材料科學(xué)綜合

焊接數(shù)值模擬中熱源的選用原則

谷京晨，童莉葛，黎磊，等

摘要：焊接熱過程是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素之一。焊接熱過程的數(shù)值模擬是焊接方法合理性分析、焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，以及焊接冶金分析和動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析的前提與基礎(chǔ)。諸多因素，例如網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和尺寸、時(shí)間和空間差分方法和解析度等等都會(huì)影響焊接熱過程模擬結(jié)果的精度。熱源模型的選擇是焊接熱過程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，熱源模型的選擇直接影響著模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文在仔細(xì)分析各種熱源模型的基礎(chǔ)上，綜述了焊接數(shù)值模擬熱源模型的研究進(jìn)展，分別對集中熱源模型、平面熱源模型、體熱源模型和組合熱源模型的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)（1）集中熱源模型假設(shè)焊接熱過程只考慮擴(kuò)散項(xiàng)作用而忽略對流項(xiàng)影響，從而忽略了熔池流動(dòng)對傳熱的影響。因此，集中熱源模型僅適合于遠(yuǎn)離熔合線的低溫區(qū)域的能量方程計(jì)算，或?qū)妇娓浇鼫囟确植冀Y(jié)果精度要求不高的情況下使用。對于焊接熱源的分布規(guī)律分析，集中熱源模型的精度較低。（2）以高斯熱源模型為代表的平面熱源模型，通過高斯函數(shù)描述了焊接熱源的分布。其對稱性假設(shè)限制了平面高斯熱源模型僅適合于低速焊接過程的數(shù)值分析計(jì)算；通過考慮焊炬移動(dòng)對熱源分布的影響，提出了雙橢圓熱源模型，但因隨后雙橢球模型的提出，應(yīng)用并不廣泛。（3）體熱源模型的提出解決了二維熱源模型在熔深方面的問題。其中最為簡化的形式為均勻體熱源模型。均勻體熱源模型在電弧沖擊和熔池深度較小的情況下，具有較高的精度。但由于實(shí)際熱源中電弧熱量分布不均，故均勻熱源模型常與平面熱源結(jié)合作為組合熱源來使用。通過考慮熔池形狀以及焊炬熱源分布特點(diǎn)，提出了半球狀熱源模型，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接熱源分布并不是理想的半球型，因此又提出了旋轉(zhuǎn)高斯體熱源模型。高斯熱源模型充分考慮了熔深對焊接熱過程的影響，因此對于“釘子”型焊縫計(jì)算取得較好的結(jié)果。但是對于CO2氣體保護(hù)焊等焊接方法，焊縫前后實(shí)際溫度并不對稱，因此提出了雙橢球熱源分布模型以充分考慮不同方向（焊接方向和垂直焊接方向）上熔寬的影響。（4）實(shí)際上熔池表面由于受到電弧輻射，等離子風(fēng)曳力等因素的影響，其與熔池內(nèi)部的熱源分布存在一定差異；另一方面，對于熔化極焊接方式，體積分布熱源并沒有考慮其熔滴熱焓對熱源分布的影響。由此又衍生出組合型熱源模型，即人為的將總能量輸入分為電弧部分和熔滴部分，分別根據(jù)不同部分的熱流分布特點(diǎn)選取不同的熱源模型并將其加以組合。最后總結(jié)了熱源模型的選用原則，提出了不同焊接方式、不同焊件厚度熱源模型維數(shù)選用方法，即根據(jù)焊接方式、焊接厚度和焊道數(shù)選擇熱源維數(shù)。其次，根據(jù)焊接速度的不同選擇具體的熱源模型，當(dāng)焊接速度較低時(shí)，焊接熱源可近似認(rèn)為是對稱分布，則可以采用二維高斯熱源以及三維的高斯旋轉(zhuǎn)體或?qū)ΨQ組合熱源，但當(dāng)焊接速度較快時(shí)，則需要采用非對稱的熱源模型或非對稱組合熱源模型。文章指出，建立更精確的三維熱源模型，從而分析焊接熔池的熔化與凝固過程，已成為焊接數(shù)值模擬熱源模型的發(fā)展方向。

來源出版物：材料導(dǎo)報(bào), 2014, 28(1): 143-146

入選年份：2016

生物結(jié)合料共混瀝青的路用性能試驗(yàn)研究

廖曉鋒，雷茂錦，陳忠達(dá)，等

摘要：目的：目前在瀝青路面中所使用的結(jié)合料大都為從原油中提煉的石油瀝青，由于過度開采和使用，石油資源將逐漸枯竭。石油資源的現(xiàn)狀和環(huán)境發(fā)展問題迫使道路研究者不斷尋找石油瀝青結(jié)合料的替代材料。由于生物能源較化石能源相比有可再生性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，國內(nèi)外普遍認(rèn)為是解決今后能源短缺的主要方法。方法：以生物結(jié)合料為原料，采用高速剪切法制備了不同質(zhì)量共混比例（0%、5%、10%、15%、20%）的生物瀝青共混物并進(jìn)行結(jié)合料室內(nèi)試驗(yàn)研究，通過瀝青三大常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)、DSR試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)和重復(fù)蠕變恢復(fù)等試驗(yàn)進(jìn)行路用性能的綜合評價(jià)。試驗(yàn)原則為（1）以石油瀝青及瀝青混合料評價(jià)體系和試驗(yàn)方法為指導(dǎo)，綜合評價(jià)生物結(jié)合料及混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性等路用性能；（2）以部分替代、稀釋或改性石油瀝青為原則，將生物結(jié)合料與石油瀝青或改性瀝青按照一定比例和工藝混合制備得到生物瀝青共混物，研究不同摻量條件下瀝青及瀝青混合料的路用性能。結(jié)果：生物結(jié)合料共混瀝青室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為（1）瀝青3大常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)。針入度隨生物結(jié)合料含量的增加而增加，軟化點(diǎn)隨生物結(jié)合料含量的增加而降低，延度隨生物結(jié)合料含量的增加而增加。從瀝青3大指標(biāo)結(jié)果表明，生物結(jié)合料由于總體強(qiáng)度偏小，在共混后將使原有瀝青強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的下降，導(dǎo)致針入度增加和軟化點(diǎn)降低，但延展性得到了顯著提高，延度試驗(yàn)結(jié)果有較大的提升。（2）DSR試驗(yàn)。各種結(jié)合料的疲勞因子均隨溫度的降低而增大，各種原樣的疲勞因子臨界溫度次序?yàn)榛|(zhì)瀝青AH-50＞生物結(jié)合料＞SBS改性瀝青，AH-50瀝青共混物的臨界溫度隨生物結(jié)合料含量增加而降低，與SBS改性瀝青共混物的臨界溫度隨生物結(jié)合料含量增加而增加，這表明生物結(jié)合料的抗疲勞性能處于兩者之間。（3）BBR試驗(yàn)。AH-50基質(zhì)瀝青中加入生物結(jié)合料后，瀝青Superpave低溫性能分級有了很大幅度的提升，AH-50原樣只滿足了－12℃的低溫等級，但加入20%后可滿足－24℃的低溫等級，表明隨著生物結(jié)合料比例的增加，共混物低溫抗裂性能顯著增加，表現(xiàn)為BBR試驗(yàn)的蠕變勁度S減小和m值增加，這與低溫延度試驗(yàn)結(jié)果相吻合。（4）重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)。隨著生物結(jié)合料比例的增加，重復(fù)蠕變勁度Gv值有明顯減小，表明其抗車轍能力有一定程度的下降，這與針入度、軟化點(diǎn)和車轍因子等試驗(yàn)結(jié)果是一致的，同時(shí)在SBS改性瀝青共混了20%生物結(jié)合料條件下Gv值仍大于AH-50，表明聚合物改性材料與生物結(jié)合料在剪切乳化加工后可形成良好的復(fù)合改性共混結(jié)構(gòu)形式，使得生物瀝青結(jié)合料高溫性能在一定程度上滿足要求。結(jié)論：（1）由于化學(xué)組分和物理性質(zhì)的相似性，采用高速剪切和發(fā)育的共混方法可有效地使生物與瀝青結(jié)合料形成共混體系，試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)較好的規(guī)律性；（2）生物結(jié)合料強(qiáng)度和高溫性能劣于常規(guī)瀝青，二者共混后高溫穩(wěn)定性有所下降，但在適當(dāng)添加量情況時(shí)性能下降并不顯著；（3）生物結(jié)合料的中等溫度疲勞性能介于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青之間，共混后可有效提高基質(zhì)瀝青的疲勞性能；（4）生物結(jié)合料具有良好的低溫抗裂性，添加適量的生物結(jié)合料能顯著改善常規(guī)瀝青的抗裂性，可作為改性添加劑使用；（5）就當(dāng)前生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)而言，生物結(jié)合料在一定比例地替代石油瀝青在技術(shù)上是可行的，不僅具有較好的使用性能，而且節(jié)約不可再生資源，可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

來源出版物：材料導(dǎo)報(bào), 2014, 28(2): 144-149

入選年份：2016

貴金屬基電接觸材料的研究進(jìn)展

溥存繼，謝明，杜文佳，等

摘要：常用的電接觸材料可分為3大類：純金屬電接觸材料、合金電接觸材料和復(fù)合電接觸材料，現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的電接觸材料為貴金屬基電接觸材料。目前，已研制出的貴金屬基電接觸材料可以分為4個(gè)系列：金基電接觸材料、銀基電接觸材料、鉑基電接觸材料和鈀基電接觸材料。文章介紹了貴金屬基電接觸材料的種類、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，分析了國內(nèi)外貴金屬基電接觸材料的使用條件及各種制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。金具有突出的電接觸特性，還具有良好的導(dǎo)電性、低屈服點(diǎn)和低彈性模量，且不易形成具有高接觸電阻的氧化、硫化或者有機(jī)物薄膜。這些特性保證了金的接觸穩(wěn)定性，使得金可作為低接觸壓力和弱電流條件下的接插件或接觸點(diǎn)材料。目前，已研制出5個(gè)系列的金基電接觸材料：Au-Ni系，Au-Mo系，AuAgCd、AuAgIn、AuAgCdIn系，AuFeNi系和AuAgFeNi系。在電接觸材料中，銀基電接觸材料由于具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、抗熔焊性、耐侵蝕及耐磨損等優(yōu)良力學(xué)性能，獲得了深度的發(fā)展和最廣泛的應(yīng)用。文章重點(diǎn)介紹了發(fā)展前景較好的4個(gè)系列（Ag-C系列、Ag-Ni系列、Ag-MeO系列和Ag-WC系列）銀基電接觸材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)、工作原理及應(yīng)用方向。在電觸頭材料中，當(dāng)同時(shí)被要求滿足化學(xué)性能絕對穩(wěn)定和抗燒損強(qiáng)度大時(shí)，鉑族金屬就起到了無可替代的作用。作為觸頭材料的鉑基合金主要是PtIr10合金，其特點(diǎn)是抗電侵蝕性能好，不易生弧。鈀基合金觸頭材料主要是PdAgCO35-5、PdAgCu20-30和PdAgCu36-4等，它們可用作斷開觸點(diǎn)和滑動(dòng)觸點(diǎn)。文章最后道出了電接觸材料先進(jìn)制備技術(shù)的研發(fā)方向，并指出了貴金屬基電接觸材料具有向多元化發(fā)展的趨勢，新材料、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)促使電接觸材料快速發(fā)展。

來源出版物：材料導(dǎo)報(bào), 2014, 28(7): 22-25

入選年份：2016