材料表面薄膜硬度的测试计算

给出了基于纳米硬度试验的表层薄膜的硬度测算方法。首先研究如何利用有限元计算弥补纳米硬度测量在压痕深度小于百纳米时的精度缺陷，进而探讨薄膜一基体材料系统的硬度随压痕深度变化的规律，最后导出了根据实验曲线预测表层薄膜材料的硬度的公式，并进行了实验验证。     

表层材料硬度检测及结果的对比分析

针对表层材料硬度检测中常用的几种显微硬度仪以及近年来发展的同乡会米压痕技术，对比分析了各种硬度仪的特点及其使用范围，着重指出了显微硬度仪与纳米压痕仪的定义在物理本质上的差别。最后针对最常用的维氏显微硬仪与目前先进的纳米压痕技术，利用有限元数值模拟并结合纳米压痕实验数据，给出了两种硬度值在数量上的关系。     

单晶铝纳米级硬度试验研究

使用纳米硬度计对单晶铝进行了纳米压痕试验，利用原子力显微镜对压痕形貌进行扫描并计算硬度值，重点观察和分析了纳米级条件下单晶铝的硬度性质，结果表明，当压痕深度小于2000nm时，单晶铝纳米硬度存在尺寸效应现象；从材料性质的角度分析了纳米硬度尺寸效应现象；探讨了纳米硬度和传统硬度本质上的区别，指出其根本原因在于不同尺度下人们对材料性质的关注点不同。     

纳米级显微硬度试验研究

阐述了一种纳米尺度下测试材料显微硬度的试验方法——深度硬度试验法。并研制了深度硬度试验装置，采用压电陶瓷传感器实现微位移和激光测试超低载荷，该试验装置分辨率高，可以实现纳米级压痕的显微硬度测试。     

VC/Ni纳米叠层薄膜的制备及力学性能

采用中频脉冲磁控溅射双靶交替沉积,制备了调制周期为4nm,12nm和88nm的VC/Ni纳米叠层薄膜以及纯VC薄膜。利用XRD和SEM对薄膜结构进行分析,并通过纳米压痕和维氏压痕对薄膜的硬度、模量以及韧性进行了表征。结果表明:双靶交替沉积制备的VC/Ni纳米叠层薄膜界面清晰、薄膜生长比较致密;三种周期的叠层薄膜硬度均为20GPa,与纯VC薄膜相比韧性得到了明显的改善;随着调制周期的增加,发现VC/Ni纳米叠层薄膜的硬度先增大后减小,韧性先降低,后提高,存在一个性能转折的临界周期。     

提高飞机壁板低频宽带隔声的层合声学超材料

针对飞机舱内的低频宽带噪声控制难题，提出了适用于飞机壁板隔声增强的层合声学超材料。该层合声学超材料由前、后2层不同构成参数的约束型薄膜声学超材料板，及其中间填充的多孔吸声材料复合而成。通过建立层合声学超材料的隔声计算有限元模型，分析各层约束型薄膜声学超材料，以及两者复合构成的层合声学超材料的隔声特性关系，着重研究层合声学超材料的负质量效应对其隔声特性的影响机理。基于四传声器法声阻抗管测试系统，测量层合声学超材料的法向入射隔声量，用以验证有限元模型的有效性。最后，在半消室开展大尺寸层合声学超材料的插入损失试验，结果表明在100～500 Hz的低频工作频段，面密度为1.5 kg/m²的层合声学超材料样件，其算术平均插入损失达到14 dB,体现了优异的低频宽带隔声能力。研究工作对于采用轻薄声学超材料提高飞机壁板的低频宽带隔声性能具有一定的理论和工程指导价值。     

纳米压痕法测试压痕蠕变的应用研究

阐述压痕蠕变的研究进展及其测试原理,并且采用纳米压痕仪对Ta,Ni和Ni基高温合金三种金属体材料、BaTiO3陶瓷和Ag/Co多层薄膜进行蠕变实验,分析蠕变应力指数和相应的蠕变机制.     

纳米压痕硬度计测方法的研究进展

针对纳米尺度下的材料硬度测量,利用纳米硬度计得到压痕的载荷-压深曲线,并用原子力显微镜得到压痕的三维形貌图.通过载荷-压深曲线和压痕形貌图,以及相应的计算方法,可以得到纳米压痕硬度.纳米压痕硬度计测方法不同,得到的材料硬度值也不同.分析现有的几种纳米压痕硬度计测方法,找出它们的优缺点,并对未来发展方向做了展望.     

单晶硅各向异性力学性能纳米压痕实验研究

应用纳米原位压痕仪对单晶硅(100),(110),(111)晶面进行纳米压痕实验,对材料的弹性模量和硬度进行考察。实验结果表明:单晶硅(111)晶面相对于其它两个晶面具有较小的弹性模量和硬度值。通过单晶硅不同晶面原子结构分析,认为晶面原子层的间距分布差异是各晶面弹性模量差异的主要原因。     

射频磁控溅射Cr/CrN膜微结构和力学性能研究

利用射频磁控溅射制备了Cr／CrN多层薄膜，并对比单层CrN薄膜，分析研究了多层膜周期与结构和性能之间的关系。研究结果表明：多层膜中没有出现柱状晶体结构，而且结晶取向与单层CrN有显著区别；多层膜的应力普遍小于单层CrN，硬度略高于或接近于单层CrN，在外力作用下的抗变形能力远高于单层CrN；多层膜的应力和硬度随周期厚度的减小而增大，在周期15nm时硬度值达到最大23、8GPa，表明Cr／CrN多层膜的硬度与周期结果有关，而且存在使薄膜性能达到最佳的周期值。     

Surface strengthening and grain refinement of AZ31B magnesium alloy by ultrasonic cavitation modification

Ultrasonic cavitation modification (UCM) employs cavitation effect to induce strong plastic deformation on the material surface and improve surface properties. To explore the surface strengthening and grain refinement of materials by UCM, the UCM orthogonal experiments of AZ31B magnesium alloy were carried out in water and kerosene, respectively. The effects of ultrasonic amplitude, distance from the sample, and processing time on Vickers hardness and grain size of the material were studied. The results showed that the Vickers hardness of samples increased to 1.5–3 times after UCM in water, which was 23.77–48.19% higher than that in kerosene. The metallographic observation indicated the grains on the surface of AZ31B were refined after UCM. The maximum fluctuation of grain size on the material surface was not more than 10 μm after UCM in water, and most of them were concentrated between 1.5 μm and 2.5 μm, while the former was more than 40 μm and the latter were concentrated between 2 μm and 10 μm in kerosene. This reflected that the grain refinement effect of UCM in water was better than that in kerosene. Ultrasonic cavitation can be used as a benign means to improve the surface properties of materials.     

基于复杂型面薄壁零件成形的电铸试验研究

 在航空、航天领域存在诸如风洞喷管、波导元件和叶片电极等异型薄壁零件,采用常规加工方法对这些薄壁零件进行加工时存在着难加工的问题,利用一种新型的电铸技术——阴极平动式游离粒子辅助磨擦电铸技术对其进行直接成形加工。在电铸过程中,阴阳极之间添加不导电的游离粒子,随着阴极的不断运动,游离粒子能够周期性地对电沉积层产生磨擦、抛光、挤压作用,以此来提高表面质量,强化电铸层。与传统电铸技术所制备的电铸镍层进行了对比试验,试验结果表明：游离粒子辅助磨擦电铸技术能够获得表面光亮、平整电铸层;电铸层（200）晶面的衍射强度明显降低,（111）和（220）晶面的衍射强度显著提高;电铸层的机械性能也得到了明显的改善,显微硬度和抗拉强度比传统电铸工艺提高了一倍左右。以此为基础,成功制备了复杂型面叶片阴极,其显微硬度和表面粗糙度都得到了明显改善。     

摩圣材料对铸铁试样摩擦表面改性的影响

运用改装的摩擦实验机对灰铸铁-45^#钢摩擦副做旋转对磨实验。在摩擦副中滴入摩圣试剂，在大气环境中变载荷、定转速条件下进行实验。主要探索摩圣材料对灰铸铁摩擦副表面改性的机理和耐磨规律。结果表明：摩擦试样表面有大量光滑的灰色块状物生成，表面微区亦增添了来自矿物粉体中的元素；显微硬度明显提高，其中灰色区尤为显著；表面粗糙度显著降低，起到了良好的耐磨减摩效果。     

TC4钛合金高速外圆磨削表面完整性实验

为充分发挥钛合金的优良性能,以TC4为研究对象进行高速外圆磨削实验,分析外圆磨削工艺参数对工件表面完整性的影响规律。结果表明:工件亚表面未出现变质层;随着砂轮线速度提高,表面质量提高;随着工件转速提高,表面划痕明显;随着磨削深度增加,出现表面烧伤现象,并且磨削深度对表面完整性的影响程度最大;磨削力与磨削温度对表面硬度的影响是正相关的,且磨削力对表面硬度的影响程度较大。因此可以通过选择合理的工艺参数来保证较大的材料去除率与较好的工件表面质量,为TC4钛合金高速外圆磨削提供指导。     

表面深滚处理对纯镍组织性能及残余应力分布的影响

通过一种新型表面自纳米化方法———表面深滚处理,在纯镍（N4）表面制备出晶粒尺寸小于500nm 的梯度超细晶结构,并对材料次表面微观组织结构、残余应力分布及力学性能进行了研究。结果表明：N4经过表面深滚处理,表面形成织构;由于剧烈塑性变形,位错大量产生,并出现胞状组织和高密度位错墙,这些组织经过演化形成超细晶,并在表面形成具有一定厚度的残余压应力场;与原始材料相比,经过表面深滚处理后表面组织硬度提高近一倍;通过合理选择滚压参数,其细化层厚度、硬度、表面粗糙度及残余应力分布均得到不同程度改善。     

气囊硬度对固化后帽型长桁厚度的影响

为满足宽体客机机身轻质高强的要求,机身复合材料蒙皮需要长桁的支撑以提高复合材料壁板的刚度。为获得厚度均匀性良好的帽型长桁加筋壁板,对帽型长桁加筋壁板成型工艺中真空袋囊芯模的方法进行了改进,提出了一种硅橡胶囊芯模与真空袋囊芯模相结合的方法,获得了厚度均匀性良好的帽型长桁壁板,满足机身复合材料帽型长桁-蒙皮共固化成型时尺寸精度的要求。利用有限元仿真方法,研究了硅橡胶囊芯模截面尺寸、硅橡胶材料属性对长桁厚度均匀性的影响,结果发现所用硅橡胶囊芯模硬度越大,长桁尺寸均匀性越差。不同条件下所得长桁厚度对理论分析的准确性进行了验证。考虑硅橡胶硬度对长桁尺寸均匀性及工艺操作性的影响,最终选定所用硅橡胶气囊硬度为50HA,所得蒙皮-长桁实际测量的平均厚度与理论厚度偏差小于6%,细观分析发现蒙皮-长桁连接处纤维走向没有发生变形。     

EB-PVD工艺中基板温度对材料形成过程的影响

针对电子束物理气相沉积（EB-PVD）设备的特点，研究基板温度对材料形成过程的影响。首先建立薄膜生长的基本扩散模型，然后用嵌入原子法（EAM）计算扩散激活能，以入射粒子跃迁概率表征入射原子在表面上的稳定程度，研究基板温度对低能Ni在Ni表面上扩散过程的影响。分别在较低（250～450K）和较高（750～1000K）两种温度下进行上述计算。研究结果表明，基板温度对跃迁概率的影响存在临界值，Ni为375K；当基板温度低于375K时，基板温度对跃迁概率影响很小，而当基板温度高于375K时，跃迁概率随基板温度增加呈指数增长；基板温度较低（Ni低于375K）时入射原子在表面上不扩散，易形成多孔疏松状材料，而较高的基板温度则有利于密实材料的形成。     

Machining of SiC ceramic matrix composites: A review

Continuous fiber reinforced SiC ceramic matrix composites (FRCMCs-SiC) are currently the preferred material for hot section components, safety–critical components and braking components (in the aerospace, energy, transportation) with high value, and have triggered the demand for machining. However, the high brittleness, anisotropy, and heterogeneity of materials bring great challenges to machining, due to high mechanical and thermal loads, severe tool wear, and poor machining quality. With the increasing demand of FRCMCs-SiC parts, high-quality and high-efficient machining has become a hot issue. This review paper provides a detailed literature survey on the machining of FRCMCs-SiC. The material removal mechanism, defect form, and interfacial mechanical properties of FRCMCs-SiC were summarized. The machining processes of FRCMCs-SiC were introduced, and their respective advantages and disadvantages were compared. Given the low machinability (high hardness, high brittleness, anisotropy, and heterogeneity) of FRCMCs-SiC, preliminary experiments have proved that ultrasonic-assisted machining and laser-assisted machining have shown unique advantages in reducing force and tool wear, improving machining quality and machining efficiency. The machined surface integrity was discussed, the influence of process parameters on the machined surface quality was analyzed, and the machining defects of FRCMCs-SiC were summarized. But for FRCMCs-SiC, the existing quantitative evaluation of the machined surface integrity was weak and unsystematic.