材料的強度和斷裂韌性是保障構(gòu)件安全服役的重要性能參數(shù),但二者往往表現(xiàn)為相互制約關(guān)系,且材料性能的持續(xù)優(yōu)化壓縮了既有強韌化策略進一步發(fā)揮作用的空間。
近日,中國科學(xué)院金屬研究所在研制高阻尼鎂基仿生材料的基礎(chǔ)上,通過模仿典型天然生物材料的微觀三維互穿結(jié)構(gòu)與空間構(gòu)型,利用“3D 打印+熔體浸滲”工藝制備了一系列新型鎂-鈦仿生材料,在金屬體系中構(gòu)筑了類似鮑魚殼的“磚-泥”結(jié)構(gòu)、螳螂蝦殼的螺旋編織結(jié)構(gòu)和紫石房蛤殼的交叉疊片結(jié)構(gòu),并在經(jīng)典層合理論基礎(chǔ)上建立了能夠定量描述仿生材料結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間關(guān)系的力學(xué)模型,實現(xiàn)了其模量與強度的定量預(yù)測。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications上。
研究發(fā)現(xiàn),在鎂-鈦復(fù)合材料體系中,仿生結(jié)構(gòu)能夠起到顯著的強韌化作用,與不具有仿生結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料相比,仿生材料的強度與韌性同步提高,特別是交叉疊片結(jié)構(gòu)因具有多級結(jié)構(gòu)特征而表現(xiàn)出最佳的強韌化效果。仿生材料中,鎂、鈦兩相在三維空間相互貫穿,利于促進它們之間的應(yīng)力傳遞,并抑制各自相中的變形與損傷演化,減輕應(yīng)變局域化程度,從而延緩仿生材料整體發(fā)生斷裂,提高其拉伸強度與塑性。不同類型的仿生結(jié)構(gòu)均可通過提取結(jié)構(gòu)中的最小重復(fù)單元,并考察其在三維空間的緊密堆積形式進行定量描述,建立仿生材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系,為預(yù)測仿生材料的性能以及優(yōu)化設(shè)計仿生結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。左圖為具有不同仿生結(jié)構(gòu)的鎂-鈦復(fù)合材料及其與天然生物材料原型的比較。
(本刊記者 大漠)
激光- 電解整體制造技術(shù)可實現(xiàn)高性能、大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效率、低成本精確成形。然而,電解加工過程中,過渡金屬試件表面所形成的超鈍化膜一旦發(fā)生局部破壞,便會誘導(dǎo)選擇性溶解進而降低電解加工質(zhì)量,這在激光增材制造過渡金屬構(gòu)件中表現(xiàn)得尤為突出。自20 世紀(jì)70年代以來,盡管研究者們對超鈍化膜進行了一定數(shù)量的研究,但是對該膜的定義尚未達成一致,這意味著研究者對超鈍化膜形成機理仍然缺乏準(zhǔn)確的理解;針對電解加工過程中超鈍化膜的失效,研究者普遍認(rèn)為這是由高速流動的電解液對超鈍化膜的沖刷作用所致,而對金屬微觀組織以及膜內(nèi)點缺陷的誘導(dǎo)機制尚不明確。
近日,青島理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)以及加州大學(xué)伯克利分校等開展聯(lián)合研究,基于點缺陷模型(PDM)理論,采用FIBSEM 雙束系統(tǒng)和高分辨TEM 對激光增材制造鎳基高溫合金表面超鈍化膜進行觀察分析,探究了超鈍化膜的形成過程,闡明了“二次鈍化”誘導(dǎo)超鈍化膜的形成本質(zhì);同時基于金屬微觀組織特征及點缺陷模型理論,揭示了超鈍化膜的失效是由Nb 偏析區(qū)表面膜的自誘導(dǎo)開裂、流體流動剪切應(yīng)力引起的膜侵蝕降解以及金屬陽離子空位在金屬/膜界面凝結(jié)導(dǎo)致兩者脫粘等共同作用所致。相關(guān)工作以Unveiling the transpassive film failure of 3D printing transition alloys為題發(fā)表在Corrosion Science上。研究了電解加工過程中過渡金屬或合金表面超鈍化膜的形成本質(zhì),揭示了超鈍化膜的失效機制,促進激光-電解整體制造技術(shù)的發(fā)展。
左圖為電流密度為20A/cm2時,超鈍化膜的上表面和剖面形貌及超鈍化膜剖面上元素分布。
(本刊記者 大漠)
近日,西北工業(yè)大學(xué)研究團隊通過深入分析金屬增材制造熔池特征和凝固過程中的晶粒生長行為,創(chuàng)造性地提出了一種原位工藝參數(shù)調(diào)整策略,在TC4 鈦合金中獲得了全等軸晶組織。相關(guān)工作以In-situ grain structure control in directed energy deposition of Ti6Al4V為題發(fā)表在Additive Manufacturing上。
在鈦合金增材制造過程中,受控于成形工藝參數(shù)及其形成的熔池內(nèi)部溫度場特征,熔池底部往往生長為柱狀晶,而熔池頂部由于發(fā)生柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變(CET),會形成一定厚度的等軸晶區(qū)。在傳統(tǒng)的單一成形工藝參數(shù)條件下,由于后一層沉積時再熔化深度大于等軸晶區(qū)厚度,等軸晶區(qū)會在下一層沉積過程中被完全重熔,形成從結(jié)構(gòu)底部到頂部外延生長的柱狀晶組織。
研究通過在不同層間切換低能量密度和高能量密度成形參數(shù),使熔池頂部的等軸晶區(qū)被部分保留,有效阻斷了柱狀晶的外延生長。結(jié)合增材制造過程中后熱循環(huán)作用下的晶粒粗化行為,最終獲得的沉積態(tài)組織呈現(xiàn)為全等軸的晶粒形貌。
在增材制造TC4 鈦合金的前期研究中,所獲得的宏觀晶粒主要為柱狀晶粒,因此即使通過調(diào)控工藝參數(shù)的手段降低成形結(jié)構(gòu)的強度指標(biāo)各向異性,塑性指標(biāo)各向異性仍然維持在較高水平(>10%)。本研究中通過形成的等軸晶,使增材制造TC4 鈦合金力學(xué)性能強度和塑性的各向異性指標(biāo)分別降低到2.4%和3.8%。
這一研究成果有望提高增材制造鈦合金零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計自由度,并進一步推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
(本刊記者 大漠)
近日,由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃政府間/港澳臺重點專項項目“面向智能工廠的安全、可靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”通過綜合績效評價。
該項目中方研究團隊包括沈陽自動化所、浙江大學(xué)和沈陽新松機器人自動化股份有限公司,德方研究團隊包括柏林工業(yè)大學(xué)和KT-Elektronik 公司。在項目負(fù)責(zé)人梁煒的帶領(lǐng)下,該項目在基于認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計與優(yōu)化、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)共存、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息安全、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實時可靠中繼部署等方面取得了多項創(chuàng)新成果,形成了一套面向智能工廠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全、可靠傳輸基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系,并搭建了面向機器人數(shù)字化車間設(shè)備互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)試驗平臺。此外,通過項目的合作研究,建立了完善的中德研究團隊學(xué)術(shù)交流渠道,形成了一支高水平的國際化研究團隊。
該項目形成的成果在智能工廠中擁有廣泛的應(yīng)用前景,對推進制造業(yè)由傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)模式向工業(yè)4.0 時代的個性化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變具有重要意義,并將在提升生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等方面發(fā)揮重要作用。
(本刊記者 大漠)
近日,清華大學(xué)機械系現(xiàn)代機構(gòu)學(xué)與機器人化裝備實驗室研發(fā)了一種可在亞厘米級管道中高效運動的管道探測機器人。
在航空發(fā)動機和煉油機等復(fù)雜系統(tǒng)中有大量管道。需要定期從外部和內(nèi)部進行管道檢修。目前已開發(fā)的各種管道巡檢機器人多采用電磁電機驅(qū)動,適用于大口徑管道的檢測。當(dāng)涉及直徑小于1 cm微細(xì)管道時,機器人的尺寸很難按比例縮小。
清華大學(xué)研發(fā)的這種新型智能材料驅(qū)動的微型管道檢測機器人(重量2.2 g,長度47 mm,直徑<10 mm),可以適應(yīng)亞厘米直徑和變化曲率的復(fù)雜管道。機器人采用高功率密度、長壽命的介電彈性體致動器作為人造肌肉,采用基于智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)的高效錨固單元作為傳動裝置,使用具有可調(diào)節(jié)數(shù)目的磁單元來快速組裝機器人,以適應(yīng)不同管道的復(fù)雜幾何形狀。通過考慮軟材料的獨特特性來分析機器人的動態(tài)特性,并相應(yīng)地調(diào)整驅(qū)動電壓的頻率和相位,以優(yōu)化機器人的運動速度。這個基于高頻蠕動運動原理的管道機器人由外部的纜線來提供動力,在亞厘米管道中實現(xiàn)了水平和垂直快速運動。此外,它能夠在不同幾何形狀的管道(變徑管、L 形管、S 形管、螺旋形管等)、不同填充介質(zhì)(空氣、油等)和不同材質(zhì)(玻璃、金屬、碳纖維等)的管道中高速行進。機器人正面安裝了一個微型攝像頭,從外部控制該機器人。該技術(shù)將來有望在航空發(fā)動機管路檢修等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
該成果以A pipeline inspection robot for navigating tubular environments in the subcentimeter scale為題發(fā)表在Science Robotics上。論文第一作者為清華大學(xué)機械工程系博士后湯超,通訊作者為機械工程系副教授趙慧嬋,其他作者包括機械工程系教授劉辛軍和博士生杜伯源、姜淞文、邵琦、東旭光。左圖為微型管道檢測蠕動機器人。
(本刊記者 大漠)
近日,法國圣戈班航宇公司和Roctool 公司正在法國波爾多的工廠聯(lián)合為航空、船舶、軍事、通信等各行業(yè)快速提供復(fù)合材料或熱塑性部件3D 編織預(yù)制件解決方案。3D 自動編織預(yù)制層壓技術(shù)以及提高固化效率的加熱/冷卻技術(shù)為復(fù)合材料和熱塑性塑料部件的應(yīng)用開辟了新的機遇。
圣戈班航宇公司于2018年3月開始應(yīng)用3D自動化編織預(yù)制層壓技術(shù),能夠優(yōu)化部件的性能和重量,同時提高材料利用率。此外,該技術(shù)通過快速可復(fù)制的3D 凈成型制造取代了耗時的手工鋪層,獲得的預(yù)成型件可通過向液態(tài)熱固性樹脂或在編織過程中摻入熱塑性增強纖維進行固化。
為了加快固化過程,塑料和復(fù)材模具加熱和冷卻技術(shù)企業(yè)Roctool 公司開發(fā)了一種成型系統(tǒng),將復(fù)合材料聚合或熱塑性部件的熱壓縮固化效率提高到15~30 min,同時將單個模具的生產(chǎn)能力提高50倍。Roctool 公司利用其獲得專利的冷熱布局,通過高頻電流流過的柔性感應(yīng)器在模具表面提供快速均勻的加熱,并通過具有充分湍流流速的標(biāo)準(zhǔn)冷卻通道實現(xiàn)有效冷卻。
這兩種技術(shù)的結(jié)合提高了制造速度,并為需要復(fù)合材料或熱塑性部件的客戶提供了應(yīng)用窗口。同時極大地改善了環(huán)境足跡。例如,編織技術(shù)不會產(chǎn)生任何浪費,也不需要任何冰箱來儲存原材料。
(本刊記者 大漠)
考慮材料內(nèi)部微介觀尺度非平衡結(jié)構(gòu)演化效應(yīng)的非線性本構(gòu)關(guān)系是力學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域的核心問題之一。由于固有的長程拓?fù)錈o序,外載激勵下的非晶合金在變形過程中內(nèi)蘊非平衡無序結(jié)構(gòu)的跨時空尺度涌現(xiàn)與演化,導(dǎo)致其變形行為呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性。研究表明,非晶的結(jié)構(gòu)無序度可以利用非平衡統(tǒng)計理論中提出的構(gòu)型溫度來描述,有別于傳統(tǒng)表征原子振動的熱力學(xué)溫度。這兩種類型的溫度對應(yīng)系統(tǒng)的兩個熱力學(xué)子系統(tǒng),且在時間尺度上存在顯著差異,致使非晶合金塑性變形系統(tǒng)遠離熱力學(xué)平衡態(tài)。
中國科學(xué)院力學(xué)研究所戴蘭宏研究團隊在基于非平衡統(tǒng)計理論的熱力學(xué)框架下,提出了一個能夠有效考慮非晶合金本征非平衡特性的本構(gòu)模型。在該本構(gòu)模型中,非晶合金熱力學(xué)系統(tǒng)由相互耦合作用的構(gòu)型和振動子系統(tǒng)構(gòu)成。兩個子系統(tǒng)之間的耦合效應(yīng)將驅(qū)使非晶合金系統(tǒng)朝著平衡態(tài)過渡。在經(jīng)典的剪切轉(zhuǎn)變理論基礎(chǔ)上,該模型進一步考慮了剪切變換與周圍基體的約束作用對后續(xù)結(jié)構(gòu)弛豫的影響。研究人員應(yīng)用該模型對不同溫度和應(yīng)變率等多種加載條件下的非晶合金變形行為進行了模擬分析,發(fā)現(xiàn)該模型可以實現(xiàn)對試驗結(jié)果的有效預(yù)測,同時能夠揭示非晶合金在不同加載條件下變形模式轉(zhuǎn)變和變形局部化剪切帶演化機制。
相關(guān)研究成果以A constitutive model for metallic glasses based on twotemperature nonequilibrium thermodynamics為題發(fā)表在International Journal of Plasticity上。
下圖為非晶合金構(gòu)型與振動子系統(tǒng)及其能量傳輸示意圖。
(本刊記者 大漠)
CrCoNi 中熵合金由于具有較高的強度、良好的成形性及斷裂韌性,近年來受到了極大的關(guān)注。該合金具有較高強韌性的主要原因是在變形過程中會形成高密度的變形孿晶和HCP 馬氏體,控制孿晶和馬氏體的形成對于合金的強韌化至關(guān)重要。通常變形孿晶是由相同柏氏矢量的肖克萊不全位錯(SPD)在連續(xù)的{111}面上滑移所產(chǎn)生,而HCP 馬氏體是由SPD 在每間隔一層{111}面上滑移產(chǎn)生。這些不全位錯往往是通過特定的位錯反應(yīng)所產(chǎn)生,對于傳統(tǒng)的FCC 金屬,已經(jīng)有不同的孿晶形核機制提出。但對于高熵合金,由于其特殊的組織結(jié)構(gòu)特點,其孿晶和馬氏體形核機制與常規(guī)FCC 合金不同,該問題一直并未得到解決。
南京工業(yè)大學(xué)輕質(zhì)材料中心與比利時法語天主教魯汶大學(xué)、安特衛(wèi)普大學(xué)合作,采用雙束電鏡成像和原子分辨率的HAADF-STEM 技術(shù)對CrCoNi 中熵合金在塑性變形過程位錯及孿晶演變規(guī)律進行系統(tǒng)研究,揭示了中熵合金獨特的變形孿晶和馬氏體形核機制,相關(guān)論文以Potential TRIP/TWIP coupled effects in equiatomic CrCoNi mediumentropy alloy為題發(fā)表在Acta Materialia上。
本研究從原子尺度上揭示了中熵合金中的變形孿晶和HCP 馬氏體形核機制,為調(diào)控合金的強韌性奠定了基礎(chǔ)。左圖為層錯與孿晶之間的相互作用。
(本刊記者 大漠)