关键词： 电化学沉积   AAO模板   纳米线   纳米电缆   磁性能   电极  

摘要： 一维磁性金属纳米线因具有高纵横比、垂直磁各向异性、高的矫顽力和易磁化等特点而具有广泛的应用领域。但其具有紧密堆积的特点,纳米线之间存在偶极作用,从而降低了纳米线的磁性能,金属纳米线在应用过程中易被氧化,造成磁性能不稳定,限制了其应用。为此,本项目从材料结构入手,设计几种多组分纳米线阵列,通过调整多组分纳米线的结构,研究纳米线结构与磁性能的关系,从而实现多组分复杂结构的可控组装,建立多层结构—磁性能之间的关系规律。本文以操作简便,并被广泛使用的阳极氧化铝（AAO）模板辅助电化学沉积技术成功制备了钕（Nd）/Ni/PA66三层纳米电缆阵列、不同尺寸的Nd/FM（FM=Fe、Co、Ni）双层纳米电缆、FM-Cu多节纳米线以及NiCo2O4纳米线;利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱仪（EDX）对样品进行外观形貌表征和化学元素组成测试;用综合物性测量系统（Quantum Design-PPMS）检测样品磁性能,用电化学工作站（CHI 760E）三电极体系来检测样品的电化学性能。具体研究内容如下:（1）组装了Nd/Ni/PA66三层同轴纳米电缆阵列和不同尺寸Nd/FM双层同轴纳米电缆阵列,结果表明:成功组装了三层和双层同轴纳米电缆阵列,易磁化轴沿长轴方向。三层纳米电缆的磁性能明显高于单组分铁磁性纳米管的,这是因为聚合物纳米管起到了保护作用并且稀土金属与铁磁金属之间有协同作用。不同尺寸Nd/FM双层同轴纳米电缆阵列平行方向的矫顽力(Hc//)表明:大尺寸纳米电缆比小尺寸有更强的抵抗退磁能力,因此,大尺寸Nd/FM同轴纳米电缆具有硬磁性材料性质。（2）组装了FM-Cu多节纳米线阵列,结果表明:成功组装了多节纳米线阵列,5个循环纳米线的Hc和剩余磁化比（Mr/Ms）要大于2个循环纳米线,这是磁性区域累加的结果。由静磁偶极主导的易磁化轴变为垂直于长轴的方向,多节纳米线同样有明显的磁滞和剩磁现象。（3）组装了NiCo2O4纳米线,结果表明:多晶结构的NiCo2O4纳米线顶端出现细碎的纳米片分布。NiCo2O4纳米线有明显的形状各向异性,并且易磁化轴为平行于长轴的方向。Ni/Co纳米线氧化后形成的NiCo2O4纳米线,由于氧的参与使易磁化轴Hc//数值增大,垂直方向的矫顽力（Hc⊥）减小。优化的NiCo2O4纳米线作为电极材料展示出优异的比电容和卓越的循环性能。

关键词： 梯度硬质合金   表面富立方相   高压渗氮   含Zr硬质合金  

摘要： 表面富立方相梯度硬质合金有着比常规硬质合金无法比拟的技术优势,其表层具有硬度更高、耐磨性更好的立方相氮化物或碳氮化物,过渡层有较为优异的断裂韧性,能有效解决常规硬质合金中耐磨性和断裂韧性不可共存的问题,可直接用于切削加工及矿产能源开发的刀具材料。此外,表面富立方相梯度硬质合金表层通过渗氮烧结生成的立方相能有效减少合金与涂层间因热膨胀系数不同产生的残余应力,具有成为优异的刀具涂层的基体的潜质。表面富立方相梯度硬质合金的研究目前主要集中于含Ti的WC-Ti C-Co体系,鲜有新材料体系的研究报道,其制备工艺和梯度形成机理的研究还不够完善,梯度结构无法做到精准控制,这些都严重限制了表面富立方相梯度硬质合金的应用。本课题以高压渗氮烧结为主要制备工艺,创新性地采用含Zr及Zr-Ti的新型硬质合金材料体系,系统研究Zr含量对梯度硬质合金的显微结构和力学性能的影响;构建含Zr及Zr-Ti的新型表面富立方相梯度硬质合金显微结构演化模型,从而为梯度结构的精准控制提供材料设计及显微结构机理研究支持,为大幅度拓展梯度硬质合金的应用提供了材料体系开发及制备工艺技术支撑。本研究发现:1、对于WC-Co/Ni-Zr体系硬质合金,高压渗氮烧结使得体系中Zr与氮气发生显著反应,在合金表面生成富Zr N立方相梯度层,富Zr N立方相梯度层的生长方式为外延生长;2、在WC-Co/Ni-Zr体系中,当Zr含量为5 wt.%时,都生成了比较致密纯净的Zr N梯度表层,当Zr含量为10 wt.%和15 wt.%时,梯度层的成分为Zr N-WC混合相;3、对比WC-Co-Zr体系和WC-Ni-Zr体系显微结构,可以发现WC-Ni-Zr体系的梯度层中Zr N含量大于WC-Co-Zr体系,表明WC-Ni-Zr体系中的Zr与高压氮气发生了更显著的热力学耦合反应,促使富Zr N立方相表层的更快速生长;4、WC-Co/Ni-Zr体系中合金梯度表层显微硬度达到2400 HV左右,明显高于芯部显微硬度（1800-2100 HV）,显示出WC-Co/Ni-Zr体系的巨大结构-性能优势;5、WC-Ti C-Zr-Co/Ni体系在高压渗氮烧结工艺过程中形成富Zr N立方相梯度表层,合金中Ti C对梯度层形成的机制被Zr抑制,表明Zr是具有比Ti C更有效的梯度结构形成组分;与WC-Ti C-Co/Ni体系的梯度结构相比较,WC-Ti C-Zr-Co/Ni体系梯度表层厚度较小,结构较为均匀,基本不含WC相,且随着Zr含量的提升,表层梯度厚度会增大,同时表层表面WC含量和孔隙量也会相应增多;6、WC-Ti-Zr-Co/Ni体系在高压渗氮工艺过程中表层形成富Ti N立方相梯度层,梯度层没有形成Zr N立方相,且梯度层厚度有限,孔隙裂纹等缺陷较多;与WC-Ti-Co/Ni体系比较,WC-Ti-Zr-Co/Ni体系致密度有略微较低,芯部硬度基本保持不变,芯部断裂韧性最多提高52.4%,但芯部断裂韧性为7.40 MPa·m1/2仍是处于比较低的水平,综合表明WC-Ti-Zr-Co/Ni不是理想的梯度硬质合金材料体系;7、WC-Co/Ni-Zr体系高压渗氮过程可以归纳为（1）Co/Ni-Zr合金化、形成液相以及致密化过程;（2）高压氮气与液相金属相互作用,氮溶于液相金属的过程;（3）梯度表层形成过程;（4）合金梯度表层以下的次表层区域的Zr扩散行为及梯度表层的连续生长等四个环节;8、WC-Co/Ni-Zr体系梯度层生长的动力学模型为:（?）其中X为梯度层厚度,D[Zr],s为Zr在梯度层中的扩散系数,C[Zr],i为Zr在梯度层内表层液相金属中的浓度,CZr N为Zr在Zr N立方相梯度层中的浓度。此模型表明梯度层的生长主要由Zr在梯度层的扩散系数以及内表层液相金属中的Zr浓度所决定。

关键词： 稻壳   纳微结构材料   补强填料   橡胶   多孔碳   超级电容器  

摘要： 随着经济的飞速发展和科技的不断进步,人类社会对能源的需求日益增涨,但化石资源日趋枯竭和环境问题日趋恶化,对于人类的发展提出了挑战。开发和利用可再生的生物质资源受到了世界各国的广泛关注。生物质资源来源于植物的光合作用,广泛地存在于大自然中,取之不尽,用之不竭。稻壳是产量最大的生物质资源之一,中国的稻壳年产量在4000万吨以上,焚烧稻壳会造成严重的空气污染,但合理的利用好这一庞大的资源不仅可以缓解能源和环境问题,而且可以产生巨大的经济效益。稻壳具有独特的木质纤维素-SiO2网络结构,因此可以用于合成硅基材料、碳基材料和硅/碳复合材料等多种功能的纳微结构材料,具有广泛的应用前景。本论文根据稻壳的结构特点,采用简单易行的方法,设计和制备了稻壳基纳微结构材料,并探究了其作为橡胶补强填料和超级电容器电极材料的性能及其应用的可能性,得到了如下的研究成果:1.通过低温热解稻壳,得到了包含SiO2和生物质炭的硅/炭复合材料（PRH）。两种物质以共价键相连,可以在橡胶基体发挥协同作用,产生比单一组分更好的橡胶补强效果。系统地探究了球磨条件对PRH材料性能的影响,得到了最优化产品EM-400,其平均颗粒尺寸由球磨前的15.03μm下降到5.24μm,对橡胶补强性能也大幅提高。以EM-400填充的天然橡胶EM-400/NR的拉伸强度、撕裂强度都远高于使用未经球磨处理样品填充的天然橡胶Unmilled/NR。EM-400/NR的拉伸强度达到了20.7 MPa,高于使用商业炭黑（N550）填充的Carbon black/NR的拉伸强度19.9 MPa,说明EM-400具有在橡胶工业中替代商业炭黑的潜力。2.采用“碱液提取,酸液共沉”的方法从体积庞大的稻壳中提取和沉淀了木质素和SiO2,二者通过分子间氢键自组装,有效抑制了SiO2-SiO2或木质素-木质素自团聚现象,得到了平均粒径为320 nm的类球形杂化材料（Lignin/SiO2,LS）。以LS部分替代炭黑作为填料,制得的硫化胶10LS/40CB/NR的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性都优于单一使用商业炭黑（N550）的硫化胶50CB/NR,表明LS不仅减少了橡胶产品对不可再生炭黑填料的使用,而且提升了橡胶的力学性能。3.利用稻壳中SiO2的自模板作用,使用KOH活化的方法制备了具有高比表面积的多孔碳,并用其作为超级电容器的电极材料。详细讨论了稻壳热解产物中SiO2的分布状态的差异及其对于后续的KOH活化反应的影响。结果表明,选择性地除去无模板作用的SiO2,能够提升KOH的活化效率。通过该方法制备的多孔碳AC具有2756 m2 g-1的高比表面积和微孔、介孔大孔贯通的多级孔道结构,在1 M H2SO4电解液中表现出良好的电容性能,在电流密度为0.5 A g-1时的质量比电容为402 F g-1。4.采用尿素浸渍、高温炭化、溶出SiO2模板的方法制备了氮掺杂的稻壳基多孔碳。通过有机质的热解和SiO2的模板作用制造适中的比表面积和孔体积,以获得有较高的体积密度的多孔碳。尿素的热解引发美拉德反应,在碳骨架上引入可以产生赝电容的含氮官能团,在不牺牲体积密度的前提下得到高的比电容。该方法制得的氮掺杂多孔碳NPC同时具有高质量比电容242 F g-1和高体积比电容306 F cm-3(电流密度为0.5 A g-1),在便携式、小体积的超级电容器上具有很好的应用潜力。5.以制备木质素/SiO2杂化材料的残余物为原料,使用绿色可循环利用的NaCl/KCl盐在空气中活化制备多孔碳片PCS,用作超级电容器电极材料。产品呈现二维片状结构,比表面积可达977 m2 g-1,在电流密度为0.5 A g-1时的比电容为288 F g-1,并且有良好的循环稳定性。6.在连续的分离及制备反应后,将稻壳的半纤维素转化为木糖,木质素和SiO2转化为橡胶填料,纤维素转化为电极材料,所有组分都转化成了有价值的产品,实现了稻壳的综合利用。

关键词： 工程材料  

ISBN: (纸本)9787569516609

摘要： 本教材为本科生材料专业实验教材。内容分为两大部分: 一是材料物理性能的表征。如X-射线衍射、紫外-可见吸收光谱、霍尔效应、铁电性能等 ; 二是器件性能的测试。如太阳能电池伏安性能、液晶光电性能等。

关键词： 热电材料   Bi2Te3薄膜   纳米复合   脉冲电场  

摘要： 热电材料具有无噪音、易维护、寿命长、响应时间快等特点,可以将热能直接转换为电能,适用于低品位余热回收领域。在各种热电材料中,Bi2Te3材料化学性能稳定、热电性能优异,是目前商业化应用最为广泛的低温热电材料。然而,高性能Bi2Te3薄膜制备成本仍然较高,因此开展高效低成本Bi2Te3薄膜的研究至关重要。纳米复合是目前提高Bi2Te3薄膜热电性能的常用方法。但是,单一化纳米复合很难实现电导率、Seebeck系数和热导率的去耦合化调控,并且纳米复合界面产生的电荷耗尽层会阻碍载流子的迁移,限制纳米复合对热电性能的提升作用。针对纳米复合提升Bi2Te3薄膜热电性能的问题,本文提出了脉冲电场下二元复合方法,研究纳米孔和碳纳米管(CNT)二元复合对Bi2Te3薄膜微结构及热电性能的影响,阐明脉冲电场对纳米复合界面电荷耗尽层的作用及其与薄膜热电性能的关系,揭示电导率、Seebeck系数和热导率去耦合化调控的途径和机理。首先,研究强磁场和脉冲电场对Bi2Te3薄膜微结构及热电性能的影响,揭示外场处理对薄膜界面结构的调控机制,并得到提高Bi2Te3薄膜热电性能的最佳外场处理条件;其次,研究不同的纳米复合方式对Bi2Te3薄膜微结构及热电性能的影响,确定Bi2Te3薄膜的最佳纳米复合方式,以及电荷耗尽层对载流子迁移的作用效果,再利用脉冲电场处理复合薄膜,研究脉冲电场和二元复合对Bi2Te3薄膜微结构及热电性能的影响,揭示脉冲电场对电荷耗尽层的作用,探究热电参数的去耦合化调控提高Bi2Te3薄膜热电性能的机理。主要结论如下:(1)研究了强磁场和脉冲电场对Bi2Te3薄膜微结构及热电性能的影响。研究结果表明:12 T强磁场能够提高薄膜的功率因子,Bi2Te3薄膜功率因子在313 K时为2528 μW·m-1·K-2。但是,强磁场改变了薄膜的相组成,同时使表面形貌由球形变为扁平状结构。脉冲电场对Bi2Te3薄膜相组成、表面形貌等微结构的影响较小。当脉冲电流密度减小时,Bi2Te3薄膜缺陷含量减少,载流子浓度降低。随着脉宽的增加,脉冲电场会提高载流子迁移率。但是,脉宽过大时,Bi2Te3薄膜缺陷含量增加,载流子浓度增加。当脉冲电流密度为333.3 A·cm-2、脉宽为1.0 s时,Bi2Te3薄膜功率因子在313 K时最大(为1168 μW·m-1·K-2)。这为纳米复合Bi2Te3薄膜的脉冲电场处理提供了基础。(2)首先,研究了纳米复合对Bi2Te3薄膜微结构和热电性能的影响,研究结果表明:纳米孔和CNT二元复合Bi2Te3薄膜在313 K时具有最高的功率因子(845 μW·m-1·K-2),并揭示了复合界面产生的电荷耗尽层对提升载流子迁移率的抑制作用。进而,利用脉冲电场处理二元复合Bi2Te3薄膜。研究了脉冲电场对二元复合Bi2Te3薄膜微结构及热电性能的影响。研究结果表明:二元复合可以实现电导率、Seebeck系数和热导率的去耦合化。脉冲电场可以在复合界面促进原子扩散,消除电荷耗尽层对载流子的影响,使脉冲复合Bi2Te3薄膜迁移率达28.49 cm2·V-1·s-1,从而提高薄膜电导率和Seebeck系数,使功率因子达到4400 μW·m-1·K-2。此外,纳米孔结构增强了薄膜声子散射,使热导率为0.752 W·m-1·K-1,同时增加了冷热两端温差,使输出功率为951.20 pW。此时,脉冲复合Bi2Te3薄膜的ZT值在313 K时为1.83。

摘要： Austenitic stainless steels and cobalt-chrome alloys are used to fabricate biomedical devices with good mechanical strength, excellent wear and corrosion resistance. Cellular activity of Zr-modified Co-Cr-Mo alloys and osteoblast functions on Cu-containing and Cu-free austenitic stainless steel were studied. Experiments on the influence of Zr addition to Co-Cr-Mo alloys and Cu-containing austenitic stainless steel clearly demonstrated that cell adhesion, proliferation and cell-substrate interactions were favorably modulated in the presence of Zr and Cu. Additionally, stronger vinculin focal adhesion contact and signals associated with actin stress fibers together with extracellular matrix protein, fibronectin, were observed. Furthermore, comparative studies on the effect of grain size (nanograined/ultrafine-grained- NG/UFG: ~200-400 nm, coarse-grained-CG: ~55±20 µm) indicated higher cell attachment, proliferation and higher expression level of prominent proteins, fibronection, actin and vinculin on the NG/UFG surface and was in striking contrast with the CG counterpart. This behavior is attributed to the differences in the fraction of grain boundaries and physicochemical properties. A concept of a phenomenological parameter, microstructure entropy, S*, was developed using austenitic stainless steels as an example to understand the yield strength in alloy systems with bimodal grain size distribution obtained from large sets of experimental data. Six factors emerged from statistical data analysis in terms of grain size and grain numbers from 60 sets of data. Microstructure entropy (S*) was obtained from the bimodal structure data in a self-similar regime. Inverse of the square root of microstructure entropy (1/√S*) and yield strength exhibited a linear relationship. The proposed conceptual methodology has wide acceptance for any grain size distribution to obtain microstructure entropy (S*) of a specific grain structure and predict yield strength. A generic equation si

关键词： 有机固液相变材料   SiO2气凝胶   微结构控制   形状稳定能力   蓄热  

摘要： 近年来随着可持续发展观念的深入人心,对提高能源利用效率和开发可再生能源显得越发重要。在这样的背景下,有机固液型相变材料因其清洁,低廉,良好的热循环性能和高储能密度而引起了各界的广泛关注,尤其是在蓄热、废热能回收利用和温度控制领域,并且在过去的几十年中发展迅速。然而在实际的应用中,固液转变型相变材料在熔化过程中存在易于泄漏、体积变化大等问题,极大的限制了其应用范围。为了解决实际应用中的问题,通过将相变芯材填充到多孔材料中制备形状稳定的相变复合材料成为近年来的研究热点。其中,SiO2气凝胶的较高的比表面积,高孔隙率,低密度,良好的化学相容性,尤其是微观结构可控的特性,使其成为制备定形相变蓄热材料支撑骨架的最佳选择之一。以正硅酸乙酯为硅源,盐酸和氨水为催化剂,通过溶胶-凝胶法结合超临界干燥技术制备SiO2气凝胶,改变凝胶-凝胶反应过程中各组分配比、超临界干燥工艺参数及表面改性工艺研究其对制备SiO2气凝胶微观结构影响。结果表明,通过改变正硅酸乙酯、乙醇、水、酸碱催化剂之间的摩尔比,调节超临界干燥过程中保压时间、泄压速度、超临界干燥介质乙醇浓度,选取改性方式可以自由调节所得的SiO气凝胶的微观物理化学结构。成功制备出不同比表面积(200～1000m2/g)、不同纳米粒径(6～19nm)、不同平均孔尺寸(7～22nm)、不同孔容(2～4cm3/g)、不同孔隙形状、不同孔径分布以及不同表面化学结构的可控微结构SiO2气凝胶。在第二章SiO2气凝胶微结构控制的研究基础上,以不同比表面积、孔径、孔隙形状及表面化学结构的SiO2气凝胶为多孔支撑材料,石蜡为相变芯材,通过真空浸渍工艺制得一系列SiO2气凝胶/石蜡相变蓄热复合材料,研究支撑载体SiO2气凝胶微结构对相变蓄热复合材料相变行为、蓄热能力,导热性能及定形稳定能力的影响。揭示了孔径对实现良好的相变具有显着影响,并且获得了限于不同孔径范围中的石蜡的三种相变行为:限制在小孔径中的石蜡无法发生相转变行为,通常文献中称为“不冻层”;限制在较小孔径中的石蜡虽然也可以发生相转变行为,但相变行为不同于纯石蜡的相变行为,通常表现为严重的过冷现象;限制在较大孔径中的石蜡的相变行为不受影响。在蓄热能力方面,孔尺寸越大,比表面积越小,并且孔形状越倾向于窄缝类型,能量密度越高,得到的最大蓄热密度为200.9J/g。就形状稳定性能而言,具有烷基化表面化学结构、小的孔尺寸以及多样复杂孔形结构的SiO2气凝胶具有最佳的形状稳定性能。另外,通过增加比表面积并减小孔径还可以有效地提高SiO2气凝胶/石蜡相变复合材料的热能储存-释放速率。

关键词： 泡沫塑料   特点与应用   典型配方和工艺   品种与类别  

摘要： 文章叙述了泡沫塑料的历史、特点、典型配方设计和成型工艺、应用实例、广泛的用途、通用品种及类别。

关键词： 三维编织复合材料   力学性能   有限元方法   代理模型  

摘要： 三维编织复合材料以其高比刚度、高比强度以及优良的抗冲击,抗分层性能被广泛应用于航空航天领域结构之中。随着编织工艺的不断革新以及固化成型技术的持续发展,三维编织复合材料在一体化成型和大尺寸自动化编织上展示出得天独厚的优势。三维编织复合材料结构件能逐渐广泛应用的前提是对其力学性能进行准确的预测和分析,但是三维四向编织复合材料具有复杂的内部结构,为预测其力学性能以及损伤模式带来一定的挑战。本文针对通过分析三维四向编织复合材料编织过程中携纱器的运动轨迹,探究其空间纱线布局,基于微观尺度合理假设,建立了三维四向编织复合材料多尺度建模体系。在此基础上,基于周期性边界条件以及均匀化理论得到了有限元预测模型,并通过数学方法构建了三维四向编织复合材料力学性能代理模型得到更准确的预测结果。首先,基于针对三维四向编织复合材料的结构特点,在微观尺度下,通过合理假设,获得纤维束的微观模型,在细观尺度下分析编织工艺中携纱器的运动轨迹,得到纱线的空间结构,结合代表性体积单元理论,建立了能够表征三维四向编织复合材料内部结构的单胞模型。在此基础上,采用周期性网格对多尺度模型进行离散,引入周期性边界条件施加载荷,基于均匀化理论,建立了能够准确预测三维四向编织复合材料力学性能的有限元模型。其次,通过搭建三维四向编织复合材料单轴拉伸试验平台,讨论了试验得到的弹性模量以及力位移曲线,并通过分析试件的宏观断口形貌,确定三维四向编织复合材料的宏观破坏模式。最后,选定三个编织参数(内部编织角、纤维体积分数和纤维束截面短半轴)为变量,结合现有编织工艺确定参数域,采用拉丁超立方试验设计获得样本点,基于Diffuse Approximation方法构建了三维四向编织复合材料力学性能预测代理模型。通过分别对比代理模型与试验测量值、代理模型和有限元预测结果之间的误差,验证了代理模型的可靠性,并且基于构建的代理模型,详细分析了三个编织参数对三维四向编织复合材料力学性能的影响。

关键词： 齿轮接触疲劳   材料微观结构   晶体塑性   相成分   夹杂物  

摘要： 课题来源于国家重点研发计划项目“高性能齿轮动态服役特性及基础试验”(项目号:2018YFB2001300)及国家自然科学基金青年科学基金项目“基于细观力学与连续损伤的齿轮接触疲劳损伤演化机理研究”(项目号:51805049)。随着机械装备向高功率密度和高可靠性方向发展,齿轮接触疲劳失效问题逐渐成为限制装备可靠性和人机安全的重要瓶颈之一。在众多影响齿轮接触疲劳失效问题的因素中,材料方面的重要作用已被大量文献和工程实践所证实。除了已经被广为熟知的硬度、强度等因素外,影响齿轮接触疲劳性能的材料因素还包括材料晶体特征、夹杂和相成分等。这些因素相互影响并与工况、结构等因素耦合,形成材料-结构-工况要素体系,增大了齿轮疲劳失效机理的复杂程度。同时,由于齿轮接触疲劳发生在近表面或次表面局部区域,该区域材料点在服役过程中承受多轴时变应力-应变状态,这使得揭示齿轮接触疲劳失效机理更为困难。此外,采用试验方法探究材料因素对疲劳失效的影响具有试验周期长、成本高、检测困难尤其是在线损伤断裂检测能力不足等问题。因此,突破传统基于均质材料假设的齿轮疲劳分析方法的局限,基于晶体弹塑性理论建立齿轮材料微结构敏感的接触疲劳分析模型,研究晶体特征、相成分和夹杂物等材料因素对齿轮接触疲劳失效的影响,具有重要的理论价值和工程意义。本文针对某典型大型重载风电齿轮开展接触疲劳研究,建立包含材料晶体、相成分、夹杂物和硬度梯度等宏微观材料特征的多因素耦合齿轮接触疲劳失效分析模型,尝试从微观尺度揭示齿轮接触疲劳失效机理,为高性能齿轮的抗疲劳设计制造提供理论支撑。论文主要研究内容如下:(1)建立齿轮材料微观结构敏感模型。基于试验表征的结果对齿轮材料微结构进行建模,建模过程中针对该风电重载齿轮,考虑了由渗碳硬化带来的齿轮材料晶体几何和力学性能的梯度特征。建立了包含马氏体相、奥氏体相和非金属夹杂物的多相微观结构特征的齿轮接触疲劳分析模型。分析了材料微观结构模型的应力-应变场分布,并将模型结果与传统各向同性模型结果进行对比。(2)推导齿轮微观尺度接触疲劳损伤方程。基于晶体弹塑性理论,在微观本构关系中引入了滑移系背应力的演化,以考虑齿轮循环载荷条件对应力-应变响应的影响。基于Fatemi-Socie多轴疲劳准则,考虑齿轮服役过程中的多轴时变应力-应变状态,推导微观晶体层面上的多轴疲劳损伤公式。根据循环载荷作用下,滑移系上的应力-应变响应计算疲劳指示因子和疲劳损伤,从而评估齿轮接触疲劳失效。(3)研究渗碳硬化特征对齿轮接触疲劳的影响。分析了渗碳硬化特征带来的硬度梯度对齿轮抗接触疲劳性能的提升机理。结果表明,由于未渗碳硬化齿轮晶粒粗大,其最大疲劳损伤值和潜在失效位置都对齿轮材料的晶粒取向更为敏感,波动范围较大,易发生接触疲劳失效。渗碳硬化工艺通过提高局部晶体强度和晶粒的致密程度降低了齿轮在重载工况下的失效风险。(4)分析相成分和夹杂物对齿轮接触疲劳的影响。综合考虑由非金属夹杂物引起的循环疲劳损伤和棘轮损伤,分析夹杂物及其周围基体不同相成分对齿轮接触疲劳失效的影响。结果表明,在初始载荷循环内,奥氏体基体具有较高的棘轮损伤,而马氏体基体的损伤以疲劳损伤为主。次表面非金属夹杂物引起的棘轮损伤发生在与滚动方向成45°的位置,与文献中试验观测的“蝴蝶翼”吻合良好,表明棘轮损伤对“蝴蝶翼”特征形成的重要作用。