板材,而电解钛TC4板材的塑性更好。海绵钛TC4板材的断裂方式为准解理断裂与韧性断裂的复合断裂,而电解钛TC4板材的断裂方式为韧性断裂。

关键词： A356.0铝合金   铸锭组织   成分   杂质  

摘要： 通过成分分析,金相分析,扫描电镜分析等检测手段,对A356合金铸锭组织进行研究,发现该合金枝晶粗大,存在针状含铁相。通过对金相组织和含Fe相的分析,得到如下结论:(1)影响合金延伸率的主要因素是合金晶粒粗大,含Fe杂质相容易产生应力集中,成为裂纹源。(2)提升合金延伸率的主要途径有:细化晶粒,降低杂质Fe的不利影响。(3)添加适量的Mn,将Fe杂质相转变成块状或骨架状的复杂化合物,降低应力集中,减弱Fe的有害作用。

关键词： 5456铝合金   均匀化   拉伸性能   显微组织  

摘要： 采用室温拉伸性能检测、硬度、导电率检测以及金相观察等方法,研究了均匀化退火工艺对5456铝合金铸锭性能和组织的影响。结果表明:不同均匀化工艺下5456铝合金铸锭组织与性能有明显的区别。经综合分析得到5456铝合金铸锭最佳均匀化制度为420℃×2 h+530℃×10 h。

关键词： Fe-Cu-C合金   烧结温度   粉末冶金   显微组织   性能  

摘要： 在实际工业生产条件下采用粉末冶金技术制备Fe-Cu-C合金,研究了烧结温度(1060~1160℃)对其密度、显微组织、物相组成、力学性能的影响。结果表明:随着烧结温度的升高,合金的密度先增大后降低,并在1140℃时达到最大值(7.02 g·cm-3);随着烧结温度的升高,合金组织中颗粒的球化程度提高,孔隙的尺寸减小、数量降低,显微组织趋于稳定,铜相衍射峰消失,Fe4Cu3相衍射峰出现;合金的抗拉强度、硬度随烧结温度的变化趋势与密度的基本相同,且均在1140℃时达到最大值,分别为460 MPa,185 HRB,拉伸断口均主要呈脆性断裂特征;工业生产条件下制备的合金的力学性能指标基本与在实验室条件下制备的相吻合。

关键词： 熔体结构   高温X射线衍射   第一性原理计算   Wulff团簇模型  

摘要： 金属的熔体状态是绝大多数金属材料/金属制品制备的必经状态。金属材料的微观结构和物理化学性质通常与其熔体的成分和结构密切相关。因此,研究熔体结构对于设计和制备新型结构和功能材料具有重要的意义。本文建立了一种描述热力学稳定态的金属熔体团族结构模型-Wulff团簇模型,该模型首次应用于描述金属熔体的结构特征,并实现了对形核之前团簇结构及尺寸的变化的研宄,为在原子层次上揭示形核机理提供了理论基础。具体的内容如下:首先,通过对纯金属A1和Cu高温X射线衍射(HTXRD)结果的分析,提出了一种新的描述熔体团簇结构的模型,团簇结构的形状由不同晶面群的表面能决定,该表面能则是采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)计算完成,团簇的内部结构保留有固态时的晶体结构,而团簇尺寸是由高温X射线衍射强度经傅里叶变换得到的双体分布函数(Pair distribution function,PDF)g(r)来确定的。该模型结构的模拟X衍射强度曲线与实验结果吻合良好,包括峰的位置和宽度及第一峰和第二峰的相对强度。这些结果表明,该团簇模型可以很好地描述纯金属熔体的结构性质。不仅如此,该模型也成功解释了纯A1在固液相变前后出现的主峰偏离现象。第二,通过提出限定性条件,(1.假设二元合金中两种金属熔体的团簇结构尺寸比较接近;2.在满足热力学平衡统计的条件下,将二者的团簇分开独立研宄;3.假设二元合金熔体中团簇数目比例与合金原子成分比例保持一致)将Wulff团簇模型推广到二元匀晶合金熔体中(Cu-Ni和Ag-Au)。在液相线以上高温区间内,实验和模拟的XRD结果在第一峰和第二峰的角度和位置等方面都吻合良好;而在液固混合相区附近的低温区,模拟结果存在着第二峰位置偏移和强度差异。在考虑到高熔点金属优先形核而导致的结构和成分比例变化并经过合理的修正后,模拟的第二峰与实验值吻合良好。这也反映了在液固混合相区附近,高熔点金属生长过程的开始。第三,将Wulff团族模型应用于二元共晶合金熔体中,也提出了相关限定性条件(1.假设合金熔体中的两种金属的团簇模型尺寸比较接近;2.假设两种元素完全不互溶,将二者的团簇分开独立研宄;3.假设合金熔体中团簇数目的比例与合金原子成分比例保持一致)。在此基础上选取了金属-金属类(Ag-Cu)以及金属-非金属类(Al-Si)共晶合金展开研究。主要结果如下:两种共晶合金在液相线以上的高温区模拟结果与实验结果均吻合良好,证明了 Wulff团簇模型应用于共晶合金的高温区是成功的。但是Al-Si合金熔体在共晶点附近的低温区则产生了第二峰的强度和位置偏移的情况。将模拟结果进行结构修正后与实验结果吻合良好,从侧面表现出Si团簇在形核前的生长过程。对于Ag-Cu合金在液相线附近未出现第二峰的强度与位置偏移,推测主要是由于Ag-Cu两种团簇互相抑制形核导致。第四,将Wulff团簇模型应用于二元金属间化合物(FeAl)体系中,并研究其形核前的生长过程。首先研究了其缺陷与电子结构,力学性能的关系,得到了微观结构、电子特性与宏观力学性能的对应关系。结果表明,铁原子空位(VFe)结构更稳定且倾向于聚集在一起。FeAl金属间化合物的杨氏模量和弹性常数会随着空位浓度的增加而下降,并且力学性能会发生从脆性到韧性的转变。随后根据化学势建立了 FeAl金属间化合物熔体团簇的Wulff结构模型,得到了在不同成分范围内熔体的团簇结构的变化趋势。提出了基于晶面族排列顺序的准静态生长模型,该模型忽略了整层原子的形成方式,着眼于层与层之间的相对位置与势垒等方面,得出FeAl金属间化合物原子团簇生长过程的一系列中间态。通过计算Al/Fe原子在最稳定的(100)表面的浓度变化趋势,以及模拟吸附在这两种表面上的最稳定原子层,初步验证了该模型的合理性。

关键词： 相变存储材料   磁控溅射   高压技术   结构转变   同步辐射X射线衍射   拉曼光谱   电子输运  

摘要： 相变存储器具有非易失性、可高速读取、循环寿命长、低功耗等优点,是目前最有可能取代SRAM、DRAM、FLASH等主流存储器的下一代半导体存储器。而相变存储材料作为相变存储器的灵魂一直处于研发阶段,目前被广泛应用的是GeSbTe。它属于第一类Ge-Sb-Te系合金相变材料。继它之后的第二类Sb-Te二元合金相变材料也得到了广泛研究,由于它的晶化温度和晶态电阻率都比较低,使得数据长时间保存能力差,器件功耗大。于是研究学者通过掺杂的方法来改善材料的性能,并取得了初步的成效。其中以Ti元素和Sc元素掺杂为例,特别是Sc元素掺杂之后,使得相变存储器的写入速度进入亚纳秒阶段,极有可能取代GeSbTe相变存储材料。众所周知,相变存储器利用电流脉冲提供热量使得材料在非晶态和晶态之间相互转换所表现出来的巨大电阻差异来实现存储功能。压力作为除温度之外另一重要的热力学参量,也可以使材料在高压下发生结构相变,实现原子和电子层次的调控,同时伴随着性能的变化。在本工作中,我们采用磁控溅射的方法制备薄膜样品,通过调节溅射功率来改变样品中的元素掺杂原子比。通过单质Sc靶和合金SbTe靶共溅射制备非晶态的ScSbTe(SST)相变薄膜材料,单质Ti靶和合金SbTe靶共溅射制备非晶态的TiSbTe(TST)相变薄膜材料,Sc掺杂的SbTe合金靶单靶溅射制备晶态的ScSbTe相变薄膜材料。通过原位高压同步辐射X射线衍射(XRD)研究了上述制备的相变材料的高压相变行为。所制备的非晶态SST相变材料中镶嵌着FCC结构的纳米晶,随着压力的增加纳米晶逐渐消失,“溶解”在非晶基体中,形成更加无序的高密度非晶态,这个相变过程被称为低密度非晶-高密度非晶转变(LDA-HDA)。进一步增加压力,HDA会晶化为BCC结构,在卸压后BCC相又回到最初的非晶相,表明非晶SST在高压下的结构相变是可逆的,这种相变趋势同之前研究的GST相变材料相似。同样,我们在非晶TST相变材料中也发现了类似的结构相变过程,但是具体的相变压力点不同,这可能是掺杂元素不同导致化学键强弱和空位占比不同,从而使材料的压力敏感性存在差异。对于初始结构为FCC的SST晶体,在压力作用下也存在着结构相变,当压力增加到13.9 GPa时,FCC晶态转变为非晶态。继续升高压力,在23 GPa时晶化为一种未知结构的晶体I相,在31.9 GPa时转变为BCC相。在卸压时,BCC相先转变回晶体I相,继而在更低压力时转变为非晶相,并保留到常压。在整个相变过程中,可以看到明显的结构滞后现象,而且同步辐射XRD表明结构相变是不可逆的。在了解了三种材料在高压下的结构相变行为之后,我们利用原位高压拉曼和原位高压电学的手段来验证上面的相变过程。拉曼可以反映材料在高压下的化学键变化,而电学可以研究结构改变伴随的电子输运性能变化。高压电学测试表明,非晶SST、非晶TST和FCC-SST的电阻在压力作用下都会下降约五个数量级,这种巨大的电阻差异满足用于存储器的要求。以上三种相变材料的高压研究,为非晶纳米复合材料的相变机理提供了新的见解,也为设计新型相变材料提供了更多的参考依据。

关键词： 固液界面动力学系数   原子模拟   含时Ginzburg-Landau理论   固-液相变   金属  

摘要： 固液界面动力学系数是调控凝固枝晶形貌和材料缺陷的关键物理量之一,研究该物理量有助于制造业、新能源产业和生物医药技术向纵深方向发展,符合国家的长期发展需要。近年来,大量的研究工作致力于探索各种体系下晶体生长过程,一些热门的领域如:激光选区熔化、锂电池稳定性问题、二维材料及蛋白质的结晶操控问题。毫无疑问,解决当中任一问题都能带来巨大的商业价值和社会效益,但这些问题的关键突破点往往隐藏在纳米-皮秒量级的时空分辨区间。借助于先进的显微实验技术和计算模拟技术,人们已经能够监测一部分材料的固液界面的微观动力学过程并给出一些定性的解释,包括:凝固形核、晶体生长等。但如果想要精准、定量控制这些动力学过程,还需要一套精准的凝固动力学理论模型。到目前为止,单质金属晶体的生长过程机理尚未能完全厘清,对于晶体组成粒子拥有平动自由度以外的复杂性质(例如转动自由度等)的情况,国内外的理论研究几乎是一片空白。本篇工作采用基于分子动力学方法的快速凝固原子模拟技术搭配先进的固液界面分析计算方法,以不同晶相结构(包括面心立方和体心斜方)的金属单质及偶极颗粒组成的模型极化材料为研究对象,将含时Ginzburg-Landau理论拓展到固液相变体系,发展出能够精准预言固液界面动力学系数的定量凝固动力学理论模型,并获得关于动力学系数及其各向异性与晶体结构和颗粒额外自由度等复杂性质之间定量关联的定量认识。具体的工作包括:(1)首次构建了适用于面心立方晶体凝固的含时Ginzburg-Landau理论。区别于仅有的适用体心立方晶体凝固的含时Ginzburg-Landau理论,我们在理论构建过程中引入了两套Ginzburg-Landau序参量分别对应面心立方的8个最近邻倒格矢和6个次近邻倒格矢。在对结构因子约化的密度弛豫时间定量分析中,证明了6个次近邻倒格矢Ginzburg-Landau序参量引入的必要性。随后,我们分别采用原子模拟和凝固动力学含时Ginzburg-Landau理论比较研究了单质金属铁(体心立方)和镍(面心立方)固液界面动力学系数。结果表明,对于铁和镍的(110)晶面方向,含时Ginzburg-Landau理论的预言能够在误差范围内很好地吻合原子模拟结果,然而现有的其他凝固动力学理论无法预言或者无法获得相近精准度的预言。对于铁和镍的(100)面,我们发现理论预言分别低估了13%和12%左右,我们在文中讨论了这个低估的原因可能来自于密度波一级近似处理或界面区域液体静/动态结构性质实际偏离了块体液体。另外,在含时Ginzburg-Landau理论框架下,我们比较了不同相互作用势函数描述的金属单质体系(包括铁、镍、镁和铽)。在去除晶格常数和固体原子振幅影响的无量纲框架内,我们发现固液界面Ginzburg-Landau序参量空间分布函数的普适标度规律—对于同一种晶格结构与晶面方向的固液界面而言,密度波序参量分布函数不依赖于粒子间相互作用势函数。基于此,凝固动力学含时Ginzburg-Landau理论预言了固液界面动力学系数的各向异性与固液界面区域原子的堆积方式直接相关。(2)利用分子动力学模拟方法,模拟了一个简单偶极颗粒模型描述的极化晶体体系的凝固过程,随着颗粒偶极矩的升高,该模型体系可涵盖三类固液界面:面心立方晶体-液体;自发极化的体心斜方晶体-液体;自发极化的体心斜方晶体-自发极化的液体。系统性的计算了固液界面动力学系数及各向异性随颗粒间相互作用及晶体结构的变化关系。在模拟“实验”测量数据的辅助下,进一步发展了凝固动力学含时Ginzburg-Landau理论,计入非立方晶体倒格矢和电磁偶极体系中的长程相互作用与转动自由度,引入低阶铁电Ginzburg-Landau自由能项,着重展示偶极转动有序化对凝固过程的重要影响。通过比较模拟结果和含时Ginzburg-Landau理论预言结果,我们发现固液界面动力学系数决定于序参量梯度平方项与响应的弛豫时间的乘积,固液界面动力学系数及各向异性随颗粒间相互作用及晶体结构的变化关系能够被明确解释。此外,在自发极化的体心斜方晶体-液体固液界面体系中,我们发现了界面附近液体集体性偶极有序行为,并辨认出该偶极有序化区域液体的动力学结构性质和介电性质是界面动力学系数的主要限制因素。本研究连接了固液界面动力学系数这一极具应用价值的宏观热力学量与最基础层面上的微观分子间相互作用,获得外场作用下凝固过程调控从而改善凝固组织和性能的理论支持。最后,我们总结了当前凝固动力学含时Ginzburg-Landau理论的有待改进和不足之处,提出近一步改进的方向,并讨论了本论文提出的计算模拟与含时Ginzburg-Landau理论结合的研究思路在更复杂体系的结晶和凝固过程中拓展的可能性和挑战性。