多组元合金成分设计方法

合金成分设计是发展新型复杂合金材料的关键步骤．系统总结了在材料研发过程中常用的合金设计方法,如Hume-Rothery规则、当量法、电子理论、计算机模拟计算等,并详细介绍了各设计方法的理论基础和适用范围．同时指出了基于原子团簇的合金设计方法——“团簇加连接原子”结构模型,得出了该方法在不同合金材料领域中的应用具有普适性的结论,为多元复杂合金成分设计提供了一个更为简单的途径．     

非晶合金材料科学前沿论坛专题·编者按

正非晶合金材料是近几十年采用现代冶金凝固技术和合金设计理念开发出的新型高性能金属合金材料.非晶合金具有长程无序、短程有序结构特征,导致这类材料有极端和奇异的宏观物理性质,如玻璃转变、优异力学性能(接近理论极限的强度)、抗腐蚀等化学性能、流变局域化、复杂的动力学行为等;另一方面,非晶的无序结构使得经典的固体物理和材料科学的范式和理论基本不能用于理解和描述非晶合金材料.因此,非晶合金材料的出现对传统固体物理和材料理论框架提出了挑战,成为材料科学和技术研究的前沿课题.特别是块体非晶合金材料具有显著优于常规金属材料的特质,在高技术、国防、信息和能源领域等方面有着重要的应用.因此,非晶合金材料促进了凝聚态物理研究的发展.     

组合材料芯片技术应用最新进展——新型合金材料的快速发现和优选

综述了国内外在组合材料芯片技术研究和应用领域的最新进展。近年来,随着微小样品的结构和成分检测系统、纳米压痕测试系统等的发展,先进组合材料芯片技术在合金材料研究领域的应用日益深入,包括精细相图研究、合金的力学/磁学/耐蚀性能等研究,充分展示了组合方法在新型合金材料研发进程中所表现的快速和高效双重特点。     

ZnAlCuMn合金的成分对其组织和性能的影响

本文分析了国外ZnAl27合金的成分、组织和性能,发现其作为轴承合金尚不够理想,经调整其成分,并对有关成分对合金组织和性能的影响进行了深入研究,最后得出一种新型合金材料——ZnAlCuMn合金.经过试验新合金的性能作为轴承合金比ZA27好,比ZQSn6-6-3更优越,是一种很有前途的轴承合金.     

烟气挡板门钣金制作与焊接

电厂烟气脱硫中重要的设备——烟气档板门因较大的外形尺寸,面框板型结构,正反二面还需覆盖合金薄板,铆钣金及合金材料焊接等工序复杂,在具体操作中容易造成尺寸不能达到设计尺寸要求。且其合金焊接的优劣又直接决定了产品的耐腐蚀性及最终的使用寿命。本文从实际的监造工作经验中总结出此类设备制作的工艺及方法,以减小设备的制作返工率。     

新型高温高熵合金材料研究进展

 高熵合金是一类新型金属材料,对其研究目前已发展成为涉及材料、物理、化学、力学和计算科学等多学科交叉融合的前沿方向,尤其是近10年来出现的具有高强度、高硬度、高耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性等性能特点的高温高熵合金,在推动高温防护领域的材料科学创新发展与工程化应用方面具有重要意义。综合阐述了高温高熵合金材料研究领域取得的一系列科技成果,包括高温高熵合金材料的定义、形成机理、材料体系设计和综合性能等;分析了高温高熵合金材料极端服役环境的复杂性、材料计算设计及其性能的相关性,总结提出高温高熵合金材料研究领域的十大科学问题,为高温高熵合金材料的未来发展提供参考。     

Ni-Hf非晶合金及其团簇式成分解析

Ni-Hf是一类重要的二元非晶形成体系,但其非晶形成能力较弱,最佳非晶成分尚不明确.本文利用团簇加连接原子模型,首先解析了二元深共晶点Ni65Hf35对应共晶相Ni7Hf3和Ni10Hf7的团簇结构,获得了可代表各自结构特征的主团簇;随后依据非晶合金的通用团簇式[团簇]（连接原子）1或3,设计出若干可能具有高非晶形成能力的合金成分.实验结果表明,急冷甩带后只有Ni71.43Hf28.57和Ni68.75Hf31.25两个成分点形成完全非晶,其中后者成分由团簇成分式[Ni-Ni7Hf5]Ni3描述,并具有最高的热稳定性（877K）和最低的液相线温度Tl（1482K）,被认为是Ni-Hf系中高非晶形成能力的成分点,其位于Ni65Hf35共晶点的富Ni侧,靠近共晶相Ni7Hf3.     

Co-Fe-B非晶态合金成键及电子性质的DFT研究

利用密度泛函理论(DFT),通过团簇Co2FeB2,CoFe2B2的优化和计算,研究Co-Fe-B非晶态合金成键及电子性质.结果表明:团簇Co2FeB2(富Co)中主要的电子流向为B→Co,B→Fe,而团簇CoFe2B2(富Fe)电子流向多样化,这导致富Co合金中键级比例分布不均匀,而富Fe合金中键级比例相对均匀;另外,金属与B原子成键对合金稳定性的贡献最大,而两种团簇的M(max)-B与Co-Fe键协同作用相反:富Co团簇中Co-B与Co-Fe成键强度同增同长,而富Fe团簇中Fe-B与Co-Fe成键强度相互抑制.以上结论在一定程度上解释了富Co合金热稳定性差的现象.另外,B原子使富Fe团簇空间结构、成键以及电子流动方向更加复杂,使合金非晶态化增加.Co-Fe-B非晶态合金中存在B原子之间近距离接触,希望此结论不久后得到实验验证.     

表征镁基非晶合金形成能力参数的评价

为了研究合金的物理、化学性质对非晶合金形成能力的影响,采用统计学方法研究了原子尺寸差σ、电负性差Δx、τ和φ各参数对镁基非晶合金形成能力的影响。结果表明:σ、Δx、τ和φ可有效表征镁基非晶合金形成能力,且以二次函数的拟合方式可比线性方式更好地描述合金原子堆垛密度、原子间的键合强度与非晶形成能力之间的关系,并可作为共晶团簇理论设计合金成分的参考标准和判定非晶形成能力和稳定性的理论依据;τ和φ充分考虑到了原子尺寸、电负性、元素百分比等物理因素对非晶合金形成过程的影响,准确地表征原子堆垛密度和原子间的键合强度,与临界制备尺寸的拟合程度优于其他表征参数,且具有计算简单和稳定性高的特点。     

钨含量和颗粒形状对钨合金力学性能的影响

采用MTS810材料疲劳实验系统,开展了不同粒径91钨合金材料的准静态单轴拉伸实验研究,获得了材料的应力应变曲线和静态力学性能参数。在此基础上,建立了能够反映钨合金材料宏微观特征的计算模型,数值计算了不同颗粒形状、不同钨含量合金材料在准静态拉伸载荷作用下的力学性能。得到了其整体的应力应变曲线以及钨合金屈服强度与钨合金微观参量之间的关系。并分析了钨合金材料的内部应力和应变场。结果表明:计算结果和实验结果吻合较好,随着钨含量的增加,钨合金的屈服强度增加,但其延伸率均降低;随着长径比的增加,钨合金的屈服强度有所增加,且随着长径比的增加,屈服强度的增加变得缓慢。为进一步钨合金材料性能的研究提供了重要的指导作用。     

含原子团簇的Zr基大块非晶合金熔体能量模型

建立了含有原子团簇的大块非晶合金熔体能量模型, 对Zr-Al-Ni三元系合金进行计算得到了含有原子团簇的Zr-Al-Ni合金熔体自由能和界面能分布, 并分析了原子团簇对于熔体自由能、界面能以及形核率的影响. 计算结果表明, 由于存在Zr²Ni原子团簇, 使Zr-Al-Ni三元系合金在易获得非晶成分范围内的熔体自由能降低和界面能增加, 且改变界面能随合金成分的分布. 对于Zr₆₆Al₈Ni₂₆合金熔体, 原子团簇的存在导致自由能降低0.3~1 kJ/mol, 界面能增加0.016 J/m². 由于熔体的自由能和界面能的改变, 显著降低了过冷熔体的形核率, 最大形核率降低至10⁷ mol^-1•s^-1数量级.     

非晶合金材料的变形与断裂

系统地研究了不同非晶合金材料的拉伸、压缩变形与断裂特征,总结了不同非晶合金材料拉伸与压缩断裂的不对称性,在此基础上提出了一个新的参数α=τ0/σ0和统一拉伸断裂准则,将最大正应力准则、屈特加准则、莫尔-库仑准则和范米塞斯准则有机地统一起来．观察到具有剪切变形行为的非晶合金,其压缩塑性随样品的高径比减小而逐渐增加;提出了剪切带旋转机制来解释具有高塑性非晶合金材料压缩变形过程中剪切带的偏转,总结了钨丝和原位析出枝晶对非晶合金复合材料韧化效果的不同作用,讨论非晶合金材料压缩剪切断裂、劈裂和破碎的竞争关系,采用动态断裂理论解释了某些脆性非晶合金解理断裂表面上的规则纳米尺度断裂台阶的形成;提出了α=τ0/σ0是控制非晶合金发生剪切变形与断裂、劈裂以及破碎失效与否的本征参数．     

新型锆合金设计与强韧化研究进展

空间活动构件尤其舱外活动件要在空间低温、交变温度、辐照、严重摩擦磨损和冷焊等苛刻环境下长期运转,其寿命与精度已成为航天器能否在轨长期服役的关键环节之一.锆及锆合金具有中子吸收截面小,良好的耐腐蚀和抗辐照特点,因此被广泛应用于核工业和化工业当中,其具有作为空间飞行器活动构件材料使用的发展潜力.但由于纯锆的抗拉强度较低,不能直接作为结构材料使用.实现强韧化并突破制备技术的瓶颈成为将其应用于空间活动构件的关键环节.本文从理论与实验两方面讨论了锆合金结构特点,成分设计与优化,组织性能关系等问题,针对空间活动构件的服役环境,提出了可作为空间活动构件使用的锆系合金材料的最佳体系与成分.     

Fe-Ga合金阻尼性能影响因素

从合金成分、热处理工艺、磁化处理,及合金的微观结构等方面,较系统地研究了Fe-Ga合金阻尼性能的主要影响因素,探讨了通过不同的合金成分设计,热加工及磁化处理方法优化提高合金阻尼性能的途径.     

锂离子电池用Si-Fe复合电极材料的制备及其性能

以Fe粉与Si粉为混合粉原料,研究经机械球磨、退火热处理后混合粉的形貌、结构与恒电流充放电性能,同时对比研究Si-Fe合金粉的性能.研究结果表明:混合粉原料经过高能机械球磨,生成了Si-Fe合金相,而Si-Fe合金的生成改善了Si作为锂离子电池负极材料的循环性能;与工业级Si-Fe合金负极材料相比,合金化程度影响了合金材料的电化学性能,合金化程度越高,合金材料电化学性能越好;而退火热处理也可以在一定程度上改善合金材料的脱嵌锂性能.     

基于团簇的Fe-B-Y-Nb四元块体非晶合金

利用团簇线和微合金化方法研究了Fe-B-Y-Nb四元合金体系中块体非晶合金形成. 选取Fe-B-Y三元体系作为基础体系, 将两条团簇线的交点成分定为基础成分; 然后添加少量的 Nb 对其进行微合金化. 结果表明, 由密堆团簇Fe₈B₃得到的三元基础成分Fe_68.6B_25.7Y_5.7, 在3%~5%(原子单位, 以下同)Nb微合金化后, 形成了Φ 3 mm的块体非晶合金棒. 这些块体非晶合金(Fe_68.6B_25.7Y_5.7)_100-xNb_x (x = 3%~5%)近似可表达为(Fe₈B₃)₁(Y,Nb)₁, 其中(Fe_68.6B_25.7Y_5.7)₉₇Nb₃块体非晶具有最大的玻璃形成能力, 其特征参数分别为: T_g = 907 K, T_x = 1006 K, T_g /T_l = 0.644, γ = 0.434, 长度t = 22 mm. 团簇线与微合金化相结合有望成为非晶合金成分设计的有效方法.     

关于Ni—Be—Ti弹性合金材料的成分偏析现象和固溶处理

用金相显微镜分析法、电子探针微区分析法和X射线衍射法,研究了四种成分不同的Ni—Be—Ti弹性合金材料的成分偏析现象和固溶处理后的金相组织。实验结果表明,合金中存在熔炼时保留下来的局部成分偏析。比较了各种温度和时间的固溶处理效果,我们认为采用1060℃保温60分钟的固溶处理工艺是适宜的。     

细化钨合金力学性能研究与数值模拟

针对晶粒度分别为1～3μm,10～15μm,30～40μm的细化钨合金材料,采用单轴拉伸实验研究了3种材料在准静态条件下的力学性能,获得了3种材料在不同加载速率下的应力-应变曲线和静力学基本参数. 在实验的基础上,运用有限元计算软件ANSYS,建立了能够反映钨合金材料微观结构特征的计算模型,模拟了不同体积分数、不同颗粒形状、不同晶粒度钨合金材料在静态拉伸载荷作用下的力学性能,给出了钨合金材料的应力-应变曲线,分析了钨合金力学性能与钨合金各微观参量之间的关系.     

Mg2Ni型镁基储氢合金研究新进展

镁基储氢合金因其具有较高的储氢容量、资源丰富和良好的吸放氢平台而被认为是最具应用价值的金属储氢材料之一.综述了镁基储氢材料尤其是Mg2Ni型镁基储氢合金材料实验和理论研究的新进展,讨论了现有的镁基储氢合金材料的优缺点,同时也提出一些尚需深入研究的问题.     

硬度对合金材料耐电压强度的影响

结合材料学与电子学的有关理论和实验方法，以铬青铜（１％Ｃｒ）和４０Ｃｒ钢为例，考察了合金材料硬度对其耐电压强度的影响．实验结果表明：合金材料的耐电压强度与其硬度、成分和显微组织等多种因素有关，将硬度的高低做为衡量其耐电压强度高低的唯一标准是不合适的