ZA合金微观结构电子理论及SiC_p/ZA27复合材料界面特性研究

论文题目: ZA合金微观结构电子理论及SiC_p/ZA27复合材料界面特性研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 刘贵立

导师: 李荣德

关键词: 递归法,有限元法,人工神经网络,锌铝合金,电子结构,晶界,复合材料,显微组织,应力场

文献来源: 沈阳工业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 锌铝合金制造成本低,具有良好的使用与加工性能,显示出较好的应用前景和经济优势。然而,合金的高温性能差,易发生晶间腐蚀等缺点,限制了合金的进一步推广应用。为此,本文试图从理论角度探索改善锌铝合会及其复合材料的组织与性能的新方法、新途径,为合金及其复合材料的设计与制造提供参考依据。 通过自行开发软件建立了包括合金固体/液体相界、晶界在内的各种结构原子集团模型,采用递归法系统研究了ZA27合金中各元素的作用,组织细化机理,合金晶间腐蚀的原因及抑制方法。发现:过渡族元素能降低合金元素的扩散系数,提高α相的热稳定性:稀土元素富集在ZA27固体/液体相界,可使己凝固的α晶枝熔断并产生新核,从而细化晶粒:La、Y等稀土元素在α相晶界处减小Zn、Al的电极电位差,能够抑制晶间腐蚀,增强合金抗晶间腐蚀能力。 用有限元法分析SiC_p/ZA27复合材料在外载荷作用下基体与增强相界面应力场及基体内塑性应变规律,分析热残余应力场分布规律。结果表明:拉伸应力作用下界面法向应力引起极区基体与增强相脱粘:von Mises应力在极区与赤道区之间的界面处使基体屈服;增强相在残余应力作用下处于三向拉伸状态,容易发生脆性断裂:界面处残余法向应力较高,可能造成界面脱粘。基体内近界面残余切向应力具有抑制裂纹在基体中扩展的趋势。重载时复合材料在高温和高压应力共同作用下,基体发生严重的塑性流变,从而产生大量的纵横交错裂纹,并使增强相与基体在界面脱粘。增强相相对尺寸越大,基体内的塑性应变越小,即增强相能提高复合材料的抗塑性变形能力。 将人工神经网络与模拟退火算法相结合,解决了无解析关系式的复杂系统优化问题。提出了一种新的多目标函数优化模式,为解决同时提高合金多项力学性能问题提供了必要的手段。在此基础上预测合金力学性能并优化铸造工艺参数。

论文目录:

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 锌铝合金的基本特征

1.2.1 锌铝合金的化学成分

1.2.2 锌铝合金的性能

1.2.3 锌铝合金的铸造工艺

1.3 锌铝合金研究现状

1.3.1 晶粒细化与变质处理

1.3.2 合金化

1.3.3 热处理

1.3.4 铸造工艺

1.3.5 锌铝基复合材料的研究状况

1.3.6 相变及其相图研究

1.4 材料研究的理论方法

1.4.1 电子理论法

1.4.2 计算机模拟方法

1.5 本文的主要研究内容与创新点

1.5.1 主要研究内容

1.5.2 拟解决的关键问题

1.5.3 主要创新点

2 利用人工神经网络对ZA27合金挤压铸造工艺的优化

2.1 人工神经网络概述

2.1.1 神经网络的提出与发展

2.1.2 神经网络及神经元模型

2.2 ZA27合金力学性能模型的建立与性能预测

2.2.1 BP人工神经网络模型

2.2.2 样本的归一化

2.2.3 神经网络模型的建立

2.2.4 力学性能预测

2.3 ZA27合金挤压铸造工艺的优化

2.3.1 蒙特卡罗方法与模拟退火优化算法

2.3.2 ZA27合金挤压铸造工艺的优化方案

2.3.3 优化结果

2.4 本章小结

3 锌铝合金微观结构的电子理论研究

3.1 递归法

3.1.1 递归法的数学基础

3.1.2 ZA27合金的系统哈密顿矩阵

3.1.3 体系结构能、环境敏感镶嵌能及原子轨道间键级积分

3.2 铸造锌铝合金合金化行为的电子理论研究

3.2.1 模型建立与参数选择

3.2.2 合金元素的固溶度及其作用

3.3 铸造锌铝合金中稀土及铁的晶界偏聚电子理论研究

3.3.1 大角度晶界和固液相界面

3.3.2 铁及稀土在α相-液相界面处的偏聚与交互作用

3.4 铸造锌铝合金稀土变质机理的电子理论研究

3.4.1 物理模型

3.4.2 稀土变质机理

3.5 ZA27合金Ti变质机理电子理论研究

3.5.1 物理模型

3.5.2 变质机理

3.6 稀土及杂质元素对ZA27合金晶间腐蚀的影响

3.6.1 物理模型及计算方法

3.6.2 结果分析

3.7 本章小结

4 SiC_p／ZA27复合材料界面应力场的有限元分析

4.1 轴对称问题有限元分析基本理论与方法

4.1.1 有限元法的基本思想和分析步骤

4.1.2 轴对称问题的基本方程

4.1.3 轴对称等参数单元

4.2 锌铝基复合材料基体与增强颗粒间界面应力场分布

4.2.1 计算模型及参数选择

4.2.2 受拉应力作用时基体与增强相界面应力场分布

4.2.3 压缩时界面应力场分布

4.2.4 垂直于界面裂纹对应力场的影响

4.3 锌铝基复合材料铸造热残余应力场分析

4.3.1 热应力有限元计算模型与材料参数

4.3.2 残余应力场分布

4.4 锌铝基复合材料滑动磨损机制的有限元分析

4.4.1 有限元计算模型

4.4.2 结果分析

4.5 本章小结

5 结论

参考文献

在学研究成果

致谢

发布时间: 2005-07-14

参考文献

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