材料科学综合

焊接数值模拟中热源的选用原则

谷京晨，童莉葛，黎磊，等

摘要：焊接热过程是影响焊接质量和生产效率的主要因素之一。焊接热过程的数值模拟是焊接方法合理性分析、焊接工艺参数优化，以及焊接冶金分析和动态应力分析的前提与基础。诸多因素，例如网格结构和尺寸、时间和空间差分方法和解析度等等都会影响焊接热过程模拟结果的精度。热源模型的选择是焊接热过程数值模拟的基础，热源模型的选择直接影响着模拟结果的准确性。本文在仔细分析各种热源模型的基础上，综述了焊接数值模拟热源模型的研究进展，分别对集中热源模型、平面热源模型、体热源模型和组合热源模型的优缺点以及适用范围进行分析，发现（1）集中热源模型假设焊接热过程只考虑扩散项作用而忽略对流项影响，从而忽略了熔池流动对传热的影响。因此，集中热源模型仅适合于远离熔合线的低温区域的能量方程计算，或对焊炬附近温度分布结果精度要求不高的情况下使用。对于焊接热源的分布规律分析，集中热源模型的精度较低。（2）以高斯热源模型为代表的平面热源模型，通过高斯函数描述了焊接热源的分布。其对称性假设限制了平面高斯热源模型仅适合于低速焊接过程的数值分析计算；通过考虑焊炬移动对热源分布的影响，提出了双椭圆热源模型，但因随后双椭球模型的提出，应用并不广泛。（3）体热源模型的提出解决了二维热源模型在熔深方面的问题。其中最为简化的形式为均匀体热源模型。均匀体热源模型在电弧冲击和熔池深度较小的情况下，具有较高的精度。但由于实际热源中电弧热量分布不均，故均匀热源模型常与平面热源结合作为组合热源来使用。通过考虑熔池形状以及焊炬热源分布特点，提出了半球状热源模型，但实验结果表明，焊接热源分布并不是理想的半球型，因此又提出了旋转高斯体热源模型。高斯热源模型充分考虑了熔深对焊接热过程的影响，因此对于“钉子”型焊缝计算取得较好的结果。但是对于CO2气体保护焊等焊接方法，焊缝前后实际温度并不对称，因此提出了双椭球热源分布模型以充分考虑不同方向（焊接方向和垂直焊接方向）上熔宽的影响。（4）实际上熔池表面由于受到电弧辐射，等离子风曳力等因素的影响，其与熔池内部的热源分布存在一定差异；另一方面，对于熔化极焊接方式，体积分布热源并没有考虑其熔滴热焓对热源分布的影响。由此又衍生出组合型热源模型，即人为的将总能量输入分为电弧部分和熔滴部分，分别根据不同部分的热流分布特点选取不同的热源模型并将其加以组合。最后总结了热源模型的选用原则，提出了不同焊接方式、不同焊件厚度热源模型维数选用方法，即根据焊接方式、焊接厚度和焊道数选择热源维数。其次，根据焊接速度的不同选择具体的热源模型，当焊接速度较低时，焊接热源可近似认为是对称分布，则可以采用二维高斯热源以及三维的高斯旋转体或对称组合热源，但当焊接速度较快时，则需要采用非对称的热源模型或非对称组合热源模型。文章指出，建立更精确的三维热源模型，从而分析焊接熔池的熔化与凝固过程，已成为焊接数值模拟热源模型的发展方向。

来源出版物：材料导报, 2014, 28(1): 143-146

入选年份：2016

生物结合料共混沥青的路用性能试验研究

廖晓锋，雷茂锦，陈忠达，等

摘要：目的：目前在沥青路面中所使用的结合料大都为从原油中提炼的石油沥青，由于过度开采和使用，石油资源将逐渐枯竭。石油资源的现状和环境发展问题迫使道路研究者不断寻找石油沥青结合料的替代材料。由于生物能源较化石能源相比有可再生性、环保性和经济性等特点，国内外普遍认为是解决今后能源短缺的主要方法。方法：以生物结合料为原料，采用高速剪切法制备了不同质量共混比例（0%、5%、10%、15%、20%）的生物沥青共混物并进行结合料室内试验研究，通过沥青三大常规指标试验、DSR试验、BBR试验和重复蠕变恢复等试验进行路用性能的综合评价。试验原则为（1）以石油沥青及沥青混合料评价体系和试验方法为指导，综合评价生物结合料及混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性等路用性能；（2）以部分替代、稀释或改性石油沥青为原则，将生物结合料与石油沥青或改性沥青按照一定比例和工艺混合制备得到生物沥青共混物，研究不同掺量条件下沥青及沥青混合料的路用性能。结果：生物结合料共混沥青室内试验结果为（1）沥青3大常规指标试验。针入度随生物结合料含量的增加而增加，软化点随生物结合料含量的增加而降低，延度随生物结合料含量的增加而增加。从沥青3大指标结果表明，生物结合料由于总体强度偏小，在共混后将使原有沥青强度出现一定程度的下降，导致针入度增加和软化点降低，但延展性得到了显著提高，延度试验结果有较大的提升。（2）DSR试验。各种结合料的疲劳因子均随温度的降低而增大，各种原样的疲劳因子临界温度次序为基质沥青AH-50＞生物结合料＞SBS改性沥青，AH-50沥青共混物的临界温度随生物结合料含量增加而降低，与SBS改性沥青共混物的临界温度随生物结合料含量增加而增加，这表明生物结合料的抗疲劳性能处于两者之间。（3）BBR试验。AH-50基质沥青中加入生物结合料后，沥青Superpave低温性能分级有了很大幅度的提升，AH-50原样只满足了－12℃的低温等级，但加入20%后可满足－24℃的低温等级，表明随着生物结合料比例的增加，共混物低温抗裂性能显著增加，表现为BBR试验的蠕变劲度S减小和m值增加，这与低温延度试验结果相吻合。（4）重复蠕变恢复试验。随着生物结合料比例的增加，重复蠕变劲度Gv值有明显减小，表明其抗车辙能力有一定程度的下降，这与针入度、软化点和车辙因子等试验结果是一致的，同时在SBS改性沥青共混了20%生物结合料条件下Gv值仍大于AH-50，表明聚合物改性材料与生物结合料在剪切乳化加工后可形成良好的复合改性共混结构形式，使得生物沥青结合料高温性能在一定程度上满足要求。结论：（1）由于化学组分和物理性质的相似性，采用高速剪切和发育的共混方法可有效地使生物与沥青结合料形成共混体系，试验结果呈现较好的规律性；（2）生物结合料强度和高温性能劣于常规沥青，二者共混后高温稳定性有所下降，但在适当添加量情况时性能下降并不显著；（3）生物结合料的中等温度疲劳性能介于SBS改性沥青和基质沥青之间，共混后可有效提高基质沥青的疲劳性能；（4）生物结合料具有良好的低温抗裂性，添加适量的生物结合料能显著改善常规沥青的抗裂性，可作为改性添加剂使用；（5）就当前生物质产业而言，生物结合料在一定比例地替代石油沥青在技术上是可行的，不仅具有较好的使用性能，而且节约不可再生资源，可带来显著的经济效益。

来源出版物：材料导报, 2014, 28(2): 144-149

入选年份：2016

贵金属基电接触材料的研究进展

溥存继，谢明，杜文佳，等

摘要：常用的电接触材料可分为3大类：纯金属电接触材料、合金电接触材料和复合电接触材料，现阶段应用最广泛的电接触材料为贵金属基电接触材料。目前，已研制出的贵金属基电接触材料可以分为4个系列：金基电接触材料、银基电接触材料、铂基电接触材料和钯基电接触材料。文章介绍了贵金属基电接触材料的种类、特点及应用范围，分析了国内外贵金属基电接触材料的使用条件及各种制备技术的优缺点。金具有突出的电接触特性，还具有良好的导电性、低屈服点和低弹性模量，且不易形成具有高接触电阻的氧化、硫化或者有机物薄膜。这些特性保证了金的接触稳定性，使得金可作为低接触压力和弱电流条件下的接插件或接触点材料。目前，已研制出5个系列的金基电接触材料：Au-Ni系，Au-Mo系，AuAgCd、AuAgIn、AuAgCdIn系，AuFeNi系和AuAgFeNi系。在电接触材料中，银基电接触材料由于具有良好的导电导热性、抗熔焊性、耐侵蚀及耐磨损等优良力学性能，获得了深度的发展和最广泛的应用。文章重点介绍了发展前景较好的4个系列（Ag-C系列、Ag-Ni系列、Ag-MeO系列和Ag-WC系列）银基电接触材料的各项性能指标、工作原理及应用方向。在电触头材料中，当同时被要求满足化学性能绝对稳定和抗烧损强度大时，铂族金属就起到了无可替代的作用。作为触头材料的铂基合金主要是PtIr10合金，其特点是抗电侵蚀性能好，不易生弧。钯基合金触头材料主要是PdAgCO35-5、PdAgCu20-30和PdAgCu36-4等，它们可用作断开触点和滑动触点。文章最后道出了电接触材料先进制备技术的研发方向，并指出了贵金属基电接触材料具有向多元化发展的趋势，新材料、新工艺、新技术的应用将会促使电接触材料快速发展。

来源出版物：材料导报, 2014, 28(7): 22-25

入选年份：2016