陶瓷／金属热障涂层组合筒的热弹性极限分析

对热障涂层组合筒进行了热弹性极限分析,导出了热弹性应力分的计算式,在给定隔热效果和基体内层开始进入塑性状态的条件下,就ＺｒＯ２／ＴＩ－６Ａｌ－４Ｖ陶瓷热障涂层给出了计算结果,得到了弹性极限温差,并就热障涂层材料设计时参数的优化进行了分析。     

金属/陶瓷梯度热障涂层热震过程中的显微组织研究

利用扫描电子显微镜和能谱成分分析技术研究了金属／陶瓷梯度热障涂层在热震过程中的显微组织变化及其抗热震性能。结果表明（１）金属显微组织保持完好,陶瓷显微组织有明显的破坏;（２）涂层抗热震性能与其热应力 功能密切相关,梯度热障涂层比阶梯热除涂层具有更高的抗热震性能;     

陶瓷/金属功能梯度多层组合板的热弹性极限分析

对陶瓷／金属功能梯度多层组合板进行了稳态热传导分析及热弹性极限分析，导出了稳态温度分布场，极限状态热弹性应力分布的计算式，并在弹性极限状态下，得到了弹性极限温度．文中的结果是以ZrO2／Ti-6Al-4V陶瓷热障涂层为对象得到的，其模型和方法同样适用于各类金属陶瓷梯度涂层材料．     

陶瓷／金属梯度热障涂层动态设计软件的研制

结合热障涂层和功能梯度材料的概念,研究陶瓷／金属梯度热障涂层动态设计软件的结构与功能及其实现过程。通过具体的例子,对多层圆筒模型的温度场的解析解、差分解及有限元解的仿真结果进行了比较及分析。     

等离子喷涂陶瓷涂层性能的研究

金属基底上喷涂陶瓷涂层使表面具有耐磨、耐腐蚀、耐高温等特点.运用等离子喷涂技术在45号钢表面喷涂Al2O3、Al2O3-TiO23%、TiO2、ZrO2-Y2O38%等四种陶瓷涂层,部分采用Ni包Al为打底层.检测陶瓷涂层的硬度、耐磨性及结合力等力学性能,并进行金相和扫描电镜观察.四种陶瓷涂层的表面硬度达到70-3%90HR15N;有打底层的陶瓷涂层的硬度稍大于无底层的涂层硬度;Al2O3-TiO2陶瓷涂层的硬度较大,Al2O3涂层的耐磨性最好;而TiO2涂层的结合强度较高.同种涂层有打底层的情况下结合力较大.对截面样品,金相显微镜和扫描电镜均观察到明显的涂层及打底层形貌,并与以上测试结果相吻合.     

X65管线厚板控制冷却时的相变效应

为明确相变效应对X65管线厚板控制冷却的影响,通过开发线性混合热膨胀模型、拓展Avrami相变动力学模型和应用Leblond模型建立了热力耦合有限元模型.用该模型研究了X65管线厚板在上下层流冷却系数分别为3和1 kW/(m2.K)的非对称控制冷却时,相变效应对温度、残余应力和应变的影响.结果表明:相变期间,潜热减缓心部和下表面的冷却速度达50%、25%;潜热和TRIP效应分别产生峰值为89、-89 MPa,并且130、-170 MPa的应力可减小整体残余应力;相变膨胀产生峰值为723、-479 MPa的组织应力决定了整体残余应力大小及分布.     

溶胶-凝胶法制备SiO2陶瓷坯体的抗弯强度

通过改变单体浓度、交联剂以及固相含量,利用溶胶-凝胶法制备了SiO2和低熔点玻璃粉组成的陶瓷坯体.采用三点弯曲试验方法研究了单体浓度、交联剂以及固相含量对陶瓷坯体的抗弯强度的影响,并利用扫描电镜对试样断口表面有机物分布的均匀性进行观察分析.研究结果表明,陶瓷坯体的抗弯强度随着单体浓度的增大而提高,当单体浓度从0.3 moL/L增加到1.2 moL/L时,陶瓷坯体抗弯强度从11.2 MPa提高到17.2 MPa.当单体与交联剂的比值增加到20后,陶瓷坯体的抗弯强度开始减小.坯体抗弯强度随着固相含量的增加而降低,当固相含量由40%增加到53%时,陶瓷坯体的抗弯强度从14.1 MPa减小到12.1 MPa.     

钢箱梁面板与U肋焊接残余应力的分布特性

为研究残余应力场对钢箱梁疲劳性能影响效应,以港珠澳大桥正交异性钢桥面板为例,采用数值模拟的方法,研究了正交异性钢桥面板焊接全过程及残余应力分布特性,分析了板件参数对残余应力的影响效应,得到钢箱梁确定正交异性钢桥面板焊接残余应力分布的经验公式.研究结果表明:采用ANSYS热-结构弱耦合数值模拟方法可反映实际焊接过程中残余应力场的分布;焊缝区域残余应力峰值受板件参数影响较小,横向最大残余应力约为300 MPa;沿板厚方向焊接残余应力符合正弦分布,表明采用正弦函数作为其经验分布模型是可行的.      

δ-Al2O3短纤维增强Al合金复合材料热残余应力及其影响

用弹塑性有限元法和双纤维模型研究了δ-Al2O3，短纤维增强Al合金复合材料在室温下的热残余应力的分布及其对复合材料整体力学性能的影响．计算了体积分数为20％的3种δ-Al2O3／A1合金复合材料的拉伸应力-应变关系，并与实验结果比较．纤维间相互作用使复合材料基体中的热残余应力的大小发生了变化，但对其空间分布规律没有影响．对于体积分数为20％的短纤维增强δ-Al2O3／Al-5．5Mg和δ-Al2O3／Al-5．5Zn复合材料，用双纤维模型的三维弹塑性有限元方法计算的应力-应变曲线与实验曲线符合得较好，但δ-Al2O3／Al-12 Si复合材料的模拟结果与实验结果相比误差较大．     

纳米化对1Cr17不锈钢耐高温氧化的影响

喷丸处理可以使铁素体不锈钢1Cr17实现表面自身纳米化.对不同工艺的试样进行在高温空气介质中的耐氧化试验,结果表明1Cr17不锈钢经纳米化喷丸后,在氧化20 h后材料的表面可以形成一层富Cr的致密的内氧化物层,有效的防止了材料的进一步氧化.喷丸后又经过退火的试样,在氧化12 h时表面就形成了一层致密的内氧化物层,因为退火可以有效地释放因为喷丸而产生的压应力,可以更好地促进Cr向表面的扩散,更快的在合金表面形成富Cr的氧化物,从而显著提高了合金的抗高温氧化性.     

单向短纤维复合材料中热残余应力研究

基于单向短纤维增强金属基复合材料的单纤维模型,利用轴对称弹塑性有限元分析方法,研究了该类复合材料中热残余应力的大小和分布情况以及各种微结构参数的变化对它的影响,同时还讨论了热残余应力的存在对基体与纤维之间应力传递的影响。研究表明,热应变的不匹配导致纤维受压、基体受拉,界面法向受压。热残余应力的存在降低了基体与纤维间的应力传递,不利于复合材料整体性能的提高。     

Mechanical properties and residue stress of four kinds of ZrC coatings prepared by chemical vapor deposition

Four kinds of ZrC coatings with nearly the same thickness have been successfully prepared on graphite substrate by chemical vapor deposition (CVD) through controlling the ratio of inlet reacting gases. From backscattered electron images, it can be inferred that ZrCIII coating has the best tightness of all coatings. Meanwhile, line energy spectrum curve shows that zirconium and carbon elements distribute uniformly along the normal direction of the ZrCIII coating. As for varied microstructures, the coatings show different mechanical properties and residue stress. The strength and elastic modulus of ZrCIII coating were up to 89.57 and 1 192.5GPa, respectively. Those make it near the level of diamond. Value of residue tensile stress of ZrC+C composite coating was only 7.729MPa and that of ZrCIII coatings was 349.632 MPa. The strong combination of small-size grains in ZrCIII coating plays a decisive role to the best mechanical properties. However, strong misfit of lattice between ZrCIII coating and substrate can induce high residue stress.     

丁字焊缝残余应力分布及振动消除应力的研究

本文采用 X 射线衍射法测定了丁字焊缝试板中的残余应力.根据大量的试验数据,找到了沿焊缝方向和垂直焊缝方向上,几个典型截面上的纵向和横向残余应力分布的一般规律;将丁字焊缝试板进行振动时效处理,再在原测点位置测定其残余应力的变化.试验结果发现,丁字焊缝试板上各测点的残余应力有所下降,其原始残余应力愈人,则下降率愈大,且应力分布趋于均匀化.     

Thermal Transport in Nanoporous Yttria-Stabilized Zirconia by Molecular Dynamics Simulation

Yttria-stabilized zirconia (YSZ) is widely used as thermal barrier coatings (TBCs) to reduce heat transfer between hot gases and metallic components in gas-turbine engines. Porous structure can generally reduce the lattice thermal conductivity of bulk material, so porous YSZ can be potentially used as TBCs with better thermal performance. In this work, we investigate the thermal conductivity of nanoporous YSZ using the nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) simulation, and comprehensively discuss the effects of cross-sectional area, pore size, structure length, porosity, Y₂O₃ concentration and temperature on the thermal conductivity. To compare with the results of the NEMD simulation, we solve the heat diffusion equation and the gray Boltzmann transport equation (BTE) to calculate the thermal conductivity of the same porous structure. From the results, we find that the thermal conductivity of YSZ has a weak dependence on the structure length at the length range from 10 to 26 nm, which indicates that the majority of heat carriers have very short mean free path (MFP) but there exists small percentage (about 3%) of phonons with longer MFP (larger than 10 nm) contributing to the thermal conductivity. The thermal conductivity predicted by NEMD simulation is smaller than that of solving heat diffusion equation (diffusive limit) with the same porous structure. It shows that the presence of pores affects phonon scattering and further affects the thermal conductivity of nanoporous YSZ. The results agree well with the solution of gray BTE with a average MFP of 0.6 nm. The thermal conductivity of nanoporous YSZ weakly depends on the Y₂O₃ concentration and temperature, which shows the phonons with very short MFP play the major contribution to the thermal conductivity. The results help to better understand the heat transfer in porous YSZ structure and develop better TBCs.     

X射线衍射法测试高速列车车体铝合金残余应力

为了准确、无损、快速地检测高速列车铝合金的表面残余应力,采用等强杆拉伸试验方法,用X射线衍射法对测试结果进行标定,并用X射线衍射法、盲孔法以及有限元法对测得的车体铝合金焊接接头残余应力进行了对比.结果表明:等强杆拉伸试验标定过程中,在10～70 MPa范围内,随着拉伸载荷的增加,X射线法测得的应力与载荷应力具有一致性,可采用X射线衍射法对车体关键部位应力状态进行测试分析,X射线衍射法残余应力的数值略大于理论计算值和电测法计算值;车顶铝合金焊接接头最大残余应力可达146.3 MPa;X射线衍射法与等强杆标定方法、盲孔法、有限元计算模拟方法的残余应力结果保持了较好的一致性.     

基于有限元仿真车轮多轴疲劳强度分析

基于UIC510-3规程和热负荷试验,确定了车轮疲劳强度分析的计算载荷工况,采用有限元方法数值模拟了运行状态下车轮的应力变化规律,进行了车轮疲劳强度评定．采用最大主应力方法将多轴应力状态转化为单轴应力,通过Haigh—Goodman疲劳极限方程,得出机械载荷下车轮辐板孔的疲劳强度满足要求;采用Goodman方程,将制动热负荷产生的零．拉脉动循环转化为对称循环,根据辐板材料的S-Ⅳ曲线评价,得出单纯制动热负荷下辐板孔满足疲劳强度要求;提出制动热应力与机械波动应力的叠加方法,采用Miner法则预测机械载荷与制动热负荷组合作用下辐板孔裂纹的形成寿命．由不同载荷下车轮疲劳强度的评价结果,判断出导致辐板孔边裂纹形成的载荷因素是机械载荷与坡道制动的综合作用．     

内燃机活塞组件-缸套系统表面技术研究进展

通过分析与总结国内外内燃机活塞组件-缸套系统表面技术研究现状和发展趋势,梳理了表面织构和表面涂层技术在内燃机关键运动副减摩抗磨与节能应用中的特点; 剖析了表面织构加工技术、表面织构形貌特征与分布、表面涂层制备工艺、表面耐磨涂层、表面热障涂层和表面技术与润滑的协同效应对运动副摩擦性能的影响。分析结果表明:激光表面织构(LST)能有效改善运动副表面的摩擦学性能,直接/间接激光冲击表面织构(LSSP)技术已成为高效、灵活的表面织构加工方法,但由于织构加工工艺、形貌和分布特征对摩擦学性能的影响较为复杂,仍需进一步结合内燃机活塞组件-缸套系统的工况特性研究并优化表面织构的形貌和分布特征; 大气等离子喷涂(APS)和超音速火焰(HVOF)喷涂制备的耐磨涂层和热障涂层(TBC)具有良好的耐磨、隔热和抗氧化性,可使内燃机活塞组件-缸套系统表面金属基复合材料、类金刚石(DLC)材料、纳米复合材料和陶瓷材料涂层的减摩抗磨和节能成效明显,但涂层材料种类繁多,很难形成统一的行业标准、规范以及工业化应用; 内燃机活塞组件-缸套系统的动力学特性和表面织构、表面涂层与润滑的协同作用复杂,将来仍需综合考虑多场条件下各种表面技术耦合的减摩抗磨机理,进一步完善内燃机活塞组件-缸套系统表面复合理论和技术体系,为内燃机产业的绿色和高效发展提供技术指导。      

风沙冲蚀下钢结构涂层的界面应力与破坏准则

为表征和评价风沙冲蚀作用下钢结构涂层界面结合强度，以西北地区风沙流特征为背景，利用接触力学和界面力学理论建立了在风沙冲蚀作用下钢结构涂层的界面应力表达式.结合断裂力学理论和有限元分析方法，确定了钢结构涂层的界面起裂位置.在起裂位置处建立了考虑压应力影响的界面应力破坏准则.研究结果表明：当冲蚀角度为30°和60°时，最大界面剪应力分别位于冲蚀点前侧200 mm和180 mm处，最大界面压应力分别位于冲蚀点前侧100 mm和50 mm处，涂层界面的起裂位置为最大界面剪应力处.风沙冲蚀作用下涂层的界面应力破坏准则与莫尔-库伦强度准则相似，斜率的大小取决于沙粒的冲蚀角度，且当冲蚀角度为30°和60°时，斜率大小分别为-0.599和-0.467.