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高模量镁基材料实验和集成计算研究进展

航空材料学报 2024年第3期44卷 43-64页

作者：李志强帅川柳伟侯华张高龙赵宇宏中北大学材料科学与工程学院教育部/山西省共建高性能铝/镁合金材料开发及应用协同创新中心太原030051 太原科技大学太原030024 山西神州航天科技有限公司山西晋中030800 北京科技大学北京市材料基因工程高精尖创新中心北京100083

镁合金由于低密度、高比强度、高阻尼以及良好的导热性等突出优点,广泛应用于航空航天领域,但其低弹性模量限制了其在大型薄壁构件中的可靠应用。本文针对如何提高镁基材料模量性能的问题,简介影响合金模量的主要因素,比较相关计算模型... 详细信息

镁合金由于低密度、高比强度、高阻尼以及良好的导热性等突出优点,广泛应用于航空航天领域,但其低弹性模量限制了其在大型薄壁构件中的可靠应用。本文针对如何提高镁基材料模量性能的问题,简介影响合金模量的主要因素,比较相关计算模型如等应力应变模型、混合定律、Halpin-Tsai模型以及两相复合材料模型的优缺点和适用范围,概括镁基材料模量性能研究的现状与进展,梳理镁基材料模量提升的两大途径以及性能提升机理。基于集成计算材料工程,提出了原子-晶格尺度类高模量铝合金开发和机器学习辅助优化实验设计的高强度高模量镁基材料集成开发策略。

关键词：镁合金镁基复合材料高模量性能集成计算材料工程

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基于边界网格投影的铸造模拟仿真网格剖分方法

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特种铸造及有色合金 2024年第5期44卷 614-619页

作者：崔雨薇赵宇宏裴小龙潘玥侯华中北大学材料科学与工程学院高性能铝/镁合金材料开发及应用省部共建协同创新中心太原030051 北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083 太原科技大学材料科学与工程学院太原030024

提出了一种基于边界网格投影的铸造模拟仿真网格剖分方法。首先读取铸件三维模型的STL文件并进行缺陷处理,接着对铸件整体进行结构化网格剖分,并进行内外网格区分得到边界网格,最后对边界网格进行投影处理。应用实例表明,该方法可得到... 详细信息

提出了一种基于边界网格投影的铸造模拟仿真网格剖分方法。首先读取铸件三维模型的STL文件并进行缺陷处理,接着对铸件整体进行结构化网格剖分,并进行内外网格区分得到边界网格,最后对边界网格进行投影处理。应用实例表明,该方法可得到贴合铸件三维模型形状的网格文件,对于铸造CAE模拟精度提升具有积极意义。

关键词：铸造数值模拟结构化网格剖分边界网格投影处理

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Ni_(59)Al_(22)V_(19)中熵合金异相界面结构及沉淀机制的微扩散相场法研究

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航空材料学报 2022年第6期42卷 72-80页

作者：代宁波赵宇宏中北大学材料科学与工程学院太原030051 北京科技大学北京市材料基因工程高精尖创新中心北京100083

基于单晶格点原子占位几率描述相变过程的微扩散相场模型,从原子尺度上研究了Ni_(59)Al_(22)V_(19)中熵合金的异相界面结构与相变过程中合金微观组织演化。结果表明:Ni_(59)Al_(22)V_(19)中熵合金沉淀初期有L_(12)和少量的DO_(22)、L_(... 详细信息

基于单晶格点原子占位几率描述相变过程的微扩散相场模型,从原子尺度上研究了Ni_(59)Al_(22)V_(19)中熵合金的异相界面结构与相变过程中合金微观组织演化。结果表明:Ni_(59)Al_(22)V_(19)中熵合金沉淀初期有L_(12)和少量的DO_(22)、L_(10)有序相的析出,随着时效过程进行,形成L_(12)与DO_(22)相并存的状态;在时效过程中出现了4种异相界面结构;相变初期,以A类界面结构为主,随着有序相的生长与分解,A类界面结构数量减少而D类结构数量增多;沉淀过程中有序畴界为L_(12)相生长提供Al原子,最终合金平衡体系形成;沉淀过程中γ′相的沉淀机制是等成分有序化和失稳分解机制,θ相的沉淀机制为失稳分解机制;除此之外,Ni_(59)Al_(22)V_(19)中熵合金孕育期随温度升高而时效时间变久;Ni-Al第一近邻原子间相互作用势随长程序参数增加而升高且与温度成正比关系。

关键词： Ni_(59)Al_(22)V_(19)中熵合金异相界面结构微扩散相场法有序相沉淀机制

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相场法探究铁电体涡旋拓扑结构与准同型相界

物理学报 2023年第3期72卷 266-276页

作者：刘钟磊曹津铭王智赵宇宏中北大学材料科学与工程学院太原030051

钙钛矿晶体结构决定了铁电陶瓷铁电性的出现和极化方向的确定,当极化方向具有一定规律的排序时,不同电畴结构会组合形成具有特定形貌的多粒子系统,即存在于铁电体中的拓扑结构.本研究通过相场法,模拟了不同迟滞电场和厚度下铌酸钾钠(K_(... 详细信息

钙钛矿晶体结构决定了铁电陶瓷铁电性的出现和极化方向的确定,当极化方向具有一定规律的排序时,不同电畴结构会组合形成具有特定形貌的多粒子系统,即存在于铁电体中的拓扑结构.本研究通过相场法,模拟了不同迟滞电场和厚度下铌酸钾钠(K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3))薄膜的电畴结构并进行观察,根据电场下电畴结构的不同翻转路径将电畴翻转分为快速和慢速翻转阶段,基于此提出先确定所需实验的电畴翻转状态再进行定向观测的手段.通过对电畴结构结合极化矢量的分析,首次在铌酸钾钠薄膜中观察到明显多畴组合而成的涡旋-反涡旋对拓扑结构.对涡旋结构进一步分析其翻转过程,观察到这种涡旋拓扑微观结构可以使电畴更容易发生翻转,从而使更多小范围极化矢量进行排序,以形成所需的多粒子系统拓扑结构.这种极化矢量排序对铁电材料介电性能改善机制,是与准同型相界两侧特定极化方向所形成的微观相界有着异曲同工之处.

关键词：铁电陶瓷拓扑缺陷相场法

不同番茄品种对分枝列当的抗性评价及抗性机制的研究

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不同番茄品种对分枝列当的抗性评价及抗性机制的研究

作者：赵宇宏内蒙古农业大学

学位级别：硕士

分枝列当严重影响番茄的生长发育,阻碍加工番茄产业的发展,因此选育抗分枝列当的番茄品种尤为重要。本研究以番茄作为研究材料,通过接种分枝列当,从54个不同番茄品种中筛选抗分枝列当的材料,并研究不同抗感番茄品种的生理生化指标差异,... 详细信息

分枝列当严重影响番茄的生长发育,阻碍加工番茄产业的发展,因此选育抗分枝列当的番茄品种尤为重要。本研究以番茄作为研究材料,通过接种分枝列当,从54个不同番茄品种中筛选抗分枝列当的材料,并研究不同抗感番茄品种的生理生化指标差异,解析番茄抗分枝列当寄生的机制。具体结果如下:1.利用培养皿体系,对不同番茄品种进行抗性鉴定,共筛选出1个高抗品种,10个中抗品种,10个感病品种和33个高感品种。在自栽品种中,抗性品种4422-3寄生列当瘤节数为5.2,比感病品种1105-2少85.87%。野生品种中,抗性品种YS-7寄生列当瘤节数为4.4,比感病品种YS-17少87.98%。2.通过盆栽试验,证明抗性番茄品种在列当数量、列当鲜重上显著低于感病品种,在自栽品种中,抗性品种4422-3寄生到番茄根系上的列当总数量为22.4,比感病品种1105-2减少了46.92%。列当鲜重为96.92g,比感病品种1105-2减少了18.22%。野生品种YS-7寄生到番茄根系上的列当总数量为8,比感病品种YS-17减少了79.59%。列当鲜重为13.72g,比感病品种YS-17减少了88.61%。并同时发现抗性品种4422-3和YS-7在番茄株高、茎粗、幅宽上,明显高于感病品种1105-2和YS-17。3.在T1(萌芽期)和T2(小瘤节期)时期,抗感品种之间的胼胝质积累没有明显差异;在T2期,野生抗性品种YS-7木质素积累量比感病品种YS-17高12.28%。在T3(大瘤节)期,抗性品种4422-3和YS-17积累较多的木质素和胼胝质,自栽抗性品种4422-3木质素积累量比感病品种1105-2高24.58%,胼胝质沉积量比感病品种高13.93%。野生抗性品种YS-7木质素积累量比感病品种YS-17高10.05%,胼胝质沉积量比感病品种YS-17高30.84%。4.不同抗感番茄植株根系HO含量在不同时期均呈上升趋势,抗性品种4422-3和YS-7中HO含量均低于感病品种1105-2和YS-17。而不同番茄品种在接入分枝列当后SOD、POD和CAT含量呈现先上升后下降趋势,在T2时期达到最大,之后开始下降,且抗性品种4422-3和YS-7中保护酶活性都显著高于感病品种1105-2和YS-17。

关键词：番茄寄生分枝列当抗性鉴定抗性机制

多模态混合输入模拟实验过程实现新型Al-Si-Mg系合金设计

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物理学报 2023年第2期72卷 307-317页

作者：段志强裴小龙郭庆伟侯华赵宇宏中北大学材料科学与工程学院太原030051 山西省有色金属液态成型工程技术研究中心太原030051 太原科技大学材料科学与工程学院太原030024

数据驱动下,基于大量的实验数据,建立混合特征与力学性能之间非线性规律实现合金新成分的配比和工艺设计一直是一个挑战.本文基于机器学习的方法,提出一种面向性能的Al-Si-Mg系合金“成分-工艺-性能”的设计策略.将同一体系不同牌号合... 详细信息

数据驱动下,基于大量的实验数据,建立混合特征与力学性能之间非线性规律实现合金新成分的配比和工艺设计一直是一个挑战.本文基于机器学习的方法,提出一种面向性能的Al-Si-Mg系合金“成分-工艺-性能”的设计策略.将同一体系不同牌号合金的成分、熔炼及热处理工艺等混合因素作为特征,通过随机森林寻找特征与抗拉强度之间的非线性规律.之后将数据集中部分合金的成分、工艺参数设置为目标空值,使用链式方程多重插补算法对目标缺失数据进行预测插补.通过该策略进行性能预测或指导设计的合金抗拉强度的实验值和预测值的误差均保持在±5%之内;而且经实验证实,其中Al-6.8Si-0.6Mg-0.05Sr的成分配比和540℃×10 h+170℃×10 h工艺方案使合金综合拉伸性能优异,质量指数Q_(DJR)达到517.3,高于同类合金低于500Q_(DJR)值的水平.这一结果表明该策略有助于改善高强度Al-Si-Mg系合金传统设计方法周期长、成本高、效率低的问题.

关键词： Al-Si-Mg系合金随机森林多重插补性能预测

相场法研究Al_(x)CuMnNiFe高熵合金富Cu相析出机理

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物理学报 2023年第7期72卷 313-327页

作者：王凯乐杨文奎史新成侯华赵宇宏中北大学材料科学与工程学院太原030051 北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083 太原科技大学材料科学与工程学院太原030025

BCC(体心立方)和FCC(面心立方)结构共存的高熵合金通常具有优异的综合力学性能,Al元素可以促进含Cu高熵合金由FCC向BCC结构转变.本文基于Chan-Hilliard方程和Allen-Cahn方程,建立Al_(x)CuMnNiFe高熵合金三维相场模型,模拟了Al_(x)CuMnN... 详细信息

BCC(体心立方)和FCC(面心立方)结构共存的高熵合金通常具有优异的综合力学性能,Al元素可以促进含Cu高熵合金由FCC向BCC结构转变.本文基于Chan-Hilliard方程和Allen-Cahn方程,建立Al_(x)CuMnNiFe高熵合金三维相场模型,模拟了Al_(x)CuMnNiFe高熵合金(x=0.4,0.5,0.6,0.7)在823 K等温时效时纳米富Cu相的微观演化过程.结果表明,Al_(x)CuMnNiFe高熵合金时效时会产生两种复杂核壳结构:富Cu核/B2_(s)壳以及B2_(c)核/FeMn壳,通过讨论分析发现形成的B2_(c)对纳米富Cu相的形成起到抑制作用,这种抑制作用随着Al元素的增加而变大;结合经验公式做出Al_(x)CuMnNiFe高熵合金富Cu相的屈服强度随时效时间的变化曲线,得到峰值屈服强度的时效时间和合金体系,可以为时效工艺提供参考.

关键词：相场法高熵合金富Cu相弹性能

Al掺杂Mg/Mg_(2)Sn合金界面的第一性原理计算

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金属学报 2023年第6期59卷 812-820页

作者：王福容张永梅柏国宁郭庆伟赵宇宏中北大学半导体与物理学院太原030051 中北大学材料科学与工程学院太原030051 北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083

为研究Mg-Sn合金中Al掺杂Mg基体与Mg_(2)Sn相不同取向以及Al元素在界面处的分布位置,基于密度泛函理论计算了Al元素掺杂Mg/Mg_(2)Sn不同指数面的界面黏附功、界面能以及界面掺杂能来寻找较稳定的掺杂位置。采用态密度和晶体轨道重叠布... 详细信息

为研究Mg-Sn合金中Al掺杂Mg基体与Mg_(2)Sn相不同取向以及Al元素在界面处的分布位置,基于密度泛函理论计算了Al元素掺杂Mg/Mg_(2)Sn不同指数面的界面黏附功、界面能以及界面掺杂能来寻找较稳定的掺杂位置。采用态密度和晶体轨道重叠布居分析了Al元素掺杂对Mg(0001)/Mg_(2)Sn(022)界面电子特性的影响。结果表明,界面处添加Al元素后只有部分掺杂位置有益于加强Mg/Mg_(2)Sn界面的稳定性。添加Al元素后,Mg(0001)/Mg_(2)Sn(001)界面处Sn端黏附功均高于Mg端,而Mg(0001)/Mg_(2)Sn(111)界面正好相反。Al掺杂后的Mg(0001)/Mg_(2)Sn(022)界面能降低了0.07 eV/nm。添加Al元素后,Mg(0001)/Mg_(2)Sn(022)界面位置Ⅳ比较容易掺杂,该位置处的电子结构分析表明掺杂Al元素后Al的s轨道和Sn的p轨道存在明显交互作用,在界面处Al—Sn键占主导地位。

关键词： Mg/Mg_(2)Sn Al 界面第一性原理掺杂

相场法研究Fe_(84)Cu_(15)Mn_(1)合金富Cu相析出的内磁能作用机理

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物理学报 2022年第8期71卷 1-10页

作者：蒋新安赵宇宏杨文奎田晓林侯华中北大学材料科学与工程学院太原030051

本文基于连续相场模型,对内磁能作用下Fe-Cu-Mn合金中富Cu相析出行为进行了研究,得到不同温度、不同Mn,Cu含量条件下的内磁能对富Cu相的平均颗粒半径、体积分数、吉布斯自由能的影响.模拟结果表明,Mn含量越低,居里温度越高,内磁能对自... 详细信息

本文基于连续相场模型,对内磁能作用下Fe-Cu-Mn合金中富Cu相析出行为进行了研究,得到不同温度、不同Mn,Cu含量条件下的内磁能对富Cu相的平均颗粒半径、体积分数、吉布斯自由能的影响.模拟结果表明,Mn含量越低,居里温度越高,内磁能对自由能的贡献越大,且内磁能的贡献随温度升高而减小;内磁能降低了相结构转变势垒,促进了相结构转变.沉淀相体积分数随Cu含量增加而增加,通过对比有无内磁能对沉淀相体积分数的影响,内磁能作用导致沉淀相拥有更大的体积分数.因此在内磁能作用下,富Cu相具有较大的平均粒径、体积分数和较小的矫顽力,同时预测了合金硬度的变化趋势.

关键词： Fe-Cu-Mn合金相场法内磁能沉淀析出组织性能