超常物理场下材料制备机械的基础研究_钟掘

林,必须提高产品的使用寿命及其可靠性。

目前,一些先进工业国家都把预定寿命下结构主动可靠性设计理论与失效智能在线预示技术,作为一项重要的系统工程进行研究,以产品使用寿命高、安全、可靠占领国际市场,赢得客户信赖。

美国的大公司(如飞机、汽车、核电站、压力容器等行业的公司)都制定了寿命可靠性设计准则。

根据美国和欧共体的权威机构统计[3,4],世界每年由于疲劳失效造成的损失高达国民经济产值的3%～4%。

美国目前仅从疲劳/断裂分析一项中所取得的经济效益每年便可节约几亿美元。

我国仅以发电设备利用率来计算,如果每年设备利用率提高1%,就可创造出30亿元～40亿元的产值。

因此开展机械结构全寿命主动可靠性设计理论与失效智能在线预示技术的研究,提高产品设计水平和质量,延长使用寿命,提高可靠性,降低制造成本,可取得巨大的经济效益和社会效益。

这是我国机械工业增强产品竞争能力,打开国际市场的必由之路。

参考文献:[1]　高镇同,熊俊江.疲劳/断裂可靠性研究现状与展望.机械强度,1995,3(17):61～78[2]　储佳章,王建一.学科交叉融合寿命定量设计——我国机械设计的当务之急.中国机械工程,1998,11(9):1～2[3]　李凝.借“国际疲劳大会”东风赶超世界先进水平.科技日报,1999-06-28(5)[4]　邵奇惠.提高产品的可靠性迎接21世纪挑战.中国机械工程学会会讯.北京,1999,6:3～4(编辑　华　恒)作者简介:高镇同,男,1928年生。

北京航空航天大学(北京市　100083)固体力学研究所教授、中国科学院院士、著名结构疲劳可靠性专家。

建立了疲劳统计学分支学科,建成了现代结构寿命可靠性评定专家系统。

发表论文60余篇,专著6部。

获得国家级科技成果奖4项,部级科技成果奖9项,国家级教学成果奖1项,并荣获全国教育系统劳动模范称号。

阎楚良,男,1947年生。

北京机械结构强度研究中心(北京市　100083)总工程师、教授级高工、博士研究生导师。

文章编号:1004-132Ⅹ(2000)01-0055-04超常物理场下材料制备机械的基础研究钟　掘　院士钟　掘 摘要:当今世界经济发展,要求材料性能和成本不断超越人们已有的知识和想像力。

材料制造业努力探求以低成本制造出满足现代社会需求的各种优异性能的材料,并形成几个具有重要时代特征的发展趋势,如创造载有超常物理环境的设备,以便制备出具有超常的组织结构和使用性能的材料;突破传统加工的物理界限,将材料制备中的融熔、凝固、塑性变形、热处理等各物理过程最大限度地集于一连续瞬态过程;材料制备过程向高速、重载、高精度在线控制方向发展等。

因此,必须将当代相关领域的最前沿技术进行集成与融合,创造出能产生与承载超常物理场,且在复杂耦合作用下稳定高效运行的新概念材料制备机械。

据此,提出一些有待研究的新课题。

关键词:界面;超常物理场;材料制备;功能材料中图分类号:T H 14 文献标识码:A1　材料制备机械的时代需求在科学技术与经济发展的历史长河中,人类创造出种种不同的工具与方法,制造出性能迥异的各种材料。

材料和它的制造业成为人类社会发收稿日期:1999—12—01基金项目:国家自然科学基金资助项目(59835170)展的支柱和推动力。

当今世界的多元竞争与人类对生活的美好追求,要求材料性能和成本不断超越人们已有的知识和想像力。

比如,隐形功能材料、IC 技术的半导体材料、能源材料、减振阻尼材料、占航天航空用材70%的超强铝合金等;又比如,金属箔材要求制备到4～5μm,电子箔材要求材料微取向达到95%的一致,而深冲板材各向异性在1%以超常物理场下材料制备机械的基础研究——钟　掘上;巡航导弹的铝合金壳体要求在3马赫低空飞行的高温下仍然保持200M Pa以上的强度,现代武器要求极好的比强度(轻而强度高),因为每减轻1kg,导弹可多飞行10～20km,等等。

材料制造业努力探求以低成本制造出满足现代社会需求的各种优异性能的材料,形成几个具有重要时代特征的发展趋势:(1)创造载有超常物理环境的设备,制备出具有超常的组织结构和使用性能的材料　对热能与机械能的应用量级不断要求突破已有的技术极限,电磁能、微波、化学能、生物能等多种超越传统领域的能量形式正被相继引入到材料的制备与加工过程,而创造出一些能量形式密集的高强场制备机械。

(2)突破传统加工的物理界限,将材料制备中融熔、凝固、塑性成形、热处理等各物理过程最大限度地集于一连续瞬态过程,而获得材料的高性能与高效益　如超薄快速铸轧、动态凝固连续成形、喷射沉积、超塑性成形、注射成形等近终成形材料制备技术;高能束流加工制备、摩擦材料加工制备等特种材料制备新技术与设备。

(3)材料制备过程向高速、重载、高精度在线控制方向发展　如轧制速度可达130m/s,变形单位压力可达300M Pa,产品尺寸精度达0.1μm,形状精度达1I,性能精度达0.1M Pa等[1,2]。

基于上述特点,新概念的材料制备机械必须将当代相关领域的最前沿技术进行集成与融合,创造出能产生与承载超常物理场,且在复杂耦合作用下稳定高效运行的材料制备机械。

2　高性能材料制备机械的功能分析新概念材料制备机械需要具有一些超常的功能:(1)具有产生、承受与传递超常物理场的能力　以提供新材料制备所须的超常物理环境。

比如,工作界面冷却速度超过104～106K/s的高梯度温度场、施加在凝固—变形前沿的行波与脉冲复合、频率随机交变磁场、材料成形施载界面的超强接触应力场、宽厚比极大的熔融金属流场、大体积凝固中的超声外场、粉末金属微波加热外场等。

(2)具有在特殊临界状态下的工作能力　以保证制备机械系统在条件和多场耦合作用下具有高稳定性和保持理想的工作状态。

比如,多场耦合在产生主体新功能的同时必定产生某些高阶耦合,甚至诱导系统失稳。

机械设备必须对此具备承受与抑制能力:高速超薄轧制时,边界润滑状态下的轧机颤振抑制能力;在大摩擦系数条件下的自激振动(负阻尼)的抑制能力;柔性连接的多驱动平行轴系的协同与扰动下的工作稳定性等。

(3)具有精良控制制备过程的能力　以保证获得高质量、高性能的材料。

比如,溶体洁净化、结晶状态、加工速度、载荷与温度、产品尺寸与形貌、金属塑变微取向、材料微观组织结构、多参数的协同与解耦等参数与过程的在线调控能力,并且需要在毫秒级时间内响应,才能保证性能与形状精度控制在1/1000～1/10000误差范围内。

3　超常物理场下金属材料制备机械的科学问题与研究内容——基于微尺度与弱过程机理的机械设计理论3.1　超常物理场在载体设备中的生成机理与承受机理研究创造出具有超强物理场的材料制备机械需要认识一些基本问题:机械零件多载体间高热流密度瞬间热传递机理[3];冷却介质具有超强热传导能力的流态规律;磁场形态与场强对材料结构与性能影响的物理本质及超常磁场的生成理论与装备;高势能热场、强应力场及复合磁场载体的热疲劳、热磨损及其延寿机理;建立超常外场的动态模拟系统,探索实现高性能材料制备的多物理场耦合调控规律。

3.2　超常物理场下材料制备机械中特殊界面的热物理学、力学与摩擦学问题(1)多相界面温度场—应力场耦合传热机理　熔融金属通过瞬态凝固并在液固临界状态下进行连续大变形可获得全新的组织结构,此时的材料制备环境存在高热流密度和塑性流变耦合条件下工作界面热阻动态变化现象,从微尺度上研究其热传导与转化机理是创造具有高导热能力制备机械的基本理论问题[4,5]。

(2)金属材料制备机械塑性流动界面的摩擦约束机理研究　材料制备机械的工作机构和工件界面由于塑性流动而具有十分复杂的耦合关系,由运动速度、载荷、热力过程、工作机构的弹性、工件的塑性、界面粘滑动力行为与部分流体润滑等决定的界面状态形成材料制备机械系统特有的摩擦约束机制[6]。

这种约束呈强非线性,在工艺强化的情况下,约束极易被破坏,并可能诱导系统动力失稳,如高速轧制界面的大面积粗糙峰接触、中国机械工程第11卷第1-2期2000年2月粘滑与部分流体润滑的动力行为,使系统产生“幽灵”振动的机理[7];高速大载荷运行条件下极光滑表面边界润滑环境对旋转体的约束机制及失稳条件;不断产生新生表面的界面物理化学行为与润滑膜的吸附、流变特性和机械运行宏观参数的关联及约束机制;高载荷、大变形条件下界面摩擦学参数与界面热力、动力行为相关规律等。

(3)超强压力场下的多体非线性接触问题研究　在大面积上形成超强压力场是金属物理冶金装备的基本功能,也是大型结构件(如航天、洲际运载工具、汽车以及大型飞机等)一次成形所需,构筑超强压力场的能力几乎是国家制造能力的重要反映,是自主国防的基础。

稳定的超强压力场常常由一封闭的力系产生。

构筑封闭力系的机械结构各构件在强大力流的作用下,紧密压靠,产生强烈的多体非Hertz型的摩擦接触,其后果是导致大型零件的局部永久变形和损失零件的制造精度[8]。

此问题涉及到研究接触界面高压力下的摩擦、三维多体的力—位移混合解法。

通过对工程中伴存摩擦的非Hertz应力,非线性型多体接触力学行为与非线性接触疲劳机制的研究,将为超强压力机械设计提供理论依据。

3.3　超强压力场下多滑动副结构偏载时的载荷分配规律一般结构超静定时,约束点的载荷分配由结构变形协调条件决定。

但是,对于超强压力场下平面内变形超静定,且在第三个方向有滑动自由度的大型结构,变形协调条件将不能确定载荷的分配规律,滑动副上的接触状况,则成为问题的关键[9]。

必须对滑动副的接触、爬行、摩擦力、整体变形协调关系进行研究,为大型压力机结构受载分析提供理论依据。

3.4　金属材料制备系统中多物理场交互作用及稳定性研究高速大生产流程金属材料的制备其内含的物理状态不断被推向技术极限,材料制备系统的功能相应极为丰富,系统结构也愈趋复杂,某些行为表征愈益呈现明显的多因果关系,如高速轧机中轧辊的任一瞬间状态都是由弹性运动与变形、金属塑性流动、传热过程、润滑介质流体动力、界面化学物理分子作用等综合影响的结果,而其中的任一物理参量的扰动,都可能导致轧辊运行失稳。

如界面中部分弹流膜可能在应力场、流场、温度场的作用下产生油膜失稳,力场与电磁场由于相互激化而使系统出现某类难于控制的不良振动(如混沌振动或自激振动等),这都将影响制备材料质量。

因此本问题将从制备执行机构的宏微观运动状态分析入手,以网络拓扑理论、大系统分析方法为手段[10],研究系统在超常物理场下材料制备过程的多物理场交互作用机理及其对制备系统稳定性和材料质量影响的规律。

目的是以新的视角,提出超常物理场下金属材料制备系统的设计思想、原理和方法(包括建模和仿真,如对制备界面加工过程的流场、温度场、应力场、微观组织及机械性能等进行三维模拟和仿真),以期找到一种能高效率地获得功能和品质极为优异的材料的方法。