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2019年  41卷  第7期

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基于霍尔-埃鲁特电解法制备铝合金技术研究进展
张城, 薛济来, 刘轩, 李想, 朱骏, 刘翘楚, 钱义
2019, 41(7): 835-846. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.001
摘要:
现代霍尔-埃鲁特(H-H)法铝电解槽规模大、工艺成熟,利用该法电解制备铝基合金具有明显技术和经济优势. 目前国内外研究主要是在现有氟化物熔盐体系中添加多种合金元素氧化物,合理调节电解质成分和工艺参数,借助共电沉积和欠电位机制,成功制备出多种铝基合金,工业化试验亦有初步成果. 本文综合分析了上述进展及发展前景,并指出在实现合金组成精准调控、合金产品成分均匀化、电解槽高电流效率运行等方面存在的问题,旨在为相关研究提供参考.
高耐蚀锌铝镁镀层研究现状
杜昕, 张满仓, 段生朝, 徐荣嬛, 邹明, 董世文, 郭汉杰, 郭靖
2019, 41(7): 847-856. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.002
摘要:
从锌铝镁镀层的熔池界面反应、镀层组织、表面和切边腐蚀机理、腐蚀产物类型变化等方面,对高耐蚀锌铝镁镀层的研究进展进行了详细分析. 根据Al成分含量的不同,将商用及实验室锌铝镁镀层分为"低铝"、"中铝"和"高铝"锌铝镁三种类型:不同类型的锌铝镁镀层的金属间化合物层生长动力学存在差异,为了控制镀层厚度,应合理控制浸镀时间、温度与熔池成分;凝固组织也存在差异,"低铝"与"中铝"会析出Al或Zn初晶、Zn/MgZn2二元共晶组织、Zn/MgZn2/Al三元共晶组织,"高铝"会产生富Al枝晶、枝晶间富Zn相、Mg2Si相、MgZn2相,不产生共晶组织;发生表面腐蚀时,"低铝"与"中铝"中MgZn2相先电离,并生成碱性锌盐、双层氢氧化物等致密的腐蚀产物,抑制腐蚀;发生切边腐蚀时,锌铝镁会出现自修复现象,在切边钢基或镀层破损处形成碱性锌盐,保护基体.
外控电位法浮选分离黄铜矿和辉钼矿
宋坤, 宋永胜, 张其东, 李文娟, 乐观
2019, 41(7): 857-863. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.003
摘要:
利用自制外控电位浮选槽研究了矿物粒度、矿浆pH值、外控电位大小等因素对黄铜矿和辉钼矿浮选行为的影响,从而找到二者分离的条件并进行了铜钼混合精矿的外控电位浮选分离,采用循环伏安测试和腐蚀电偶测试验证了上述试验结论. 研究结果表明,-150+31 μm的黄铜矿受外控电位影响大,容易被抑制,而辉钼矿则不容易被抑制. -31 μm的黄铜矿和辉钼矿可浮性均较差,受外控电位影响较小. 外控电位浮选在碱性条件下进行有利于实现抑铜浮钼. 在pH值11的条件下,抑铜浮钼的最佳分离外控电位为-1100~-700 mV(vs Ag/AgCl). 在pH值为11、外控电位-800 mV(vs Ag/AgCl)的条件下对多宝山铜钼混合精矿进行浮选分离,经过一次浮选分离可得到钼回收率80.57%、铜回收率10.19%的钼粗精矿,辉钼矿和黄铜矿的浮游差达到70.38%,这使外控还原电位下浮选分离黄铜矿和辉钼矿成为可能. 另外,腐蚀电偶测试结果表明:黄铜矿和辉钼矿间的电偶腐蚀对于抑铜浮钼浮选有促进作用.
循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性
张英, 苗胜军, 郭奇峰, 王培涛
2019, 41(7): 864-873. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.004
摘要:
为研究三轴循环加卸载条件下三山岛花岗岩细观能量演化规律,采用颗粒流理论确定了花岗岩的应力门槛值(起裂应力σci、损伤应力σcd和峰值强度σf),研究了应力门槛值对应的边界能、应变能(线性接触应变能和平行黏结应变能)、耗散能(摩擦能和阻尼能)、动能随围压变化的规律,并从能量角度建立了岩爆倾向性评价指标Wx. 结果表明:三山岛花岗岩不同围压下相应的σci/σf位于37.0%~44.8%区间,σcd/σf位于81.2%~89.0%区间,随着围压的增大,起裂边界能、应变能和耗散能呈线性关系增加,损伤(峰值)边界能、应变能和耗散能呈指数关系增加;其中耗散能受围压影响最为敏感,增幅倍数最大,其次是边界能,最后为应变能. 围压对起裂应变能比例影响不大,损伤和峰值应变能比例随围压增大缓慢减小,峰值应变能比例下降幅度最大. 基于岩爆倾向性评价指标Wx可知,当围压在20 MPa内,三山岛花岗岩岩爆倾向性相对较小;当围压达到30 MPa时岩爆倾向性开始迅速增加. 研究成果为岩爆倾向性的评价提供了新的参考指标,进一步为井下岩体工程的稳定性研究提供了新思路.
基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征
娄全, 何学秋, 宋大钊, 李振雷, 王安虎, 孙冉
2019, 41(7): 874-881. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.005
摘要:
建立了煤岩受载破坏声电全波形同步采集系统,对煤样单轴压缩破坏过程中的声电信号进行了全波形采集,研究了声电信号能量与载荷降之间的相关关系,并分析了声电信号的频谱特征. 结果表明:(1)煤体受载破坏过程中产生显著的声电信号;电磁辐射信号是阵发性的,仅伴随载荷降和较高强度声发射信号出现;(2)相对于声发射,电磁辐射与载荷降有更好的相关性;与煤体受载破坏的能量释放累积量相关联的声电信号能量和载荷降累计值三者之间均呈高度正相关;(3)电磁辐射优势频带窄于声发射,前者主要集中在1~25 kHz,后者主要集中在1~280 kHz;受同一裂纹萌生和扩展的影响,两者在频谱和主频分布上都有近似的低频成分.
Nb在高铝铁素体钢中的固溶析出行为
刘鹏程, 徐翔宇, 刘倩男, 李建赭, 刘丹, 延泽鹏, 孙明煜, 王学敏
2019, 41(7): 882-888. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.006
摘要:
采用电解相分析方法,结合X射线衍射分析和电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等对高铝铁素体基体中的析出相颗粒粉末和电解液进行定性定量分析. 试验结果表明,试验钢中固态析出相主要为NbC以及少量的Al2O3和AlN夹杂. 通过扫描电镜观察不同再加热温度下NbC分布状态,发现随着固溶温度的升高,铸态组织中存在的NbC析出逐渐回溶,数量随之减少且发生明显的粗化行为. 当温度升高到1100℃,大部分NbC已经回溶到高温铁素体基体中. 在利用Thermo-Calc热力学计算软件分析Nb及其碳化物的热力学性质基础上,计算得到Al与Nb的相互作用系数,表明Al能够降低Nb在铁素体基体中的活度,提高其在基体中的固溶度,进一步得到了NbC在高铝铁素体钢中的固溶度积公式,发展了高温铁素体中的Nb微合金化理论,为进一步的应用提供了理论基础.
富Nb复合碳氮化物对22Cr15Ni3.5CuNbN奥氏体钢焊接模拟热影响区组织和性能的影响
黄一君, 张麦仓, 谢锡善
2019, 41(7): 889-897. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.007
摘要:
采用Gleeble热模拟的方法,通过模拟焊接过程中快速加热和冷却的热循环过程,得到1150~1300℃不同峰值温度下22Cr15Ni3.5CuNbN奥氏体钢扩大的热影响区组织,并对其进行冲击性能分析. 对热影响区组织的研究表明,实验钢的母材中存在一定量富Nb复合碳氮化物,有效钉扎晶界,且与大量位错缠结. 在焊接过程中,该富Nb复合碳氮化物经历溶解与重新析出的复杂过程:当峰值温度为1150℃时,仅小颗粒的富Nb碳氮化物发生了溶解,而峰值温度为1300℃时,富Nb复合碳氮化物经历溶解与重新析出,呈现网状的组织形貌,且其整体尺寸增加. 富Nb复合碳氮化物的演化导致了冲击功的变化,经历焊接热循环条件的实验钢较母材具有更高的冲击韧性,随着峰值温度的升高,冲击韧性呈现先升后降的趋势,其中在峰值温度为1150℃时实验钢的冲击韧性最高.
经验原子势下铝镁合金中溶质原子向位错芯迁移的最低能量路径
李晓彤, 汤笑之, 郭雅芳
2019, 41(7): 898-905. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.008
摘要:
铝镁合金在制造业中应用广泛,但其在特定应变率下的塑性失稳不利于加工应用. 溶质原子与位错的交互作用是塑性失稳的微观机理. 本文采用势能曲面过渡态搜索技术计算了铝镁合金中替代型溶质镁原子向位错芯迁移的过渡态,确认了溶质原子与位错芯的交互作用范围,并采用过渡态理论估算了迁移扩散所需的时间,且区分了无空位及有空位参与迁移两种情况. 结果表明,位错压应力区内的溶质原子迁移无明显规律,而在位错拉应力区内,随着溶质原子与位错间距的缩短,迁移势能垒和系统总能量均逐渐降低. 说明目前广泛采用的经验原子势可以很好地反映溶质原子易朝位错拉应力区偏聚这一现象. 溶质原子迁移的过渡态证实迁移过程中的微观结构变化因溶质原子所处位置不同而各异,而交互作用范围不超过约2 nm. 空位参与对迁移的辅助作用被量化为迁移热激活时间的缩短,并得出其可在微秒量级. 当溶质原子完成迁移稳定至位错芯附近,并不倾向于沿位错线密集分布.
两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能
白植雄, 左鹏鹏, 计杰, 吴晓春
2019, 41(7): 906-913. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.009
摘要:
采用高温摩擦磨损试验机研究了HTCS-130和DAC55两种热作模具钢在100~700℃范围内的耐磨性差异及磨损机制,并结合X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光学轮廓仪等手段对表面相组成、磨损表面、截面形貌等进行分析. 结果表明:两种钢的磨损率均在100~700℃范围内呈现先增后减的趋势;其磨损机制表现为在100℃和300℃分别发生黏着磨损和黏着-轻微氧化磨损;500℃时磨损机制转变为单一氧化磨损,磨损表面氧化层由FeO、Fe2O3和Fe3O4组成,亚表面发生轻微软化并出现塑性变形层;700℃时磨损进入严重氧化磨损阶段,氧化物数量急剧增多,同时由于马氏体基体回复导致材料出现严重软化,磨损表面形成连续的氧化层. HTCS-130钢优异的热稳定性能使得基体具有较高硬度和更窄的摩擦软化区,能够更好地支撑氧化层,从而在700℃下比DAC55钢更耐磨.
半连续铸造7136超高强铝合金的组织特征及均匀化处理工艺
李佳乐, 周成, 黄旭东, 张志豪, 吕丹
2019, 41(7): 914-921. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.010
摘要:
以半连续铸造7136铝合金为研究对象,以铸态组织分析为基础,采用双级均匀化. 结果表明:与其他7×××系铝合金相比,7136铝合金铸态组织没有明显的层片状α(Al)+T共晶相的特征,也没有发现S相的存在. 基体中的弥散相为微米级的圆形或棒状MgZn2相,Mg元素和Zn元素随着液态合金的凝固,在Al基体中以MgZn2相的形式析出,为了平衡Mg元素和Zn元素的分配系数,Mg元素和Zn元素从液态向固态迁移,这也是使得晶内Zn元素和Mg元素偏高的原因. 经过462℃,24 h单级均匀化,残留相大致消除. 随着均匀化时间的延长,残留相有减少的趋势,但作用相对较小. 经过450℃,24 h+470℃,24 h双级均匀化,差示扫描量热法获取的峰值非常小,晶间除了少量高熔点Al7Cu2Fe相残留,Al2Cu等其他相已基本消除,均匀化效果显著.
一步纳米银催化刻蚀法制备多孔硅纳米线阵列
何祖东, 耿超, 邱佳佳, 杨玺, 席风硕, 李绍元, 马文会
2019, 41(7): 922-928. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.011
摘要:
通过采用一步纳米金属颗粒辅助化学刻蚀法(MACE)成功制备了多孔硅纳米线,并主要研究了硅片掺杂浓度、氧化剂AgNO3浓度以及HF浓度对硅纳米线阵列形貌结构的影响规律. 研究结果表明:较高的掺杂浓度更有利于刻蚀反应的发生和硅纳米线阵列的形成,这是由于高掺杂浓度在硅片表面引入了更多的杂质和缺陷,同时高掺杂浓度的硅片与溶液界面形成的肖特基势垒更低,更容易氧化溶解形成硅纳米线阵列;在一步金属辅助化学刻蚀法制备多孔硅纳米线阵列的过程中,溶液中AgNO3浓度对于其刻蚀形貌和结构起到主要作用,AgNO3浓度过低或过高时,硅片表面会形成腐蚀凹坑或坍塌的纳米线簇,AgNO3浓度为0.02 mol·L-1时,硅纳米线会生长变长,最终形成多孔硅纳米线阵列. 随着硅纳米线的增长,纳米线之间的毛细应力会使得一些纳米线顶部出现团聚现象;且当HF溶液浓度超过4.6 mol·L-1时,随着HF酸浓度的增加,硅纳米线的长度随之增加. 同时,硅纳米线的顶部有多孔结构生成,且硅纳米线的孔隙率随HF浓度的增加而增多,这是由于纳米线顶部大量的Ag+随机形核,导致硅纳米线侧向腐蚀的结果. 最后,根据实验现象提出相应模型对多孔硅纳米线的形成过程进行了解释,归因于银离子的沉积和硅基底的氧化溶解.
残余应力对金属材料局部腐蚀行为的影响
陈恒, 卢琳
2019, 41(7): 929-939. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.012
摘要:
基于残余应力测试新方法与先进电化学测试技术的进展,围绕残余应力类型和大小对金属材料点蚀以及应力腐蚀行为的作用机理进行了总结和归纳. 研究发现,尽管残余压应力对腐蚀行为的抑制作用得到了大量实验的证实,但是在不同条件下其作用方式以及机理不尽相同,并且与材料的结构特点以及腐蚀产物等密切相关. 同时,残余拉应力的作用尚不明确,受到材料类型和其他因素耦合的严重影响. 另外,在某些环境下,影响腐蚀行为的关键是残余应力梯度或残余应力的某个临界值. 但是对有色金属的研究表明残余拉应力和压应力均会导致基体中位错和微应变等结构缺陷增加,进而促进点蚀敏感性,降低材料服役性能. 最后,对目前研究存在的局限进行了讨论和展望.
热轧带钢终轧温度的多模式控制
王海玉, 郭立伟, 杨荃, 王晓晨, 王淑志, 董立杰
2019, 41(7): 940-946. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.013
摘要:
结合国内某2250 mm热连轧精轧机组,实现速度调节、机架间水调节、速度和机架间水耦合调节三种控制模式,能够根据热连轧过程中的不同钢种和不同工况采用相适应的控制模式,以获取最佳的控制效果. 同时,利用二次规划优化法在线优化不同控制模式的调节量,以满足带钢全长终轧温度的控制要求. 将多模式控制模型在线应用后,带钢终轧温度控制偏差在±20℃以内,连续三个月命中率为99%以上. 结果表明,该控制模型响应速度快,计算精度高,能够满足不同钢种和不同工况下的终轧温度控制要求,从而提高带钢轧制稳定性和终轧温度控制精度,提升产品竞争力.
基于非线性模型预测控制的自动泊车路径跟踪
顾青, 白国星, 孟宇, 刘立, 罗维东, 甘鑫
2019, 41(7): 947-954. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.014
摘要:
与行驶速度较高的其他无人驾驶工况相比,自动泊车时参考路径的曲率较大,因此车辆转向轮转角速度的限制等系统约束条件会严重影响自动泊车路径跟踪控制器的性能. 为了解决这一问题,提出了基于非线性模型预测控制的自动泊车路径跟踪控制器,并在MATLAB/Simulink和PreScan联合仿真环境中将该控制器与基于线性时变模型预测控制的控制器进行了对比. 仿真结果表明非线性模型预测控制器可以实现多约束条件下的自动泊车,泊车完成后车辆航向与车位中线的夹角为0.0189 rad,车辆后桥中点与车位中线的距离为0.1045 m,仅为车身宽度的5.56%. 相比线性时变模型预测控制器,非线性模型预测控制器具有泊车精度更高、安全裕度更大、泊车耗时更少等优势. 在实时性方面,该控制器也能够满足自动泊车的需求.
一种改进的非刚性图像配准算法
何凯, 魏颖, 王阳, 黄婉蓉
2019, 41(7): 955-960. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.015
摘要:
非刚性图像配准一直是计算机视觉领域的研究重点. 为解决上述问题,提出一种改进的光流场模型算法,以提高光流估计的准确度. 算法首先对原始变分光流模型进行了改进,提出利用新的各向异性正则项来代替原来的同向扩散函数,以避免图像模糊,保留图像的边缘特征与细节特征;此外,通过引入包含邻域信息的非局部平滑项来去除光流噪点,同时增加了一个结合图像结构与光流运动信息的权函数,以减少过平滑所造成的细节丢失,提高算法的鲁棒性. 最后,利用交替最小化与金字塔分层迭代策略相结合的方法求解位移场,实现非刚性图像的自动配准. 仿真实验结果表明,与传统方法相比,本文算法对不同类型的非刚性图像均具有较高的鲁棒性,取得了理想的图像配准效果.