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[博士论文] 牟义强
材料学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:当前燃煤发电设备的主要发展方向是700℃超超临界发电机组(A-USC),其蒸汽温度和压力分别700℃和35MPa,这对材料要求极为苛刻。镍基高温合金具有良好的抗氧化、耐腐蚀能力,较高的持久强度、蠕变强度等,是现今700℃超超临界机组高温部件的主要候选材料。K325合金是由中国科学院金属研究所近期研发的铸造镍基高温合金,其目标是满足700℃超超临界机组对大型铸件材料的需求。本文系统研究了K325合金在长期时效过程中δ相的析出特性及影响因素,同时就δ相对K325合金力学性能的影响也进行了初步探讨,研究结果有利于K325合金的成分优化和性能改进。主要结果如下:
  系统研究了K325合金在700℃和750℃长期时效过程中δ相的析出行为。结果表明:经700℃和750℃长期时效处理后,δ相优先于晶界以及NbC碳化物附近析出,随后向枝晶间生长,并且偏聚于枝晶间,这与Nb元素的枝晶偏析密切相关;750℃时效3,000h和700℃时效7,500h后在NbC碳化物上均发现M23C6碳化物,时效析出大量δ相促进了NbC碳化物分解;K325合金经700℃和750℃时效析出的δ相是通过γ"相密排面上产生层错转变而来,对应γ"相变体,K325合金中也发现呈一定取向关系的δ相变体。
  研究了不同Nb、Cr、Mo含量K325合金在650℃、700℃和750℃下长期时效至17,000h后δ相的析出情况,详细探讨了时效时间、时效温度和合金成分对K325合金时效析出δ相的影响。结果表明:相比于700℃时效处理,经750℃时效处理的K325合金中δ相的析出量要明显增加,而650℃时效至10,000h,合金中没有明显析出δ相,温度的提升显著促进了δ相的析出;随着时效时间的延长,K325合金中δ相的析出量逐渐增加,其中δ相的析出量在750℃长期时效后可以达到稳态;Nb、Cr、Mo对δ相析出影响有所不同,其中Nb对δ相析出影响较为显著,随着Nb含量由3.15wt%增加至4.5wt%,时效处理后合金中δ相的析出量明显增多,而Mo和Cr一定程度上也促进了δ相的析出,但其对δ相析出影响不明显。
  初步研究了δ相析出对K325合金700℃力学性能的影响。首先,随着δ相含量的增加,K325合金的屈服强度和抗拉强度近似线性增长,而面缩率和延伸率有所降低,但当δ相含量为10%~40%,δ相含量变化对塑性影响较小,合金仍保持较好的塑形;其次,通过与γ"相强化作用比较,确定δ相在K325合金中起着重要的强化作用,并非脆性相。δ相通过阻碍位错运动,提高了合金强度;最后,初步研究了δ相对K325合金持久性能的影响。一方面,和固溶态K325合金相比,有δ相析出的时效态合金持久寿命增加;另一方面,δ相含量由18%增加至35%后,加载应力为400MPa时,持久寿命相当,而加载应力为375MPa时,持久寿命明显降低。
[博士论文] 杨晓龙
机械制造及其自动化 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:非均匀润湿性图案化表面可实现液滴存贮和运输等操控行为,在药物研发和干旱多雾地区水资源收集等领域具有重要应用价值。但现有非均匀润湿性图案化表面加工技术尚不能满足液滴多样化操控需求。本文采用化学/电化学加工和微铣削等微纳制造技术通过区域性调整材料表面微结构或化学成分加工出非均匀润湿性图案化表面,并研究了液滴在所加工表面上的粘附、运输、混合和分离等静动态行为和相关机制,为新型智能液滴操控平台的设计和制造提供了理论和技术基础。主要研究内容及结果如下:
  (1)分别采用电液束加工和掩模化学氧化并结合低表面能修饰技术在金属基底加工了疏水/超疏水图案化表面,基于所加工表面,进行液滴滚动试验,分析了疏水/超疏水图案化表面液滴的各向同性/异性滚动特性。结果显示,液滴的各向同性/异性滚动阻力受疏水区微结构、宏观形状和尺寸影响,且影响规律可由Furmidge界面液滴滚动阻力模型预测;通过控制液滴的各向同性/异性滚动可实现液滴存贮和无损转移等操控行为。
  (2)利用微铣削技术直接在金属超疏水表面加工出亲水微沟道图案,并分析了亲水微沟道上液滴的各向异性滚动机制及其在重力驱动液滴操控方面的应用。结果证明,亲水微沟道上液滴沿平行于和垂直于沟道方向的滚动阻力具有显著各向异性,且各向异性可由沟道宽度、数量、间距及沟道间夹角定量控制;在重力驱动下,各向异性滚动阻力可使液滴沿沟道滚动,实现开放式液滴混合功能,混合效率可达167μL/s;相比封闭式微流控芯片,此开放式液滴混合系统具有成本低、易观测、无气泡等优点。
  (3)采用掩模电化学刻蚀法在金属超疏水表面加工了超亲水图案,分析了该超亲水图案上拉普拉斯压力梯度驱动的液滴操控过程。结果表明,掩模电化学刻蚀能够以点蚀及点蚀扩展的形式定域去除超疏水表面氟硅烷层加工出超亲水图案;先用高电位均匀去除大部分氟硅烷层,为避免强电场破坏微结构,再转用低电位去除剩余部分是加工高质量超亲水图案的关键;所加工的楔形超亲水图案可实现拉普拉斯压力梯度驱动的液滴运输和混合,且液滴运输速度和混合体积可分别由楔形图案张角和相对位置控制。
  (4)采用掩模化学氧化法在铜箔上加工了水下亲油/超疏油图案化表面,并利用该表面提出一种拉普拉斯压差驱动的水下油滴运输方法,研究了油滴运输体积和速度的影响因素及其影响规律。结果表明,掩模化学氧化法可通过定域构建纳米结构来加工水下亲油/超疏油图案化表面;在该表面上,由亲油通道连接的亲油圆形图案(蓄油池)上的油滴在拉普拉斯压差驱动下会自发沿通道运输,且运输体积和运输速度可由蓄油池、连接通道尺寸和油液性质控制;利用多蓄油池间的油滴运输可实现自适应油滴分离和混合。
[博士论文] 鲁月
材料学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:铜及其合金作为面心立方结构材料,具有优异的导电导热性、耐腐蚀性以及延展性,是当今电气产业及电子元件制造业的热门原材料之一,但是由于较差的硬度和强度性能使得铜及其合金材料的应用与发展受到了限制;而镁及其合金为密排六方结构材料,具有更高比强度、更好的导热减震性能,但是由于变形过程中基面织构的存在导致镁及其合金在室温情况下难以进行形变,且目前镁合金的塑性变形理论还不够完善成熟,塑性加工技术发展的相对缓慢,限制了镁合金的发展。因此,有必要对铜合金及镁合金塑性变形方法进行深入系统的研究,从而探索出能够有效改善材料综合性能的工艺方法。
  金属材料的力学性能与其微观组织(晶粒分布和晶粒取向)密切相关,而不同的变形方式以及再结晶条件对组织特征的演变规律则有着重要的影响。基于此思路,本论文选用Cu-Ag合金、铸态纯Cu和铸态AZ31镁合金作为实验材料,利用金相显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)等微观组织表征与分析方法,系统的研究了在液氮温度下轧制变形对Cu-Ag合金微观组织、织构以及再结晶行为的影响;研究分析了退火过程中的外加载荷应力对室温冷轧后的Cu-Ag合金再结晶行为的影响作用;对纯Cu试样进行了室温多向压缩实验,系统的分析了试样变形后和再结晶后的织构特征;通过对AZ31镁合金进行室温多向压缩变形以及退火处理,研究多向压缩对AZ31镁合金的微观组织以及力学性能的影响作用。主要实验结果如下:
  1.Cu-Ag合金在液氮温度轧制过程中,由于低温轧制阻碍了位错的运动,试样内积累了更高的位错密度,因此相对室温轧制试样而言,材料的抗拉强度有所提高。试样经液氮温度轧制90%后的织构以S型和Brass型织构为主。另外,液氮温度轧制抑制了动态回复过程,因此使得试样中的储存能增加,提高了再结晶驱动力,从而降低了Cu-Ag合金的再结晶温度。
  2.95%冷轧变形的Cu-Ag合金经外加载荷退火的实验结果表明,加载较小应力(10MPa)退火虽然抑制了材料的再结晶行为,但却促进了再结晶Cube织构的形成。另外,加载较大应力(50MPa)虽然对再结晶过程中新晶粒形核的抑制效果更加明显,但加快了晶粒长大,主要原因是由于较大的外加应力已经大于位错滑移运动所需的临界分切应力,因此加载退火过程中产生了新的缺陷,从而提高晶粒长大的驱动力。
  3.在铸态纯Cu室温多向压缩后的金相测试结果中看到了“项链型”结构,说明压缩过程中发生了动态再结晶。多向压缩试样的织构在{111}极图中呈对称分布关系,主要由为Goss{011}<100>、CubeTD{011}<011>以及CubeND{001}<110>三种组分组成,而完全再结晶后并没有出现Cube织构,这是由于试样的三种形变织构使得其他取向晶粒优先形核与长大,并限制了Cube取向晶粒的形核与长大。
  4.铸态AZ31镁合金在室温多向压缩过程中出现了退孪晶现象。随着多向压缩道次的增加,{0002}面衍射峰值先上升后下降,说明多向压缩可以弱化AZ31镁合金的{0002}基面织构。AZ31镁合金室温多向压缩10道次的试样退火30min时已经完全再结晶,4道次的试样退火40min完成了再结晶,而单向压缩试样退火120min后依然是原始粗大晶粒与细小新晶粒共存的混晶状态。另外,多向压缩10道次的试样再结晶后的晶粒尺寸最小且更均匀。
  5.由于室温多向压缩使得AZ31镁合金晶粒内部产生大量高密度的孪晶界,阻碍了位错滑移,因此试样出现了明显加工硬化现象。此外,多向压缩的晶粒细化作用使得AZ31镁合金的室温最大累积变形量达40%。完全再结晶后的压缩测试结果表明,多向压缩10道次试样的力学性能明显优于单向压缩试样,抗拉强度和压缩率分别提高了26%和69%,而由于基面织构的弱化导致试样的屈服强度并没有明显的提高。
[博士论文] 张宇
材料物理与化学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:本文基于“团簇加连接原子”模型建立了镍基高温合金成分式,实施了对现有牌号合金的成分解析和性能分析,并进行了实验验证和性能预测。首先,通过分析现有成熟牌号合金成分,揭示了镍基高温合金的成分规律和发展趋势,提出了镍基单晶高温合金的理想模型和相应成分式。其次,借助镍基高温合金的成分式,确定了合金中键的种类和数量,并利用键焓表征键强,建立了承温能力与成分式之间的关联,并实现对承温能力的预测。最后,利用理想模型对第1代镍基单晶高温合金进行了实验验证,所设计合金的1000℃/219MPa持久寿命达到第1代单晶合金的平均水平,并且所设计合金的初熔温度在第1代单晶合金中处于较高水平。具体内容包括以下3方面:
  (1)基于“合金化元素与溶剂Ni”的混合焓,将合金化元素分为4类:1类Ni元素Ni(含Ni、Co、Fe、Re、Ru和Ir),与Ni呈弱混合焓,范围在-2~+2kJ/mol;2促进γ形成的类Cr元素(Cr)γ(含Cr、Mo和W),与Ni的混合焓在-7~-3kJ/mol;3促进γ'形成的类Cr元素(Cr)γ'(含Ti、V、Nb和Ta),与Ni的混合焓在-35~-18kJ/mol;4与Ni呈强负混合焓的主要合金化元素Al(-22kJ/mol)。基于元素分类,本文对272个广泛应用或具有代表性的典型镍基高温合金牌号进行成分分析,发现镍基高温合金落于狭窄的成分区间60~80at.%(Ni),对应连接原子个数为2~7。镍基高温合金的发展过程,就是在(Ni)-(Cr)γ二元体系基础上添加γ'形成元素(Al,(Cr)γ')的过程。定向凝固柱晶合金和单晶高温合金位于[(Al,(Cr)γ')1-(Ni)12](Al,(Cr)γ')1.5(C)rγx-1.5成分线。高代次单晶合金最终趋近于符合Friedel振荡和团簇共振模型的理想成分式[(Al,(Cr)γ')1-(Ni)12](Al,(Cr)γ')1.5(Cr)γ1.5=(Ni)75Al12.5(Cr)γ'9.375(Cr)γ3.125at.%。通过元素分类还可以获得γ'体积分数。
  (2)本文基于所获得的成分式,进而确定镍基高温合金中键的种类和数量。对于配位数为12的面心立方固溶体结构,属于每个原子的键为6个,因此含有x个连接原子的成分式有6×(13+x)个键,包括12个中心-壳层键、12x个连接-壳层键和(66-6x)个壳层-壳层键。利用键焓表征键强,本文发现,平均键焓可以反应承温能力的变化趋势,弱键键焓可以反映持久寿命的变化趋势。高承温能力和长持久寿命的高代次单晶合金同样指向理想成分式[Al-(Ni)12]Al1(Cr)γ'0.5(Cr)γ1.5。
  (3)本文基于镍基高温合金的理想模型[Al-(Ni)12]Al1(Cr)γ'0.5(Cr)γ1.5,结合已经实际应用的的第1代镍基单晶高温合金DD407(AM3)的成分,设计出3组(A组、B组和C组)团簇高温合金:A组合金成分式为[Al-Ni11Co1](Al1TaxTi0.5-xCr1Mo0.25W0.25),x=0、0.25和0.5,因此以Ta和Ti的质量分数命名,“0Ta-2.65Ti”、“4.82Ta-1.28Ti”和“9.32Ta-0Ti”;B组合金成分式为[Al-Ni12-yCoy](Al1Ti0.25Ta0.25Cr1Mo0.25W0.25),y=1.5、1.75、2和2.5,因此以Co的质量分数命名,“9.43Co”、“11Co”、“12.57Co”和“15.71Co”。C组合金成分式为[Al-Ni12-zCoz](Al1Ta0.25Ti0.25Cr1Mo0.25W0.25),z=1.25、2、2.5和3,还有[Al-Ni11Co1](Al1Ti0.5Cr1Mo0.25W0.25),命名为“7.86Co”、“12.57Co”、“15.71Co”、“18.85Co”和“0Ta-2.65Ti”。其中,7.86Co合金和12.57Co合金的1000℃/219MPa持久寿命超过DD407的46h,达到了第1代单晶合金的平均水平。同时,所有团簇高温合金的初熔温度在第1代单晶合金中处于较高水平,均超过Nasair100的初熔温度(1330℃)。A组合金中,Ta元素的增加(Ti元素的降低),合金的负错配度δ从-0.262%减小到-0.247%,但在900℃长期时效的过程中,合金的负错配度δ能够保持稳定,从而抑制γ'的粗化。同样,Ta增加(Ti降低),A组合金的1050℃/120MPa持久寿命呈现升高趋势。对于B组合金,Co元素的加入并不增加合金在900℃长期时效过程中γ'的粗化速率。因此B组合金在900℃长期时效的过程中,粗化速率与第3代镍基单晶高温合金处于同一数量级(10-5μm3/h)。此外,Co元素的加入减弱了原子间交互作用(混合焓和键焓),同时也降低了合金的1050℃/120MPa持久寿命。在1050℃/120MPa持久过程中,A组合金和B组合金的γ'均呈现N型筏化。对于C组合金,持久寿命同样可以用键焓表征。此外,在1100℃/137MPa持久实验和1000℃/219MPa持久实验中,C组合金的γ'呈现N型筏化。但在760℃/780MPa持久实验中,C组合金的γ'没有出现筏化。同时,C组合金的7.86Co合金和12.57Co合金的1000℃/219MPa持久寿命优于DD407。承温能力与平均键焓存在明显的对应关系,TTC(K)=-4071.852×Iave-1867.180,其中Iave为平均键焓(eV/bond),可以利用平均键焓对承温能力进行预测。成分式设计方法的确能够有效指导高温合金的研发。
[博士论文] 李航
材料加工工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:高强耐磨黄铜具有优良的机械性能和耐磨性能,可适应高负荷、高冲击、低润滑等恶劣的工作环境,通常用于制造耐磨机械零件,特别是汽车领域中的同步器齿环。目前,国产高强耐磨黄铜材料的使用性能与国外先进水平存在较大差距,本质问题在于对高强耐磨黄铜中硬质相的形成机理、生长机制以及在摩擦磨损过程中的作用机理缺乏深刻的认识,从而导致对硬质相的调控缺乏明确的方向和有效的手段。Mn5Si3和(Mn,Fe)5Si3是高强耐磨黄铜中重要的硬质相,是决定复杂锰黄铜具有优良耐磨性能的核心所在。为此,本论文以不同的复杂锰黄铜为对象研究了Mn5Si3和(Mn,Fe)5Si3硬质相的生长机制以及三维形貌演变,系统分析了硬质相的体积分数、尺寸和形貌对复杂锰黄铜力学性能和耐磨性能的影响机理,在此基础上研究了微量Sr的添加对HMn64-8-5-1.5黄铜组织和性能的影响。此外,选择HMn62-3-3-1和HMn64-8-5-1.5黄铜为对象,对凝固过程中初生和共晶硬质相的形成机理以及等温热处理时纳米尺寸的Mn5Si3相在β相基体中的析出机理进行了研究,并且进一步分析了细小且弥散均匀分布的Mn5Si3析出相对复杂锰黄铜力学性能和耐磨性能的影响。主要取得了以下的研究结果:
  (1)通过萃取法和深腐蚀法系统观察了不同复杂锰黄铜凝固组织中硬质相的三维形貌,结合晶体结构分析揭示了硬质相的生长机制。复杂锰黄铜含有少量的Fe时会同时形成(Mn,Fe)5Si3和Mn5Si3硬质相,拥有相同的晶体结构,在本论文中统称为[Mn(Fe)]5Si3相。D88型复杂六方结构的[Mn(Fe)]5Si3硬质相择优生长方向为<0001>和<11(2)0>,且<0001>的生长速度大于<11(2)0>,晶体倾向以小平面方式生长为长六棱柱形貌。在生长过程中由于受到溶质扩散动力学和溶质在晶面吸附动力学的影响,在粗大的初生[Mn(Fe)]5Si3相颗粒上会形成棱柱内部孔洞以及侧面凹陷。
  (2)在复杂锰黄铜的凝固过程中初生[Mn(Fe)]5Si3相在熔体中形核,随着熔体温度的降低初生[Mn(Fe)]5Si3相发生长大。复杂锰黄铜在高温下等温热处理时β相基体中可以形成纳米尺寸的Mn5Si3析出相。Mn5Si3析出相和β相基体存在共格界面关系时具有如下晶体学位向关系:(110)β//(1(1)00)Mn5Si3和[(1)11]β//[11(22)]Mn5Si3。细小的Mn5Si3析出颗粒密集且弥散均匀地分布在基体中可以显著提高复杂锰黄铜的耐磨性能。
  (3)复杂锰黄铜的强化机理主要是基体向[Mn(Fe)]5Si3硬质相颗粒的载荷传递,其次是细晶强化。随着[Mn(Fe)]5Si3含量的升高,复杂锰黄铜的硬度和强度提高,断裂方式由韧性断裂转变为准解理和解理断裂。当[Mn(Fe)]5Si3含量较高时,粗大且高长径比的初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒上存在大尺寸的孔洞,具有严重的裂纹形成倾向,导致复杂锰黄铜的抗拉强度提升有限而塑性却严重下降。
  (4)在高载荷作用下复杂锰黄铜的耐磨性能受到[Mn(Fe)]5Si3硬质相尺寸和形貌的显著影响。粗大且高长径比的初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒包含明显的孔洞和凹陷,会促使磨损亚表层中形成严重的裂纹从而大幅降低复杂锰黄铜的耐磨性能。此外,发现细小的初生和共晶[Mn(Fe)]5Si3颗粒的适当结合可以有效抑制裂纹的形成,使得复杂锰黄铜具有优良的耐磨性能。
  (5)加入微量的Sr后HMn64-8-5-1.5黄铜的晶粒细化,初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒的数量增多,并且六棱柱颗粒的直径和长径比减小,棱柱内部孔洞和侧面凹陷的尺寸减小。含有适量的Sr时黄铜的硬度和强度提高,初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒的裂纹形成倾向降低,所以耐磨性能显著提高。Sr含量为0.15wt.%时HMn64-8-5-1.5黄铜的力学性能和耐磨性能均达到最佳。
[博士论文] 姜慧
材料加工工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:高熵合金打破了传统合金的设计理念,是以多种主要元素组成的一类新型合金。高熵合金多元素的协同作用使其具有许多优异的性能,如高的强度/硬度、良好的耐磨性、好的耐腐蚀性、高的低温韧性等,因而具有广阔的工业应用前景。然而以固溶体为主要结构的高熵合金,铸造流动性较差,难以补缩,大体积铸锭的宏观和微观偏析严重,不利于高熵合金的规模化工业应用。而共晶高熵合金可同时具有高熵合金和共晶合金的特性,因而具有重要的经济价值和理论研究意义。
  本文基于二元合金相图提出了设计共晶高熵合金成分的等比例混合方法,并设计了CoFeNi(Cr)-M(M=Nb、Ta、Zr、Hf、Al)系列共晶高熵合金。本文主要以上述合金为研究对象,通过各种测试分析方法,系统地研究了合金的成分、组织结构及力学性能。本文主要结论如下:
  (1)提出了共晶高熵合金成分设计方法:首先通过二元合金相图获得形成共晶合金的成分,再将二元共晶成分按照等比例混合得到不同组元共晶合金成分,这一方法在FeNiNb0.35三元共晶合金、CoFeNiNb0.5四元共晶合金以及(CoCrFeNi)Mx(M=Nb、Ta、Zr、Hf)五元共晶合金中都比较适用,该方法为多主元共晶高熵合金的成分设计提供了新途径。
  (2)将二元共晶等比例混合方法应用在(CoCrFeNi)Mx(M=Nb、Ta、Zr、Hf)合金系中,并成功设计出CoCrFeNiNb0.45、CoCrFeNiTa0.4、CoCrFeNiZr0.55、CoCrFeNiHf0.4共晶高熵合金成分,其组织由FCC+Laves两相细小层片共晶胞形貌构成。其中,CoCrFeNiNb0.45和CoCrFeNiTa0.4共晶高熵合金展现了最优的综合力学性能。CoCrFeNiTa0.4共晶高熵合金高的强度主要来源于四种强化机制中的Laves第二相强化和Hall-Petch强化。
  (3)设计并通过直接凝固法制备出了具有均匀超细组织(层片宽度约200nm)的大尺寸CoCrFeNiNb0.45共晶高熵合金。该合金展现了优异的抗高温软化性能:1100℃退火后合金硬度(479HV)相比于铸态(515HV)仅仅降低7%;700℃压缩条件下,合金的压缩强度、屈服强度和断裂应变分别为1082MPa、843MPa、28%。
  (4)选用高强度、高耐磨性的CoCrFeNiNbx(x=0.45、0.5、0.75、1.0)共晶及过共晶合金用激光熔覆制备成合金涂层,涂层微观组织由亚共晶(x=0.45、0.5)转变为过共晶(x=0.75、1.0)。其中,CoCrFeNiNb1.0合金涂层硬度值为590HV,相当于基体硬度的2.8倍。在相同磨损条件下,CoCrFeNiNb1.0高熵合金涂层具有最优的耐磨性能。
  (5)设计并制备了具有有序FCC与B2双相结构的CoFeNi2Al0.9共晶高熵合金,该合金展现了良好的力学性能:室温拉伸屈服强度为559MPa,断裂强度为1005MPa,延伸率为6.2%;600℃高温拉伸断裂强度为706MPa,延伸率为26.4%。且大尺寸CoFeNi2Al0.9共晶高熵合金展现了潜在的工业化应用前景。
  (6)通过透射电镜观察CoFeNi2Al0.9共晶高熵合金中不同变形阶段的亚结构形貌,结果发现:FCC相中亚结构的演变是由平直位错转变为弯曲位错、高密度位错堆积、位错网,再转变为位错墙、Taylor晶格;B2相中亚结构的演变是由少量短位错向大量平直位错形貌。
[博士论文] 付有志
机械制造及其自动化 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:高端装备制造的关键之一是其高性能零部件的制造,此类零部件多具有复杂曲面结构、难加工材料和极端服役工况等技术需求,其功能表面的表面质量对使役性能和服役寿命影响极其重大。某发动机叶片和大型挤压造粒机螺杆元件为此类零部件的典型代表,在经过数控铣削或精密铸造等近净成形加工后需要配以合适的光整加工技术提升表面质量以满足其使役性能要求,而手动抛光、振动光饰和数控砂带磨削等技术存在加工效率低,加工可达性较差或成本较高等不足,因此,高效高质且低成本的光整加工技术是缩短此类零部件的研制周期和延长服役寿命的重要保证。
  磨料流加工是一种将半固着磨料介质往复挤压滑擦复杂表面以提高表面质量的非传统光整加工技术,具有较高的加工可达性,在复杂零部件的光整加工中显露出广阔的应用前景。本论文围绕高性能零件复杂曲面的高效高质光整加工需求,针对磨料流加工边缘效应导致表面加工质量降低的难题,基于粘性磨料介质幂律本构表征,建立了约束流道内磨料介质挤压流场仿真力学模型,揭示了磨料流加工边缘效应的成因,提出了基于模具约束形面和引流段结构反求设计的全表面分区调控削减边缘效应的调控原理与策略,探索了磨料流加工实现精准磨抛的技术途径,通过对某发动机叶片和造粒机螺杆元件样件进行应用试验,验证了该技术的可行性,主要研究内容及结果如下:
  (1)采用频率扫描法测试了不同组分和使用时间的磨料介质储能模量和耗能模量,根据Cox-Merz定律获得介质稳态剪切粘度,并预测了磨料介质FC024045M的稳态剪切粘度值,建立了磨料介质幂律本构模型,表征了粘性磨料介质的流变特性,为粘性磨料介质挤压流场仿真力学模型提供应力和剪切速率间的关联式;
  (2)基于连续介质力学假设,结合非牛顿流体基本理论和所建立的磨料介质幂律本构方程,构建了粘性磨料介质挤压流场仿真力学模型;搭建了磨料流加工表面近壁区压力测试平台,对比研究了矩形约束流道内仿真压力和实测压力的对应关系,结果表明所建立的挤压流场仿真力学模型的模拟结果与试验结果吻合较好,说明该模型能够较为准确地模拟磨料流加工约束流道内的流场分布;
  (3)建立了磨粒群在流场约束下的磨料流加工材料去除分布函数模型,结合流场仿真给出了加工表面近壁区流场p*v分布的计算流程,提出了磨料流加工全表面形貌预测的简化算式,以此为基础,揭示了磨料流加工边缘效应的成因,并阐明了磨料流加工工艺参数对边缘效应的影响规律;
  (4)根据磨料流加工边缘效应的分布特点,提出了基于模具约束形面和引流段结构分区调控削减边缘效应的策略,以整体叶盘模拟件为研究对象,提出了全表面磨料流均匀化加工的调控方法,通过试验验证,工件表面粗糙度由Ra0.51μm降至Ra0.14μm,且粗糙度均匀性由0.098提升至0.029,边缘和中心抛光纹理一致;此外,研究了表面纹理对磨料流加工特性的影响规律,提出了基于表面多尺度纹理特征的磨料粒度匹配选择方法,以缩短加工时间,进一步削减边缘效应对表面加工质量的影响;
  (5)利用等截面法测量了某发动机叶片磨料流加工前后的廓形,结合流场仿真和所建立的表面形貌预测计算式,反求设计了实现叶片表面流场均匀分布的模具约束形面和引流段结构,提出了基于颗粒增强环氧树脂混合物的磨料流加工模具复印反求制造新工艺,基于发动机叶片表面多尺度纹理特征分析,并结合试验优选出高效光整加工的工艺参数,试验结果表明:抛光后叶片表面粗糙度由Ra0.81μm降至Ra0.17μm,粗糙度均匀性由0.062提升至0.021;叶盆、叶背、前缘和后缘的最大材料去除量分别由流场调控前的0.068mm、0.098mm、0.12mm和0.29mm降至0.010mm、0.017mm、0.062mm和0.11mm,显著改善了叶片轮廓抛光的均匀性;
  (6)以大型挤压造粒机的输送螺杆元件为研究对象,结合流场仿真分析了螺杆棱边过抛和进出口欠抛的成因,设计了具有引流段和局部约束增强的螺杆元件磨料流加工专用模具,试验结果表明:抛光后输送螺杆螺槽面平均表面粗糙度由初始Ra10.5μm降至Ra0.45μm,粗糙度均匀性由1.057提升至0.014,螺杆最小直径一致性提高,且相对于企业砂带磨削,抛光效率显著提高。
  本论文探究工作取得的磨料流加工边缘效应调控理论及其实现方法等成果,不仅成功用于某发动机叶片和造粒机螺杆元件的复杂曲面高效高质光整加工,而且也为相关高性能复杂曲面零件的光整加工提供了一种新的技术途径。
[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] 李超
化学工程与技术 中北大学 2018(学位年度)
摘要:酸洗在工业上是金属除锈的一种有效手段,但是在酸洗过程中有发生过度腐蚀的危险。在酸洗液中加入酸洗缓蚀剂,是防止金属过度腐蚀提高酸洗效率的有效方法。杂环类化合物具有较好的化学吸附性能,表面活性剂具有良好的定向吸附性能,被用作酸洗缓蚀剂。本论文以三聚氯氰为母体接入非极性基团(正己胺、正辛胺)和极性基团(N,N-二甲基-1,3-丙二胺),合成两个表面活性剂:2-正己胺基-4-(3-二甲胺基-丙胺基)-6-羟基-1,3,5-均三嗪(C6),2-正辛胺基-4-(3-二甲胺基-丙胺基)-6-羟基-1,3,5-均三嗪(C8),采用红外光谱、液质和核磁共振方法对二者的结构进行了表征。并分别与2-氨基苯并咪唑、2-巯基苯并噻唑等摩尔比复配作为缓蚀剂。通过实验室评价法(静态挂片失重法、吸附热力学、电化学方法、量子化学计算和分子动力学模拟研究了此种缓蚀剂对45#碳钢在1mol/L盐酸腐蚀介质48h后的腐蚀情况的影响具体研究内容如下:
  选用C6和C8两种表面活性剂以及此两种表面活性剂分别与2-氨基苯并咪唑和2-巯基苯并噻唑等摩尔比复配作为缓蚀剂,通过表面张力测试研究其表面活性。结果表明,两种表面活性剂有效的降低1M HCl溶液的表面张力,随着其浓度增加而急剧减小直至达到临界胶束浓度,体系的表面张力才趋于平稳,最后保持在30mN m-1左右。C8和C6临界胶束浓度分别为(0.1mM)和(0.5mM)。这表明两种表面活性剂都能在较低的浓度下在界面上形成饱和吸附。
  通过静态失重实验考察了单独表面活性剂和表面活性剂与杂环小分子缓蚀剂等摩尔比复配后添加浓度和腐蚀环境温度对缓蚀剂作用效果的影响,结果表明在20℃时,单独表面活性剂缓蚀效率就高达94%以上,尤其是在添加量超过临界胶束浓度后缓蚀效率稳定在97%以上。复配后缓蚀效率也略有提升,但随着腐蚀环境温度的提高,表面活性剂的缓蚀效率不断降低,复配后缓蚀体系的缓蚀效率降低的趋势明显得到抑制,C8与2-巯基苯并噻唑复配体系在添加量为5mM时,50℃的腐蚀环境中的缓蚀效率仍可保持在92%,说明表面活性剂与杂环小分子缓蚀剂复配可有效减少缓蚀剂的添加量,同时提高了缓蚀剂对温度的稳定性。
  交流阻抗谱实验、动电位极化曲线实验研究了缓蚀剂在电化学腐蚀过程中对金属的保护作用及其作用机理,结果表明表面活性剂在碳钢电极表面吸附形成一层的保护膜,有效的阻隔了金属与腐蚀介质的物质交换。表面活性剂和表面活性剂与2-氨基苯并咪唑以及2-巯基苯并噻唑复配体系在金属表面成膜的过程是以物理吸附作用为主的,对碳钢电极的阴极和阳极腐蚀过程都有良好的阻碍作用,属于混合抑制型缓蚀剂。
  吸附热力学研究表明:表面活性剂和表面活性剂与2-氨基苯并咪唑以及2-巯基苯并咪唑复配在碳钢表面的吸附作用是以物理吸附为主的混合吸附,符合Langmiur吸附等温线。
  通过量子化学计算和分子动力学模拟方法从微观角度研究了缓蚀剂分子与金属的吸附作用能力。模拟结果表明,不论是单独表面活性剂还是杂环小分子缓蚀剂都具备优良缓蚀剂的特性,能够有效的吸附在金属表面。复配后体系在界面上的吸附能较两类单独缓蚀剂明显增强。
[硕士论文] 贺圣龙
化学工程与技术 中北大学 2018(学位年度)
摘要:钢铁的防腐蚀一直是化工领域的研究热点,酸洗过程在工业中又是不可缺少的环节。当钢材进行酸洗过程时,就极容易发生腐蚀。添加缓蚀剂是一种简单有效的缓解腐蚀的方法。天然产物作为缓蚀剂有造价低、环境友好等优点,成为研究热点。研究表明果胶作为天然产物用作缓蚀剂可以对多种金属有效减缓腐蚀。果胶作为一种天然高分子其分子量影响性能,需要找到一种简单快捷、环保有效的处理果胶的方法并研究果胶分子量与其缓蚀性能的关系。
  本文采用亚临界水法处理苹果果胶以获得不同分子量的果胶;采用静态失重法和电化学法(动电位极化曲线法和交流阻抗法)评价所制得的不同分子量的苹果果胶作为45#碳钢在1mol/L盐酸中的缓蚀剂的缓蚀性能;同时对低浓度果胶与碘离子的复配的缓蚀性能进行评价并研究碘离子复配机理。结果表明:
  (1)通过对亚临界水法处理苹果果胶,成功获得了不同分子量的苹果果胶。苹果果胶分子量随处理温度的升高和处理时间的变长而显著降低,且相对分子质量由三峰分布变为单峰分布,重均分子量由246.06kDa降至8.43kDa;处理后的苹果果胶,半乳糖醛酸含量随处理温度和时间的增加而提高,由79.12%升高至89.04%,而酯化度则相反,随处理温度和时间增加而减小,由66.85%降至51.93%;通过对处理所得果胶和过程中所产生沉淀的红外光谱表征,证明了苹果果胶中含有大量极性基团,且处理前后的苹果果胶基团基本未发生大的改变,并且说明处理过程中产生的沉淀与果胶之间存在联系。
  (2)选取四个分子量段,包括粗提苹果果胶(Y)、处理条件为115℃1h的苹果果胶(T115)、处理条件为121℃1h的苹果果胶(T121)和处理条件为127℃1h的苹果果胶(T127),通过静态失重法、电化学法和SEM对处理其缓蚀性能进行评价,结果表明:四种苹果果胶缓蚀剂在所研究温度范围内缓蚀效率都随浓度升高而升高;随分子量减小缓蚀效率在25℃下呈现上升趋势,大小顺序符合:粗提果胶<T115<T121<T127,而在30和40℃下,四种苹果果胶缓蚀剂缓蚀效率大小大致相等;在低浓度下Y的缓蚀性能随温度的升高而升高,而小分子量果胶在所研究温度范围内先降低后升高;但在所研究温度范围内四种果胶缓蚀剂在最大添加量下都达到90%以上的缓蚀效率,说明四种果胶缓蚀剂在所研究温度范围内均适用;通过对极化曲线的测量,四种果胶缓蚀剂都属于以抑制阴极为主的混合型缓蚀剂;通过对四种果胶缓蚀剂的吸附模型拟合、吸附动力学和吸附热力学研究表明四种果胶缓蚀剂在碳钢表面的吸附过程均为以物理吸附为主的混合型吸附,且都属于自发吸附。
  (3)通过将四种分子量苹果果胶与碘离子复配对其缓蚀效果进行评价,结果表明:加入碘离子对四种果胶缓蚀剂的缓蚀效率均有增强作用;在加入0.5g/L I-的情况下,T115苹果果胶在腐蚀温度40℃、添加量为0.1g/L时的缓蚀效率由23.6%提高至62.9%。通过对碘离子复配机理的研究,对其腐蚀机理和缓蚀机理进行阐述。
[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] 吉如意
材料科学与工程 中北大学 2018(学位年度)
摘要:理想的NiTi合金塑性和强度有限,其在高性能结构材料领域的应用,尤其是航空航天等方面受到的限制极大,为探索NiTi合金在高温高压领域的应用潜力,亟需提高其塑性及强度。研究发现合金化是改善材料性能的有效方法,但合金化过程中会产生大量点缺陷,包括空位、反位、替位等等,这些结构缺陷会对材料诸如屈服强度、断裂强度、塑性等性能产生较大影响,所以对材料点缺陷结构的研究就显得十分重要。
  由于对NiTi合金点缺陷的研究大多集中于元素掺杂方面,形成的点缺陷是替位缺陷,本文利用第一性原理计算方法研究压力下自生点缺陷对B2相NiTi合金结构及性能的影响,寄希望于得到可靠的数据能够为后来者的实验研究提供理论参考,得到如下结论:
  对比LDA近似方法,GGA近似计算所得结果更接近实验值和其他理论计算值,表明GGA近似计算结果更加准确可靠。同时,0GPa下B2相NiTi合金晶格参数与其他实验值和理论计算值的误差控制在0.5%以内,计算参数设置准确可行。
  进一步分析,反位缺陷TiNi形成的晶格畸变导致NiTi理想晶胞晶格参数变大、体积膨胀,而其他点缺陷结构的产生会导致其晶格参数变小、体积收缩。形成热与结合能计算表明,0GPa下NiTi合金及其点缺陷结构的形成热与结合能均为负值,证明该合金各点缺陷结构稳定。上述两种化学能的绝对值以如下顺序降低:Ni8Ti8>Ni9Ti7>Ni7Ti9>Ni8Ti7>Ni7Ti8,表明NiTi合金中反位缺陷比空位缺陷更容易形成。压力计算表明该体系具有较强的可压缩性,同时点缺陷的存在会使NiTi合金抗体积变形能力减弱。
  压力下NiTi合金及其点缺陷结构各弹性常数C11,C44和C12符合力学稳定性判据,同时P-C曲线在压力的加载过程中平稳变化,并没有产生突变,说明没有相变发生。VRH计算显示压力下NiTi合金体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E、泊松比υ以及B/G的值都会出现不同程度的增大,表明压力会改善NiTi合金抗体变、抗剪变能力,提高其刚度以及塑性。NiTi合金点缺陷结构的体积模量B随压力的增大而增大,表明压力会同样提高点缺陷结构的抗体积变形能力,同时点缺陷的出现会削弱NiTi合金的抗体积变形能力;压力下NiTi合金点缺陷结构的剪切模量G、杨氏模量E和硬度H会出现不同程度的变化,总体来讲点缺陷的出现同样会削弱NiTi合金抗剪切变形能力、刚度以及硬度,其中反位缺陷TiNi对NiTi合金上述三种种性能的影响最小;比较发现,压力作用下NiTi合金及其点缺陷结构抗体积变形能力强于抗剪切变形能力;分析泊松比υ和B/G值,结果表明NiTi合金点缺陷结构是延性材料,且压力可以提高其延展性;压力会改变NiTi合金点缺陷结构的各向异性,反位缺陷NiTi、空位缺陷VNi和VTi会使NiTi合金各向异性增大。
  态密度分析显示,NiTi合金及其点缺陷结构同时显现共价性和金属性。同时压力下态密度分析显示费米能级处EF值不断降低,该合金体系趋于稳定,没有相变产生。布居分析表明压力增大会削弱其金属性,共价性增强。
  热力学分析表明,NiTi合金及其点缺陷结构体积模量B和德拜温度OD都是随压力增大而增大,随温度升高而减小;而热容C和热膨胀系数α都是随压力增大而减小,随温度升高而增大。
[硕士论文] 马召磊
机械制造及其自动化 河北农业大学 2018(学位年度)
摘要:钢领作为环锭细纱机的一个重要零件,在不同型号环锭细纱机上的用量在600~1200个之间,年消耗量接近一亿个,钢领表面的减摩性能直接关系到纺纱质量和生产效率。国际上先进纺纱企业采用的钢领表面摩擦系数、粗糙度低,纺纱锭速可达到25000r/min,使用寿命两年以上,但生产成本较高。国内纺纱企业多使用普通碳钢或合金钢钢领,钢领表面摩擦系数高,纺纱锭速为15000r/min,纺纱效率低,高锭速下纱线毛羽值、断头率较高,纺纱质量差。因此研究钢领的减摩性能对提高纺纱锭速和改善纺纱质量有着重要的意义。
  本研究以102Cr17Mo不锈钢抛光钢领为研究对象,采用磁控溅射技术对钢领表面进行镀膜改善减摩耐磨性。以现有试验设备条件要求选择试验靶材,从溅射自润滑软膜、硬膜两个角度考虑,试验设计三种镀膜方案:铬膜层、自润滑石墨膜层、氮化钛硬质膜层。经过大量试验对比分析:磁控溅射镀铬膜层摩擦系数降低到0.6左右,与电镀铬钢领差异不大,但膜基结合力强;石墨镀层膜基结合力小,减摩耐磨效果差;TiN镀层减摩耐磨性能良好但结合力需进一步提高。为实现减摩耐磨性与膜基结合力的同时提高,综合分析镀膜方案采用以铬为基底过渡层的Cr/TiN双层膜方案。
  研究Cr/TiN膜层摩擦系数与试验变量的关系,以影响膜层摩擦系数的主要因素(氮气流量、镀膜时间、镀膜功率和炉内温度)设计正交试验,探究四个主要影响因素和膜层摩擦系数的关系,由得出的摩擦系数变化曲线和正交试验极差值分析对比得到不同因素影响下Cr/TiN薄膜减摩性能的变化趋势,试验变量对膜层减摩性能影响程度由大到小依次为氮气流量、镀膜时间、镀膜功率和炉内温度。由正交试验中影响因素数据综合分析得到的最低摩擦系数为0.344。
  对最主要影响因素氮气流量进行单因素试验,分析Cr/TiN双层膜减摩效果。采用扫描电子显微镜、能谱仪、XRD对Cr/TiN膜层的表面形貌、原子构成、膜层晶粒取向变化进行检测分析,氮气流量为20sccm时,TiN主要为(200)择优取向,能谱曲线图中氮原子与钛原子的个数比约为1∶1,此时薄膜表面粒子分布均匀,直径在50nm左右,膜层致密,生成的为稳定的TiN化合物,摩擦系数最小值0.27。综合正交试验分析结果取得较优的镀膜工艺参数,进行重复试验,膜层摩擦系数稳定在0.2~0.3之间。
  对采用较优工艺参数生成的Cr/TiN薄膜的性能进行了检测。附着力测试平均值为51.4N;采用载荷25g显微硬度测试平均值为11.7Gpa;采用粗糙度仪对膜层摩擦系数进行检测得粗糙度平均值为12.1nm;薄膜的耐腐蚀性能评定为10级。在纺纱机上进行未镀膜与镀膜钢领实际应用对比测试,纺纱质量标准要求纱线毛羽H值在3以下,断头率在20(根/千锭·h)以下,该要求下镀膜钢领锭速可由15000r/min提高到18000r/min,纺纱质量得到明显改善,纺纱效率可提高20%。
[硕士论文] 李巧霞
信息与通信工程 中北大学 2018(学位年度)
摘要:金属构件在生产及使用过程中,外界的不均匀受力会造成材料表面微小裂纹的滋生,长期服役会造成裂纹的进一步生长和扩展,若得不到及时地检测会对生产安全造成巨大威胁。激光超声检测技术具有频带宽、非接触检测、检测灵敏度高以及可以对移动工件进行检测等优点,可以实现对金属材料表面缺陷的检测。因此,本文采用激光超声技术来研究表面波在铝合金材料表面缺陷处的传播特性及对不同表面缺陷的定量测量。
  本文首先从脉冲激光激发超声的解析模型出发,分析了线光源的激励机理及激励过程中的样品表面温度场及应力场变化,介绍了热弹机制下激光激发的横波、纵波及表面波信号的传播方向;其次,介绍了激光超声扫描法检测表面缺陷的基本原理,制定了激光超声扫描法检测表面缺陷的实验方案;最后,搭建了激光超声检测实验平台,实现了金属材料表面不同深度的直裂纹、不同倾斜角度的斜裂纹及双表面裂纹的检测,根据B-Scan图像研究了激光激发的超声信号在表面缺陷处的传播过程,分析了透射表面波与缺陷参数的关系,采用透射系数(透射表面波与直达表面波的幅值比)实现了对表面缺陷的深度及角度的定量分析。
  结果表明:激光激发超声过程中,在距离激光激发点小于一个光斑半径范围内温度会先增大后减小,应力也主要集中于该区域,且温度及应力的分布范围都是径向范围比轴向范围大;激光激发的声表面波在不同缺陷处发生的反射、透射及散射能力不同;根据表面波的透射现象可以实现对表面缺陷参数的判断。依据表面波的幅值变化可以实现对表面缺陷的定位,采用拟合曲线可得透射系数与缺陷深度及缺陷角度呈现一定的变化规律,可根据透射系数实现对缺陷深度及角度的检测。本文的研究成果将推动激光超声检测表面缺陷从实验室走向工业应用中,也为激光超声检测表面缺陷的进一步研究提供了理论依据和实验方法。
[硕士论文] 孙铖
信息与通信工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着高压电力传输的需求日益增加,作为许多电力设备铁芯材料的矽钢片的质量要求也在不断提高,尽管生产工艺技术的不断发展,以及工厂管理的不断合理化对于缺陷的控制已经比较完善,但依旧会产生许多缺陷问题,因此对矽钢片的缺陷检测变得十分关键。这便需要一种检测效率高的矽钢片缺陷分类与定位系统,本文进行了基于卷积神经网络的矽钢片缺陷分类与定位的相关研究。卷积神经网络(Convolution Neural Network,CNN)作为一种二维网络模型,利用卷积核与图像像素进行卷积运算,从而将输入的图像数据转化为便于处理的二维数据提取到图像的相关特征。而以卷积神经网络为基础的R-CNN(Regions with CNN Features)模型则利用选择性搜索等算法来实现对目标的精确定位。
  本论文首先针对矽钢片的缺陷特征进行了分析,对缺陷分类与白点定位模型的整体设计结构进行了概括。解释说明了卷积神经网络在图像分类中的方法,以及神经网络的组成。阐述了卷积神经网络在图像分类方面的特点和优势,以及相较于传统图像分类的不同之处。分析了R-CNN在目标定位中的方法和流程,明确了白点定位模型的设计思路。进而针对缺陷分类与定位模型的网络设计和结构优化两个方面进行研究。网络层的结构和参数会很大程度的影响模型的分类准确度,在分析卷积神经网络的相关算法及理论后,为了深入的研究缺陷分类与定位模型网络的优化方式,分别对网络设计所用到的相关方法进行测试比较,以保证结构最优。完成网络每一层的设计后,采用Caffe框架编写训练程序和网络文件,利用线阵相机所采集的矽钢片图像进行缺陷分类模型的训练与测试,并对模型训练时的特征提取过程进行可视化处理。在完成缺陷分类的研究后,对设计的缺陷分类模型加以改进从而设计一个基于R-CNN的白点定位模型,使用缺陷分类模型所判断出的缺陷图像制作训练集对R-CNN定位模型进行训练与测试,完成对矽钢片缺陷的定位,然后针对测试结果进行分析和总结。
  文章通过对矽钢片缺陷特征的分析进行网络设计和结构优化,并对结构优化的相关方法进行测试比较与特征图可视化,实现模型训练与测试的相关研究,说明CNN与R-CNN能够满足工业生产上的矽钢片缺陷分类与白点定位任务,也表明卷积神经网络对于矽钢片缺陷检测技术相关领域具有良好的适用性。
[硕士论文] 周骞
机械工程 河北农业大学 2018(学位年度)
摘要:抛丸器是整个抛丸机最核心的部分,也是直接进行抛丸工作的核心部件,叶片作为抛丸的直接承载结构,其结构、形态以及曲率对丸粒实际抛出时的速度有着重要的影响,是抛丸器中非常关键的零部件。本文针对保定斯潘赛抛丸清理设备有限公司MJ1516型抛丸机抛丸器在使用过程中抛丸效率不高的问题,运用离散元与有限元的分析方法对其叶片进行仿真优化,并将分析结果应用于实际。本文主要研究内容如下:
  (1)分析了实际生产过程中影响抛丸器弹丸抛出时速度的因素,确定前曲叶片为优化对象。针对影响因素,在满足抛丸工作状态前提下,将前曲叶片优化为曲面与平面结合的形式,设计三种叶片优化方案,最终达到降低弹丸“跳跃”现象、降低叶片磨损程度以及增大抛丸速度的目的。
  (2)利用SolidWorks三维软件绘制抛丸器的关键零部件三维实体模型,并导入EDEM有限元分析软件中。利用EDEM离散元分析软件对叶片优化前后的抛丸系统进行抛射过程仿真。根据各主要部件的材料属性设定参数,分析了在相同时间节点下不同形态的叶片抛丸时丸粒的速度,得出速度-时间曲线。对比三种优化方案在不同时刻下丸粒的运动状态以及最大速度-时间曲线和平均速度-时间曲线,并分析了曲线各个转折点产生的原因并得出三种方案中弹丸的绝对抛出速度。
  (3)利用ANSYS/LS-DYNA分析软件对三种速度下单个丸粒与待清理件(铝合金板)间的碰撞运动进行碰撞分析。使用LS-PrePost对分析后的碰撞模型进行后处理,得到三种速度下产生最大碰撞力时的等效位移云图和等效应力云图。由碰撞等效位移云图分析可知,三种优化方案铝合金板的最大变形位置均出现在丸粒与铝合金板表面碰撞接触面的中心处,得出碰撞后铝合金板表面的最大位移量;由碰撞等效应力云图分析可知,铝合金板最大应力位置出现在丸粒与铝合金板表面碰撞的中心处,得出碰撞后铝合金板的最大应力值,三种方案最大应力数值均远小于铝合金板的屈服强度,验证了丸粒与待清理件间发生碰撞且并未发生嵌入以及侵彻的状态而破坏待清理件表面结构。同时,考虑到对待清理件的强化效果,确定了曲-直-曲型叶片为最优方案。
  (4)通过生产现场试验,使用优化后的抛丸器对单一样块进行清理,得出达到CSa3除锈等级时需要的抛丸时间,抛丸效率较优化前有所提高,优化后的方案可以满足工厂的实际需要。
[硕士论文] 刘海娟
材料加工工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:55CrMo钢是一种中碳低合金钢,广泛应用于滚珠丝杠。相比于国外滚珠丝杠的技术质量,国内滚珠丝杠材料热处理后容易出现裂纹、硬度不均匀及耐磨性差等问题,影响了滚珠丝杠的生产质量及工作效率。为了提高滚珠丝杠在感应淬火后的表面硬度及均匀性,有必要仔细选择55CrMo钢的感应淬火工艺参数,以获得所需的组织和性能,提高其耐磨性,延长工作寿命。
  首先利用Gleeble-1500D热模拟试验机,通过测试不同快速加热及冷却工艺参数的膨胀曲线,研究工艺参数(加热速度、奥氏体化温度、保温时间、冷却速度)对55CrMo钢相变(奥氏体转变、铁素体和珠光体转变、贝氏体转变、马氏体转变)的影响规律;利用光学显微镜和扫描电子显微镜进行显微结构表征;利用X射线衍射仪测量残余奥氏体的体积分数,由膨胀曲线结合微观组织及显微硬度分析其相变特性。然后,在热模拟试验结果的基础上,利用感应加热电源和多匝比中频淬火变压器对薄板状试样进行加热,通过金相分析、拉伸试验、显微硬度测试,分析抗拉强度及断口形貌特征,对其力学性能及失效破坏机制进行了评价。最后,对比研究了同类型的日本进口中碳钢S55C的组织及性能特点。
  试验结果表明:快速加热淬火不同于常规淬火,有利于55CrMo钢组织细化,获得性能优良的隐晶马氏体组织;对比同类型的S55C钢,55CrMo钢的淬透性更好,热处理后的组织及性能更优异。
  (1)55CrMo钢的热模拟试验结果表明:在快速加热过程中,奥氏体化温度随着加热速度的增大而升高。55CrMo钢的加热冷却阶段的相变为高温的铁素体珠光体相变,中温的贝氏体相变,低温的马氏体相变。不同的加热及冷却工艺参数影响最终相变发生的类型。随着加热温度的升高和保温时间的增加,促进了原始组织的溶解,提高了过冷奥氏体的稳定性,有利于淬火试样中马氏体的体积分数增加。当加热温度升高到900℃以上时,只发生马氏体相变,残余奥氏体含量较低。当加热温度超过1000℃时,较高的温度导致残余奥氏体体积分数增加,且晶粒变粗大,产生裂纹。
  (2)55CrMo钢的感应淬火试验结果表明:当感应加热温度为800℃时,试样处于非均匀的奥氏体组织状态,在随后的冷却过程中形成了由铁素体珠光体、贝氏体和马氏体组成的混合组织,硬度低且不均匀,抗拉强度低。当加热温度在850~950℃范围内时,可获得完整的高硬度的隐晶马氏体组织,残余奥氏体的体积分数较低,抗拉强度较高,且断裂机制为准解理断裂以及解理和微孔聚合的混合机制。但随着加热温度的继续升高,试样的抗拉强度降低,出现沿晶脆性断裂。对硬度、强度和耐磨性要求较高的55CrMo钢零件,奥氏体化温度在850~950℃范围内是较好的感应淬火参数。
  (3)S55C钢的感应淬火试验结果表明:S55C钢感应加热油淬的最终组织是细小的马氏体及贝氏体的混合组织。然而,S55C钢感应加热水淬的组织较油淬更均匀,但是由于水的冷速过大,试样容易发生沿晶开裂,因此S55C钢感应加热可以选择冷速介于水和油之间的淬火介质。尽管在较低加热温度下组织为细小的马氏体,但是油淬试样在室温下拉伸断口为脆性断裂。当感应加热温度为900℃时,断口形貌含有较多解理台阶及韧窝,对应抗拉强度较高。因此,S55C钢感应加热油淬的比较适宜的温度范围为900~1000℃。相比之下,55CrMo钢的组织比S55C钢更均匀细小,硬度更均匀,抗拉强度更高。
[硕士论文] 陈洋洋
材料加工工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:洗煤和造纸行业大量使用奥氏体不锈钢制作筛板进行筛分作业,滤筛服役过程中因与物料的磨损腐蚀而导致失效,一般寿命较低。本文首先对洗煤筛板和造纸筛分筛板产品进行了分析表征,结果表明不锈钢筛条在洗选工作时承受了固体介质的冲蚀、磨损作用,表面出现了严重磨蚀坑,使服役工件过早失效,造成了生产成本的增加。
  氮化处理可提高不锈钢表面硬度,改善不锈钢表面的耐磨性。本文选择AISI304和AISI316两种奥氏体不锈钢,通过气体催化原位渗氮,实现了不锈钢气体渗氮,提高了氮扩散速率,获得了一定厚度的渗氮层。利用电子探针(EPMA)、场发射扫描电镜(FESEM)和X-ray衍射仪(XRD)对样品进行了微观组织、成分、形貌和物相分析。利用摩擦磨损试验机和三维形貌仪对渗层摩擦系数、磨损率和磨损形貌进行了分析表征,探讨了其往复直线干摩擦磨损失效机理。
  针对不锈钢产品耐磨、耐蚀工况需求的不同,选取了耐蚀渗氮(430℃)和耐磨渗氮(560℃)两种处理工艺。研究表明,当渗氮温度为430℃时,不锈钢表面形成了致密的S相,层厚约为10μm,表面硬度达1000HV。该相具有良好的耐磨耐蚀性,腐蚀电流密度为1.25×10-6A/cm2,基体为1.15×10-5A/cm2;腐蚀电位为-0.37V,基体为-0.45V。当渗氮温度升高到560℃时,表层Cr原子与N原子结合形成CrN,表面硬度可达1200HV以上,试样耐磨性能提高,但耐蚀性能却显著降低,其腐蚀电流密度较大,腐蚀电位较负。
  针对不锈钢筛板在洗选工作时的使用工况,选择10N、30N、50N载荷对基体、耐蚀渗氮(430℃)和耐磨渗氮(560℃)试样进行线性干摩擦磨损实验,分析研究载荷对氮化试样的摩擦磨损影响机理。结果表明,基体表面发生了严重的粘着和磨粒磨损,在摩擦载荷为30N,磨损时间2h的条件下,基体磨损量和磨损率分别为1.4mm3,6.48×10-4mm3/m·N。耐蚀渗氮试样表面磨损以轻微的磨粒磨损为主,磨损量和磨损率均为基体的1/2。耐磨渗氮试样表面磨损率进一步降低,其磨损量和磨损率均为基体的1/3,耐磨性能优于耐蚀氮化试样。
[硕士论文] 曹勇军
材料加工工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着现代机械制造业的不断发展,特别是精密数控机床、高端加工中心等设备的迅速发展,对滚珠丝杠的加工精度和性能要求也越来越高。滚珠丝杠在持续的接触应力和较高转速等工作条件下,通常需要承受弯曲、冲击和扭转,同时在丝杠和滚珠之间接触部位还要承受较强的摩擦作用,故而导致滚珠丝杠的主要损坏形式为接触疲劳和磨损失效。因此,提高光杠滚道部分的硬度和耐磨性,对于保证滚珠丝杠的综合力学性能具有非常重要的意义,特别是精度保持性和尺寸稳定性。
  本文通过优化的感应淬火工艺参数分别对GCr15钢和55钢滚珠丝杠进行表面感应淬火处理,并检测其微观组织、物相成分、显微硬度和残余应力。通过线性干滑动摩擦磨损试验,测试了摩擦系数和磨损体积,并对磨损表面的微观形貌进行表征,系统化的研究微观组织、感应淬火残余应力和摩擦磨损载荷对磨损机制和耐磨性产生影响的机理,期望能够为滚珠丝杠的精确控制和耐磨性提高提供理论和数据支持。
  通过系统的研究表明:(1)感应淬火残余压应力能够抑制微裂纹的萌生和扩展,延迟块状或片状磨屑的脱落,从而提高材料的耐磨性。(2)磨损载荷的变化影响着磨损机理的变化。GCr15钢和55钢在低载荷的磨损下,磨损机理主要为磨粒磨损,随着载荷的增大,磨损机理主要转变为剥层磨损。(3)55钢在摩擦磨损过程中产生的加工硬化层能够降低摩擦系数,提高材料的减摩性。(4)山东博特精工研发的55CrMo钢经感应淬火后获得了合理的残余压应力分布,表明材料化学成分对感应淬火残余应力的分布具有非常重要的影响。
[硕士论文] 卜志强
材料科学与工程 中北大学 2018(学位年度)
摘要:镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料之一,被誉为21世纪最具潜力的绿色环保工程材料。其具有密度小、比强度和比刚度高、减震性好、机械加工性能优良等特点,在航空、航天、交通等领域的具有良好的应用前景。准晶是Shechtman等在1984年首先在快速凝固的Al-Mn合金里发现的一种新的物质,准晶是一种同时具有长程准周期平移性和非晶体学旋转对称性的固态有序相。准晶相本身的高硬度、高模量、高耐磨性以及与镁基体的良好的结合性,使其成为优良的镁合金强化相,可以显著改善镁合金的性能,有利于促进镁合金的应用,因而准晶增强镁合金成为一大研究热点。
  本研究使用常规铸造的方法,制备出了自生准晶增强的Mg-Zn-Y-Zr合金。使用多种检测手段,研究了冷却速度、合金成分以及热处理对准晶增强镁合金的组织与性能的影响,对准晶的凝固路径和形成机理以及准晶对合金的强化机理做了系统的研究。
  通过文献调研,本文将初始合金成分定为Mg-3.6Zn-0.8Y-0.6Zr(wt.%),通过使用三种不同的冷却方式,研究了不同冷却速度对合金组织和力学性能的影响,探索了冷却速度对准晶I-相形成的影响,对不同冷却速速下合金的凝固路径进行了分析。结果表明在合金成分一定的前提下,冷却速度对合金中的相组成有着决定性的影响,较快的冷却速度有利于合金中准晶相的形成;不同冷却速度下合金的组织、性能也存在着巨大的差别。
  通过合金成分设计,使用金属型铸造法制备出四组不同成分的Mg-Zn-Y-Zr合金,四组合金都由枝晶状的α-Mg以及枝晶间的I-相组成,且合金存在层片状的α-Mg/I-相的共晶组织,主要研究了合金成分对Mg-Zn-Y-Zr合金组织与性能的影响,总结了准晶相对合金组织与性能的影响规律;并对合金进行了热处理,研究了热处理对合金的影响。
  结合不同冷却工艺与合金成分对Mg-Zn-Y-Zr合金的影响,本文设计了并制备出了具有高性能的准晶增强Mg-5x%Zn-x%Y-0.6%Zr合金。该合金由α-Mg基体相和准晶I相两相组成,其中α-Mg由两种尺寸不同的α1-Mg和α2-Mg组成,准晶I-相以不连续的网状、条状或颗粒状均匀的分布在基体中。其中Mg-6.5%Zn-1.3%Y-0.6%Zr合金表现出最优异的力学性能,其铸态的抗拉强度和延伸率分别为225MPa和25.2%。
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