带状组织是材料内部缺陷之一,主要表现为金属材料中单相或多相组织呈条带状沿热变形方向大致平行交替排列。其对力学及使用性能影响较大,因此带状组织的评定在产品验收中相对比较重要。对于带状评级,国标、美标的方法有所不同,选用时对于带状评级的结果影响较大。本文通过对比不同带状组织评定标准的规定以及实例演示各标准的评级过程,对国内外的带状测试标准进行分析讨论。

热轧带钢表面的边部翘皮缺陷是制约其表面质量提升的一大瓶颈问题。针对热轧带钢边部出现的翘皮缺陷,通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对缺陷处显微组织、化学成分进行分析,并在首钢迁钢2 250 mm热连轧产线进行了生产数据统计和火焰清理预制缺陷板坯的轧制实验,阐明了带钢边部翘皮缺陷的产生原因及演化过程。结果表明:铸坯火焰清理质量不良导致的熔渣交汇棱积聚和残留,经热轧加热炉加热和除鳞机除鳞后无法完全清除,残余的熔渣交汇棱氧化物经过粗轧和精轧后部分压入带钢基体内部,部分裸漏在带钢表面,最终形成内含大量最大厚度达150 μm氧化圆点的边部翘皮缺陷。开展铸坯火焰清理端部交汇棱对热卷边部质量影响的工业实验,随后进行工艺优化并持续跟踪生产数据,结果表明,提高火焰清理质量以减少交汇棱的产生,或采用窄面不清理工艺,可使边部翘皮缺陷的发生率降低87%。

利用扫描电子显微镜(SEM)原位观测技术,在对TC4 ELI合金试样进行原位拉伸过程中,通过SEM二次电子成像(SE)和电子背散射衍射成像(EBSD)技术,同步进行微观形貌观测和相关晶体学信息收集,实现加载过程中试样的微观变形情况的实时分析,以揭示TC4 ELI合金拉伸过程的失效机理。拉伸过程中TC4 ELI合金试样组织的演变规律和断后的断口形貌表明,试样的断裂形式为微孔聚集型断裂;变形过程中,TC4 ELI合金内部位错密度升高,取向差增大,α和β变形能力和晶粒取向存在差异使其变形不协调进而产生微小孔洞,随着变形量增加,微小孔洞相互连接形成裂纹,并最终断裂。

硬度试验作为金属材料力学性能评价中最基础、应用最广的测试方法之一,在材料研发、生产过程控制、产品质量检验与贸易中具有重要作用。国际标准化组织“金属力学试验”技术委员会下属的“硬度试验”分技术委员会(ISO/TC164/SC3)作为国际硬度试验标准的主要制定机构,已形成涵盖布氏、维氏、洛氏、努氏、里氏硬度试验以及仪器化压入试验的完整标准体系,并不断在不确定度评估、标准硬度块溯源和试验机校准等方面完善国际规则。与此同时,国际计量局下属的质量及相关量咨询委员会设立的硬度工作组(BIPM/CCM-WGH)在计量学层面通过国际比对和不确定度规范,确保硬度量值的全球统一与互认。我国在此领域的标准化体系主要由中国国家标准化管理委员会“全国钢标准化”技术委员会“力学及工艺性能试验方法”分技术委员会(SAC/TC183/SC4)和“全国试验机标准化”技术委员会(SAC/TC122),以及“全国力值硬度重力计量”技术委员会(MTC7)构成,既负责方法标准和设备标准的制定和修订,也承担计量溯源和国际合作任务。近年来,我国专家在硬度试验国际标准化工作中话语权显著提升,主导制定和修订多项关键ISO标准,使国际标准更加契合国内需求。总体来看,硬度试验标准化未来的发展趋势包括传统方法的进一步规范、新型压入方法的拓展、极端环境测试方法的推进,为先进制造与工程应用提供更加坚实的支撑。

G54钢是我国自主研发的新型二次硬化超高强度钢,在保持极高屈服强度的同时,兼具优异的综合力学性能。然而,其在高温高应变速率条件下的动态力学行为与失效机理研究仍相对不足,因而研究其在此条件下的动态力学行为具有重要意义。本文基于分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,分别在100、200、300 ℃和1 000、2 000、3 000 s^-1的应变速率条件下开展了G54钢的动态压缩试验,获得了G54钢在高应变速率加载下的流动应力和塑性响应规律。结果表明,G54钢在动态变形中表现出应变速率敏感性和热软化效应:随应变速率升高,流动应力增加,而在高温下材料的承载能力降低。结合试验数据,采用最小二乘法对Johnson-Cook(J-C)本构模型进行了参数标定,所建立的模型能够较好地模拟G54钢在高温高应变速率条件下的力学响应。研究结果为揭示G54钢的动态变形机理及其在极端服役条件下的工程应用提供了可靠理论依据。

柔性复合管具有连续性好、拉伸强度高、耐酸碱腐蚀能力强、不易结垢和结蜡等特点,近年来在国内油气田得到了快速推广和使用。胜利油田临盘采油厂于2013年10月选择某注水井首次开始井下试验,试验历时8个月,试验期间各注水作业指标均正常,试验结束后起出该柔性复合管并进行综合性能评价。结果表明,该管材较传统金属油管的实际防结垢效果明显,其内、外螺旋铠装层材料的弯曲模量分别降为92.66%和87.14%,弯曲强度分别降为84.74%和69.18%,全尺寸整管的拉伸刚度降低了9.70%,内压刚度降低了8.39%,但其整管拉伸极限提高了2.54%,仍可保证该柔性复合管在内压15 MPa、外压5 MPa下继续安全运行和生产。

准确评估高强弹性铜合金的使役性能,关键在于理解其高温应力松弛行为,而其中的核心难点在于高温条件下弯曲应力的精确测量。本文依据ASTM E328-21《材料和结构件应力松弛标准试验方法》的要求,设计了一种铜合金高温应力松弛测试设备并提出了一种铜合金弯曲应力松弛过程的应力测量方法。采用夹具固定铜合金样品以及压杆施加载荷模拟悬臂弯曲工况,使用管式炉作为环境箱提供高温条件,通过力传感器测量并记录铜合金应力松弛过程中的弯曲应力。以Cu-Ti合金为例分别在300、375和450 ℃进行弯曲应力松弛试验。结果表明,Cu-Ti合金在300、375 ℃下保载100 h的应力松弛率分别为15.0%和28.7%,在450 ℃保载16 h的应力松弛率达到69.7%。该设备能自动准确地测量铜合金高温应力松弛过程中的应力,具有很高的实用性和推广价值。

高速重载轴承圈的淬火裂纹失效是制约机械装备服役可靠性的瓶颈问题,阐明其失效机制对优化热处理工艺和保障关键零部件性能至关重要。本研究以20CrMnTi钢制轴承圈淬火开裂为研究对象,通过宏微观断口表征、金相检测、化学检测等多种手段揭示了裂纹萌生与扩展的多尺度机制。实验结果表明:裂纹源于距表面2~3 mm位置,在原始裂纹中心存在直径81 μm的氧化铝夹杂物。后续在热处理过程中原始裂纹沿环向扩展,断口呈现沿晶+准解理混合脆性断裂特征,且扩展区无塑性变形痕迹,证实失效模式为由淬火应力主导的原始裂纹扩展。结合有限元多场耦合仿真进一步建立了温度场-相变场-应力场交互模型,定量揭示了裂纹尖端的I型应力强度因子(K_IC)的动态演化规律:当初始裂纹长度超过1.84 mm时,淬火拉应力使K_IC在淬火开始后14 s达到临界值(128 MPa·m^1/2),裂纹发生失稳扩展;此时裂尖区域温度、马氏体相变程度与实验观测结果一致。基于断裂力学判据与工程保守性原则,建议生产中对含内部裂纹(长度超过1.8 mm)的20CrMnTi工件规避淬火处理。

为明确直升机主减速器ZL205A铝合金机匣的高周疲劳行为及显微疏松的失效机制,采用升降法开展对称循环(应力比R=-1)高周疲劳试验(循环基数周次10⁷),结合扫描电子显微镜(SEM)与光学显微镜(OM)分析断口及疏松缺陷。结果表明:ZL205A铝合金室温下的中值疲劳极限为81.9 MPa;疲劳裂纹均萌生于表面显微疏松处,疏松面积百分比(f)从0.14%增至0.32%时,裂纹扩展寿命降幅达52%;疏松通过“应力集中-塑性应变积累-快速扩展”机制缩短寿命。本研究为机匣寿命预测与工艺优化提供了关键依据。

原始奥氏体晶粒度的显示和控制对于调控不锈钢固溶处理过程中奥氏体化温度具有重要意义。金相试验中多用化学腐蚀方法显示碳钢和合金钢的奥氏体晶粒度,但由于化学腐蚀方法腐蚀不锈钢难度较高,使得不锈钢中原始奥氏体晶粒度的显示成为难题。据此,本文自制电解抛光设备,提出了一种采用复合型电解液进行电解腐蚀显示马氏体不锈钢和马氏体型沉淀硬化型不锈钢原始奥氏体晶粒度的方法。试验设备由直流电源、250 mL烧杯、420材质的不锈钢样品夹及304不锈钢钢板(阴极)组成,电解液主要由30%~50%(体积分数)去离子水和50%~70%(体积分数)硝酸、及少量磷酸和硫酸组成,阴极浸泡在电解液中的面积约2 000 mm²(正反面)。分别选择07Cr16Ni6钢和0Cr17Ni4Cu4Nb钢两种材料进行了电解腐蚀条件的优化。结果表明,控制电解电压为4.5 V,电解时间为15 s,采用100 mL水+100 mL硝酸+6 mL磷酸+3 mL硫酸电解液进行电解腐蚀,可以清晰显示07Cr16Ni6钢的原始奥氏体晶粒度;控制电解电压为0.5 V,电解时间为40 s,采用100 mL水+100 mL硝酸+8 mL磷酸+3 mL硫酸电解液进行电解腐蚀,可以清晰显示0Cr17Ni4Cu4Nb钢的原始奥氏体晶粒度。本文方法可为其他基体组织为马氏体的不锈钢的奥氏体晶粒度显示提供借鉴。

为了研究15-5PH 不锈钢MJ螺纹的失效机制,通过搭建压力脉冲试验台,开展了收放作动筒压力脉冲试验。通过活塞杆化学成分分析、硬度检测、扫描电子显微镜(SEM)检验等手段分析了螺纹断裂的原因;使用Ansys及nCode联合仿真评估了MJ螺纹的疲劳寿命;引入缺口集中系数,提出基于缺口集中系数的MJ螺纹疲劳寿命预测方法。结果表明:试样的化学成分和硬度测定结果均符合标准中对15-5PH不锈钢的要求。活塞杆内螺纹牙底第2扣主应力和塑性应变最大且疲劳寿命最短,这与工程螺纹的失效分析结果一致。断口形貌观察表明,疲劳裂纹源萌生于活塞杆内螺纹处,裂纹沿着螺纹根部快速扩展;在裂纹扩展区能观察到疲劳辉纹、河流花样和二次裂纹等疲劳断口;在瞬断区观察到了大量的韧窝形貌。引入缺口集中系数能快速、准确地评估螺纹处的疲劳寿命,为作动筒MJ连接螺纹疲劳寿命预测提供一定工程参考。

风电齿轮因承受交变载荷而易发生疲劳失效,因此,其用钢18CrNiMo7-6钢的疲劳性能研究备受关注。本研究以风电齿轮18CrNiMo7-6钢零件本体取样为对象,探究了其力学性能及微观组织,表征了其疲劳性能,揭示了疲劳断裂主要影响因素,为风电齿轮箱关键部件的可靠性设计提供了理论依据。采用拉伸试验得到材料的力学性能,进行旋转弯曲疲劳试验获取了材料的S_max-lgN(S_max为最大弯曲应力;N为疲劳寿命)曲线及疲劳极限数据,利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)等表征手段对疲劳断口形貌进行多尺度观测,同时采用夹杂物现场检测设备对材料中非金属夹杂物进行分析统计。结果表明,齿轮钢18CrNiMo7-6的抗拉强度R_m为1 180 MPa,屈服强度R_p0.2为930 MPa,平均晶粒尺寸为11 μm,旋转弯曲疲劳强度σ_-1为473 MPa;疲劳裂纹主要萌生于表层非金属夹杂物处,以穿晶断裂+沿晶断裂的混合断裂为主要失效模式;钢中非金属夹杂物平均尺寸为23.15 μm,类型以Mn、Al的硫化物和氧化物为主。

为保障紧固件孔的质量与使用安全,对其涡流检测信号的分析与研究受到广泛关注。本文考察了孔径间隙对旋转涡流检测信号的影响,以达成用较少探头实现对较大范围孔径紧固件孔检测的目的。以Ti-6Al-4V钛合金与4340钢为材质代表,采用标称直径为ø4.76 mm、ø6.35 mm和ø7.49 mm的刚性旋转涡流探头,分别对其紧固件孔人工刻槽进行涡流检测试验,并分析总结了孔径间隙对涡流检测信号的影响规律。结果表明,涡流阻抗幅值随着孔径间隙的增大而减小,这可能与提离效应有关。为了保证涡流检测信号的稳定性与可靠性,对于Ti-6Al-4V钛合金和4340钢而言,孔径间隙应控制在0.33 mm以内。

X65管线钢是天然气掺氢混输的主力管道用钢之一,本文通过原位高压氢气条件下的慢应变速率拉伸试验,研究了热机械轧制X65管线钢板材的氢脆敏感性。研究结果表明,高压氢气显著降低了X65管线钢的塑性,断后伸长率和断面收缩率分别下降37.4%~57.7%和49.9%~86.3%,而下屈服强度和抗拉强度变化不明显。断口分析显示,高压氮气下试样呈典型韧性断裂,而高压氢气下则出现以变形晶粒带为裂纹源和裂纹扩展主干的脆性解理断裂。变形晶粒带作为氢的快速扩散通道和强陷阱区域,具有促进局部氢富集并引发氢致开裂的作用,是对X65管线钢氢脆敏感性不利的微观组织。

为提升三点弯曲试验中J积分计算精度与可重复性,本研究针对拟合、积分方法中噪声敏感、积分精度的问题,提出一种融合数据预处理、差商分析与非等距积分的系统方法。本文将差商特征用于线性区域识别,并以非等距积分取代等距假设,以提高计算的适用性与精度。研究中首先对原始载荷-位移数据进行唯一化、插值及高斯滤波,消除重复点、倒退点及噪声,确保曲线单调平滑。随后通过1阶中心差商的峰值与趋势分析确定拟合范围,采用非等距积分法完成积分计算,同时利用高阶差商估计积分误差。结果表明,该方法在保持数据真实性的同时显著提升积分精度与稳定性,避免了因违背单调性导致的误差失效,为J积分计算提供了一种可靠、可复现的技术路径。

以新一代高强韧XCrMo系列油套管为例,为解决难以用KIC指标评价其断裂韧性的技术难题,本研究基于仪器化压入(IIT)技术,采用原位非破坏性分析方法,结合有关最新制订的国标开展了相关试验研究。针对API牌号125ksi、140ksi和165ksi共3类高强韧油套管,通过常规试验获取其拉伸性能与经J积分转化的断裂韧度K_JC数据作为参考;同时利用仪器化压入试验,基于Oliver-Pharr-Tabor 多重解耦修正模型及能量释放率(ERR)模型,感知材料的压痕拉伸性能(屈服强度、抗拉强度等)和断裂韧度。结果显示,仪器化压入技术感知的拉伸性能与断裂韧度较常规试验结果的总体相对偏差可控制在5%与10%以内,准确性较高,将为超高强韧钢铁材料的非破坏表征与服役评价提供广阔的应用前景。

锂离子电池铝壳对内部封装的电池正极、负极、隔膜、电解液起着密封和保护作用,其缺陷会影响电池的安全性、密闭性、能源使用效率。本文以53148115型 003-H14铝合金壳体为对象,系统研究了壁厚、缺陷和腐蚀环境对拉伸、耐压及腐蚀性能的影响,结果表明,1.0 mm壁厚铝壳可满足锂离子电池的强度要求;缺陷位置对密封性能有重要影响,铝壳边角处的圆弧半径凹陷对爆破压力几乎无影响,而大面凹陷或破损则显著降低耐压强度;水和 5 g/L NaCl 溶液 24 h 内未造成晶体结构变化,但表面粗糙度随腐蚀时间增加而增大,NaOH溶液对铝壳有显著的表面腐蚀作用,50 g/L NaOH溶液腐蚀0.5 min出现新的物质,并伴随点蚀及粉化现象。

钢在热处理过程中经常会出现脱碳现象,使表层基体成分发生变化,这将直接改变材料表层基体的相变行为和组织形貌,进而影响其力学性能,特别是显微硬度。因此,明确热处理脱碳对中碳合金钢表层组织演变及显微硬度分布的影响规律至关重要。为此,本文研究了中碳合金钢(Fe-0.43C-1.90Si-2.83Mn-0.57Al-0.057Cu)在加热及奥氏体化过程中的脱碳行为。通过扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EMPA)等方法,并结合不同等温温度630~690 ℃+淬火条件的热处理工艺,讨论了脱碳对钢表层相变、组织和显微硬度的影响规律。结果表明,加热脱碳及等温处理会显著影响表层相变及组织形貌。等温温度为670 ℃及以上,外层组织主要为整齐排列的等轴状铁素体;等温温度为650 ℃及以下,脱碳层组织显示为柱状交错排列的铁素体和马氏体组织;在630 ℃等温相变且随后采用淬火工艺,可以得到珠光体基体组织,且珠光体与铁素体之间会形成马氏体。这与以往文献报道的铁素体单相或双相的脱碳层组织有很大区别,结合合金元素扩散与相变分析了夹层马氏体组织的形成机理,本文可以为中碳钢脱碳及热处理工艺提供依据。

为优化热加工工艺参数提供数值化解决方案,突破传统试错法在高温塑性成形质量控制中的效率瓶颈,本文利用热模拟实验机对316L奥氏体钢进行不同应变速率下的热模拟压缩试验,通过纳米压痕测试研究不同变形条件下晶粒的局部力学响应,采用DEFORM有限元仿真软件对热变形再结晶过程进行分析;采用一种非线性映射能力的遗传算法(GA)反向传播(BP)人工神经网络(ANN),对奥氏体钢的力学性能进行预测。结果表明:在316L奥氏体钢热压缩变形过程中,动态再结晶作为组织演变的主导机制,其进程受应变速率影响显著。试验表明,高应变速率通过加速位错增殖与能量累积,有效促进再结晶形核及晶粒重构。数值模拟研究进一步揭示,随着形变量提升,材料动态再结晶体积分数呈正向增长并伴随显著晶粒细化效应。针对该材料高温流变行为预测,研究提出基于遗传算法优化的混合智能算法模型,通过改进BP神经网络初始参数敏感性,显著提升了应力预测的精度稳定性,为复杂热加工过程的数值模拟提供了可靠的计算方法。

石英振梁加速度计(VBA)是航天领域的关键元件之一,其频率信号测量精度直接影响运动加速度的测量准确性。针对现有VBA多通道频率测试方法中存在的效率低、信号串扰严重等问题,本文提出一种基于树状结构的频率测试切换系统。该系统通过自锁继电器网络实现高密度电路板(PCB)分区共地与树状路径隔离,结合双盲法测试验证其性能。实验结果表明,由线性结构改为树状结构系统信号偏移量较原版降低75%(从41 μHz降至10 μHz),串扰抑制比提升15 dB,72通道测试效率提高3.2倍。本设计为多通道VBA测试提供了高效、低干扰的解决方案,具有实际工程应用价值。

通过对Q460C角钢边部裂纹缺陷进行仿真模拟、金相组织分析、高温热塑性试验以及断口形貌分析,探究了该缺陷的形成机理。结果表明:角钢边部裂纹缺陷部位存在氧化物质点、脱碳及铁素体晶粒长大等现象,角钢边部裂纹为铸坯内弧角部裂纹遗传导致;Q460C连铸坯存在明显的高温塑性区和低温脆性区,高温塑性区为975～1 350 ℃,低温脆性区为600～950 ℃,当温度从950 ℃上升至975 ℃时,断面收缩率由34%增大至85%。在此基础上,对Q460C角钢边部裂纹缺陷问题提出提高钢水纯净度、稳定拉速、控制中包过热度、调整二冷比水量、提高连铸坯矫直前温度等工艺优化措施,铸坯角部表面质量得到明显改善,角钢表面裂纹缺陷得到全面控制。

金相微观组织对分析金属材料种类及性能具有重要意义。本文主要介绍了金相微观组织目标检测方式,图像分割技术在金相微观组织中的应用,以及目标检测算法的发展历程。详细分析了卷积神经网络(CNN)、基于区域的卷积神经网络(R-CNN)、快速的基于区域的卷积神经网络(Fast R-CNN)系列算法的演变及优缺点,几种典型YOLO系列算法的演变及优缺点,并讨论了R-CNN系列网络模型和几种典型YOLO系列网络模型的性能进行对比,R-CNN系列算法及YOLO系列算法针对金相微观组织图像的算法对比及改进模型研究,最后展望了目标检测技术在金相微观组织图像方向的发展。

研究固溶热处理和时效老化对TP304H 奥氏体不锈钢碳化物析出的影响,对于掌握其性能变化规律、延长使用寿命等具有重要意义。将TP304H奥氏体不锈钢试样进行不同冷却条件的固溶热处理和不同时效老化时间的热处理,采用金相显微镜对试样进行观察,并根据ASTM A262-2015(2021)标准E法对试样进行晶间腐蚀试验,分析了不同冷却条件固溶热处理及不同时效老化时间下碳化物的析出形态、分布和成分变化规律。结果表明,直接水淬和空冷2 min后再水冷均获得了良好的金相组织;较慢的冷却方式均在晶界处发现了碳化物析出,甚至更慢的冷却速度还发现了有害相的存在,说明冷却方式和冷却度对TP304H奥氏体不锈钢碳化物析出有显著影响。时效老化时间愈长,碳化物析出和有害相愈严重,从而影响材料的微观组织和耐腐蚀性能,时效时间为1 h时晶间腐蚀E法试验不合格,表明试样耐腐蚀性能下降已较为显著。因此,TP304H奥氏体不锈钢在高温环境下服役时,必须考虑高温条件对材料组织结构和性能的影响。

为研究并量化分析钛合金压缩蠕变试验影响因素,加工了不同规格及精度的TC4钛合金圆柱形压缩蠕变试样。设计了5组对照试验,获取了各组试样的蠕变曲线,并计算分析了关键的蠕变结果参数。研究发现,试样的长径比以及尺寸效应与TC4钛合金的压缩蠕变行为未表现出显著的相关性。说明在合理的几何比例范围内,试样尺寸对最终的蠕变性能结果影响不大。试样两端面的平面度对试验过程和最终的蠕变结果具有显著影响。平面度偏差过大会导致应力分布不均,严重干扰试验数据的准确性和可重复性。为确保试验结果的可靠性,平面度偏差应当控制在0.02 mm以内。在压盘形式的对比中发现,球形压盘相较于平面压盘,对试样端面平面度不佳的情况表现出更好的兼容性。球形压盘能有效补偿一定范围内的平面度误差和初始不对中,有助于改善应力分布的均匀性,从而在试样加工精度受限时仍能获得相对更可靠的试验结果。关于位移测量,研究证实增加光栅尺的数量对于提高蠕变位移测量的准确性和结果的可靠性更为有利。多光栅尺布局有助于消除试样可能发生的微小偏转或倾斜对轴向位移测量的干扰,从而更真实地反映试样的轴向压缩蠕变变形。

ASTM A 370-2022对冲击试样表面去除量进行了规定,与ASME B31.3-2022中缺口试样沿缺口宽度不足材料厚度的80%时需要考虑过冷度相矛盾。基于此,本文对薄壁奥氏体不锈钢无缝管冲击试样的取样方法进行了讨论。分别在原始状态(固溶态)和压平状态下对奥氏体不锈钢无缝管试样进行冲击试验对比,结果发现压平状态的冲击吸收功明显大于原始状态;分别在同一压平状态试样的端部、1/4(宽度)W处和1/2 W处3个不同位置进行硬度对比试验,结果表明,试样1/4 W处的硬度最低;分别对原始状态和压平状态下试样的铁素体数进行测定,结果表明,压平状态的铁素体数明显高于原始状态;于试样1/4 W处,分别在室温和－196 ℃条件下进行了压平状态和原始状态试样的硬度试验,结果表明,压平状态试样于室温和-196 ℃条件下硬度值均大于原始状态,分析认为压平过程中的应变硬化在－196 ℃条件下占主导作用,是出现上述现象的主要原因。对于薄壁奥氏体不锈钢无缝管,不考虑ASTM A370标准中规定的表面去除量,直接在原始状态取样得到的冲击试验结果更具有代表性,同时也可以解决ASME B31.3-2022中对过冷度的要求。

针对金属材料依据断裂韧性测试标准进行Ⅰ型裂纹的临界应力强度因子(K_IC)的测试时,韧带尺寸或最大载荷与条件载荷之比P_max/P_Q无法满足判定条件导致试验结果无效的问题,本文以5083铝合金板材为研究对象,对不同厚度的无侧槽试样、侧槽试样进行试验,结合有限元计算的方法,探讨了侧槽对K_IC试验结果的影响。结果表明:侧槽试样的P_max/P_Q相比无侧槽试样的P_max/P_Q明显降低,不同厚度的侧槽试样均可以获得有效的K_IC值。对于直裂纹10%试样厚度的侧槽在增加裂纹尖端应力分布一致性上即能达到较好的效果。既使初始裂纹尺寸符合标准要求,裂纹的平直度降低仍会导致K_IC的测试结果偏大。试样先开侧槽能够增加初始裂纹的平直度,有利于获得较为准确的K_IC测试结果。

为探究X60管线钢多变量条件下的热变形规律,揭示其微观组织演变机理,利用Gleeble3180-GTC热模拟试验机,通过热压缩实验研究不同变形条件(变形温度为750~950 ℃,应变率为1~5 s^-1,变形量为10%~30 %)下X60管线钢的热变形行为,建立材料热变形本构方程。采用有限元分析软件DEFORM-3D对热变形过程进行仿真分析,研究不同变形条件下材料的损伤和动态再结晶行为演变。结果表明,在进行热加工时,选择较低应变速率与较高变形温度可避免产生较高损伤值,此条件下再结晶过程会受到明显抑制。较高的变形温度、应变速率及变形量则有利于动态再结晶的发生与扩展,加速晶粒细化,进而改善材料的塑性。

疲劳寿命是起重机安全评估的重要指标之一,而平均应力的存在是起重机主梁Q345钢多轴疲劳失效的重要考察因素之一。对冶金起重机主梁主要材质Q345钢开展单轴拉压及纯扭转疲劳试验,得到材料的拉压应力(S)-疲劳寿命(N)曲线及扭转应力S-N曲线,根据试验结果选取一个合适的应力作为多轴疲劳加载的等效应力,在该等效应力下进行不同拉伸平均应力的多轴疲劳试验。对不同拉伸平均应力下的最大正应力、最大切应力的变化及其所在平面方向进行理论推导,利用光学显微镜对疲劳试件表面的裂纹萌生与扩展进行观察,采用扫描电子显微镜(SEM)对试件断口微观形貌特征进行分析,研究Q345钢在不同拉伸平均应力下的失效形式。研究表明:Q345钢多轴疲劳寿命在拉伸平均应力的影响下会明显降低,随着拉伸平均应力的增大,切应力在疲劳失效的过程中逐渐占据主导地位。

1J85铁镍合金是一种性能优异、应用广泛的软磁材料,在一些情况下需作为高温结构体使用,但目前关于其高温变形力学特性的研究尚不充分。为此,本文研究了1J85铁镍合金的高温拉伸性能,分析了其高温变形过程中的组织演变与断裂机制。研究结果表明:室温条件下,1J85铁镍合金呈现出低屈强比、高均匀延伸、高塑性的特点;随着变形温度升高,1J85铁镍合金的强度和塑性均下降;从室温到400 ℃,塑性下降幅度很小;500 ℃以上开始显著下降;600 ℃到700 ℃时出现陡降;随温度升高,断口形貌从韧窝状断裂转变为沿晶脆性断裂。从室温到高温,1J85铁镍合金力学性能受到晶界强度和高温组织软化(位错运动容易进行)的共同作用。随着温度升高,材料软化导致材料强度下降,同时也有利于塑性变形能力提高,但另一方面,晶界弱化将导致材料的塑性变形能力下降。高温变形段,材料软化和晶界弱化同时影响塑性变形能力。

本研究聚焦于三维集成电路中硅通孔(TSV)铜填充材料的力学性能表征与反演问题。硅通孔铜(TSV-Cu)在热循环载荷下的力学响应直接影响封装结构的可靠性,而现有研究对其几何尺寸效应的系统分析相对缺乏。为此,本文通过将纳米压痕实验与有限元反演相结合,系统研究了不同直径TSV-Cu在高温退火后的力学行为与微观机制。结果表明,TSV-Cu退火后弹性模量与纳米压痕硬度均与直径呈正相关。仿真反演结果表明,退火后屈服强度稳定于35 MPa,塑性行为趋于稳定。中等直径TSV-Cu纳米压痕(20 μm)表现出较为均衡的力学性能(纳米压痕硬度1.62 GPa,弹性模量133.66 GPa)。微观结构分析表明,中等直径TSV-Cu更易发生晶粒粗化,具有更好的热机械可靠性。不同直径TSV-Cu展现的力学性能差异可为先进封装中TSV-Cu的选型与性能调控提供一定的依据。

高强度汽车结构用钢的研发与应用是推动汽车轻量化发展的关键技术之一,但在实际应用中发现700 MPa级汽车结构用钢板在剪切过程中出现截面开裂问题,严重影响材料的加工性能和使用安全性。针对该问题,本文采用X射线荧光光谱仪、拉伸试验机、金相显微镜、扫描电子显微镜及维氏硬度计等检测手段,系统研究了材料的化学成分、力学性能、微观组织、开裂断口形貌及显微硬度。结果表明:与剪切正常样板相比,开裂样板中Mn、Nb、V合金元素含量显著偏高,其中Mn元素偏析和材料中Mo元素的协同作用促使热轧过程中钢板心部形成硬脆的马氏体偏析带,造成截面组织和性能严重不均匀,是导致材料加工性能恶化的关键因素。在剪切应力作用下,马氏体偏析带与其他区域的性能差异引发应力集中使之成为微裂纹,并在后续加工过程中导致材料沿偏析带开裂。

棒材作为轴承和链条等关键部件的重要原材料,其质量直接关系到下游产品的安全性能。针对直径不大于50 mm的棒材,常采用漏磁无损探伤技术进行缺陷检测,但其存在损耗大、成本高的缺点。本研究探索了红外热成像检测技术在小规格棒材表面缺陷检测中的应用。该技术通过控制高频涡流热源对运动中的小规格棒材表面进行加热,采用红外相机采集表面温度场信息,图像处理对此进行分析,利用温度变化率以获得表面缺陷特征信息。试验表明,缺陷深度与棒材表面粗糙度比值大于3 ∶1时,该检测方法可准确从图像中区分缺陷范围;在移动速度为0.5~1.5 m/s范围内对深度为0.1~1.1 mm人工伤刻槽进行测定,缺陷检出率大于99.5%,误报率小于0.5%;特征提取技术可精确计算并获取缺陷的几何形貌特征(长度、宽度等关键参数)及空间位置信息,其中长度方向偏差在±3 mm内,角度方向偏差在±5°内。

某18CrNiMo7-6钢齿轮轴设计寿命为47.2个月,但在服役6个月后发生断裂。为了确定失效原因,防止此类失效事件再次发生,本文通过扫描电子显微镜(SEM)、金相分析、硬度测试、化学成分测试等手段对试件进行理化分析。结果表明,基体显微组织为回火索氏体,同时存在偏析马氏体组织。这两种组织在硬度上存在差异,并在材料中穿插分布。偏析区域由于硬度较高,更易于在服役过程中形成应力集中点,这造成齿轮轴在长期服役过程中裂纹萌生和扩展,最终导致齿轮轴的断裂。

本文系统研究了两种不同批次轧制7N01铝合金板材,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)从不同尺度表征了其显微组织特征,通过剥落腐蚀和晶间腐蚀性能测试获取了不同板材的耐腐蚀性能,利用拉伸性能测试获取了两种板材不同取向的力学性能,明晰了7N01铝合金组织与性能的关联性。研究了不同板材的相分布、晶粒形态及择优取向等显微组织特征对拉伸性能、剥落腐蚀性能和晶间腐蚀性能的影响,发现析出相的分布和晶界组成是影响耐腐蚀性能的重要因素,而不同方向的力学性能与晶体学择优取向密切相关。对比分析了两种铝合金的各向异性指数和屈强比,为它们的工程应用提供了指导。

预应力混凝土用(PC)钢棒加工过程中以及在管桩上的延迟断裂问题,会给其生产企业和用户带来损失,因此,预应力混凝土用钢棒的脆断分析与控制受到了广泛关注。通过对发生低应力脆断的预应力混凝土用30MnSi钢棒脆断样品进行宏观观察、金相组织、夹杂物及断口分析,明确了原始盘条表面存在的结疤缺陷为引起脆断的直接原因。更进一步地对结疤缺陷进行分析,认为铸坯表面裂纹缺陷遗传为导致钢棒脆断的根本原因。通过对冶炼和加工工艺的进一步优化,有效解决了预应力混凝土用钢棒的脆断问题。

草状波问题是锻钢冷轧辊辊坯常见的一种表面波缺陷,该缺陷若按传统的调质+表面淬火工艺正常生产,无法有效消除轧辊成品表面波缺陷问题。本文通过正火、球化退火等锻后热处理工艺以降低或者消除70Cr5Mo钢辊坯产品超声波检测时存在的草状波缺陷。结果表明,采用正火加等温球化退火相结合的预处理工艺,可以得到均匀细小的球化珠光体组织,有效改善70Cr5Mo钢的组织状态,从而达到降低或消除草状波的目的。建议的工艺如下所示:正火(于1 070 ℃保温一定时间后空冷)→等温球化(于970 ℃保温)→快冷至770 ℃保温一定时间→炉冷至500 ℃出炉空冷。

铜与锡界面的连接质量直接影响电子器件的可靠性,二者在物理和化学性质方面存在显著差异,采用传统焊接方法难以形成稳定的接头。本文在建立铜/锡异种金属电磁脉冲焊接(EMPW)的飞板动力学模型的基础上,探究了不同垫片间距(20~40 mm)与不同碰撞速度(200~500 m/s)下的焊接碰撞过程和界面应力规律,为铜/锡EMPW工艺的优化提供了理论支持。飞板动力学模拟结果表明:增大垫片间距有助于缓解焊接区域的应力集中,当垫片间距从20 mm增至40 mm时,铜板焊接区域应力由171.43 MPa降至161.64 MPa,锡板焊接区域应力由37.26 MPa降至26.21 MPa;碰撞速度提升会显著加剧焊接区域应力,当碰撞速度从200 m/s提升至500 m/s,铜板焊接区域应力由122.56 MPa增至181.10 MPa,锡板焊接区域应力由33.91 MPa升至55.15 MPa。此外,采用扫描电子显微镜(SEM)对12~30 kJ放电能量的铜/锡焊接接头界面形貌进行微观结构表征,结果表明,随着放电能量的增加,接头界面由平直逐步发展为波状,最终形成钩状结构。

铝及其合金因轻质、高强、耐蚀等特性广泛应用于航空、航天等领域,但其结构易产生局部腐蚀与疲劳开裂,导致表面及亚表面裂纹蔓延威胁安全。本文基于多频交流电磁场(ACFM)相位超前特征的缺陷检测技术,建立了相位超前特征的理论模型,结合COMSOL有限元仿真与实验验证,搭建了含隧道磁阻(TMR)传感器、锁相放大器及LabVIEW处理程序的检测系统,探讨了其对深度4～9 mm的6组表面裂纹和埋深1～6 mm的6组亚表面裂纹的精准分类与埋深量化。结果表明,表面裂纹沿z方向的磁场(Bz)信号始终呈“波谷-波峰”特征,亚表面裂纹在高频激励下Bz信号方向反转,利用该相位特征可有效区分两类裂纹;亚表面裂纹埋深附近存在由偏移频率引起的无波峰和波谷的过渡信号,其偏移频率与埋深满足线性关系,实测最大相对误差仅1.122%,验证了埋深评估的可靠性。该技术为铝结构隐蔽裂纹的高精度检测与量化提供了新方法。

冲击断口图像分析仪的测量分辨率受到光学镜头的限制,不能满足计量特性关于显示分辨率的要求。为了提高冲击断口图像的显示分辨率,本文进行了超分辨率断口图像分析,解决了冲击断口图像分辨率低的问题,将原分辨率由约0.03 mm,提高至约0.003 7 mm,满足了相关标准的要求。为了使冲击断口图像分析仪既能满足冲击断口形貌分析的要求,又能满足计量校准特性对于显示分辨率的要求,本文采用塔式分解放大增强的方法,将两种不同类型的冲击断口,在冲击断口图像分析仪上进行拍照,取得原始断口图像,之后对断口图像进行了8倍塔式分解放大处理。通过对算法的评价,得出放大后的断口图像与原始图像保持了良好的相似性和信息量,符合几何量的测量原则。最后进行了不确定度评定,给出了评定的结果。

针对电站锅炉后屏过热器管G102+TP347H异种钢焊接接头开裂问题,通过宏观观察、化学成分分析、显微组织分析、断口扫描电子显微镜(SEM)形貌及微区成分分析等,分析了焊接接头失效原因,为电站锅炉的安全稳定运行提供理论支持。结果表明,在高温高压工况及热应力作用下,管样异种钢焊接接头G102侧熔合线处因碳迁移形成了增碳层,使熔合线处力学性能出现异常并产生了沿晶微裂纹,最终导致G102侧熔合线处发生穿透性开裂。同时,热膨胀系数差异及热疲劳循环加剧了沿晶微裂纹的萌生与扩展。建议优化焊接工艺、减少现场焊接,并加强检验和检查。