International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials

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2024, 31(8): 1767-1787. doi: 10.1007/s12613-024-2929-1

中文摘要(680) PDF(91) SpringerLink

摘要:
强度理论是土木、水利、机械、航空、军工等工程材料强度计算和设计的基础理论，因此，开展岩土材料广义非线性强度理论(GNST)研究对工程岩体强度的构建具有重要参考意义。为探索复杂应力路径下岩土材料的非线性强度特征，本文开展了岩土材料GNST的综述工作。首先，系统地阐述了GNST(包括经典和经验准则)的研究进展；然后，介绍了笔者近5年开展的GNST最新研究工作，提出一种真正意义上的广义三维非线性Hoek‒Brown准则(NGHB准则)，该准则可退化为现有的3种修正HB准则，且具有良好的预测性能，6种完整岩石和2种原位岩体的强度预测误差分别在2.0724%~3.5091%和1.0144%~3.2321%的范围内；最后，论述了GNST的发展和展望，提出了构建岩体强度指标以及确定原位工程岩体强度的新课题，开展GNST综述为构建原位工程岩体强度提供理论溯源和优选。

研究论文

炮孔内两端起爆爆炸波动场与破岩效果分析

杨仁树, 左进京, 马利伟, 赵勇, 刘朕, 谢全民

2024, 31(8): 1788-1798. doi: 10.1007/s12613-024-2830-y

中文摘要(367) PDF(36) SpringerLink

摘要:
爆破工程中起爆点的位置和数量在一定程度上决定了爆炸应力波的传播方向和爆破效果。本文建立了相向两列爆炸冲击波碰撞模型，得到碰撞面上的冲击波强度大于两列冲击波的强度之和，在碰撞处，随着波阵面粒子速度的减小，动能转化为势能，波阵面压力升高，破岩能力提高。分析了碰撞过程中爆炸冲击波与爆生气体的演化特征，叠加区域冲击波扩展形态为哑铃型，碰撞区域的冲击波速度大于径向冲击波速度。据此建立了叠加区域炮孔壁受力模型，拟合了叠加区域孔壁应力与爆炸冲击波传播夹角的关系，发现孔壁的叠加应力约为单列爆炸冲击波入射应力的1.73倍。模型试验与数值模拟结果表明，在叠加区域炮孔壁上形成大尺度径向断裂裂纹，且呈现由宽变窄的路径变化，强冲击导致的大尺度径向裂纹宽度约为炮孔长度5%。根据孔壁受压特征，将炮孔壁分为未叠加区、弱叠加区、强叠加区，强叠加区域的峰值压力均值为弱叠加区域的1.48倍，为未叠加区域的1.84倍。

研究论文

陡倾结构矿山分段崩落法开采覆岩大规模破坏的数值模拟和理论研究

夏开宗, 司志伟, 陈从新, 李小双, 邹俊鹏, 袁家好

2024, 31(8): 1799-1815. doi: 10.1007/s12613-024-2838-3

中文摘要(349) PDF(23) SpringerLink

摘要:
陡倾结构金属矿山地下采动引起的地表移动范围往往远大于设计圈定的范围，严重威胁矿山安全生产、周边环境和人民生命财产安全。项目依托湖北程潮铁矿和金山店铁矿等陡倾结构金属矿山，建立陡倾结构金属矿山的地质结构概化模型，采用理论分析和数值模拟研究了分段崩落法采动效应下陡倾结构金属矿山覆岩变形破裂演化机制，并基于极限平衡理论，推导出了金属矿山围岩中的陡倾叠合悬臂梁在弯曲倾倒破坏或者剪切滑移破坏状态下侧面的法向力表达式。研究结果表明：1)陡倾结构金属矿山地表位移曲线表现出显著的阶梯状特征，岩层破坏表现为叠合特征；2)陡倾结构金属矿山往往在稍远离采空区的某个叠合岩层首先发生破坏，然后陡倾叠合岩层随着矿体的开挖不断地往上远离采空区和往下靠近采空区方向发生破坏，直到在深部形成一条贯通于采空区的大规模深部破裂面，破裂面往往与陡倾岩层层面法线方向夹角在12°–20°之间；3)陡倾结构金属矿山叠合岩层不断地向外发生破坏而使得岩层移动不断地向外传递的效应，使得陡倾结构金属矿山岩层移动范围过大，往往大于设计圈定的岩层移动范围；4)分段崩落法开采效应下陡倾结构金属矿山岩层破坏模式主要表现为弯曲倾倒破坏，靠近采空区的陡倾结构岩层则主要表现为剪切滑移破坏，其力学模型可以简化为陡倾叠合悬臂梁，通过不断地迭代计算，可以得到分段崩落法开采陡倾结构金属矿山岩层破坏的范围和稳定性判据。

研究论文

浮选过程中的一种基于改进的 U-Net++ 语义分割的泡沫速度测量方法

陈一玮, 徐德刚, 万坤

2024, 31(8): 1816-1827. doi: 10.1007/s12613-023-2787-2

中文摘要(474) PDF(43) SpringerLink

摘要:
在浮选过程中，泡沫图像的特征参数和精矿品位和对应工况高度相关。在不同的工况下，气泡的颜色、大小等静态特征和速度等动态特征有着明显的区别。这些特征的提取通常依赖于泡沫边缘的图像分割结果，因此泡沫图像的分割是研究其视觉信息的基础。同时，由于缺乏科学可靠的带标签的训练数据，且必须手动构建数据集和标签，这给矿物浮选研究带来了困难。为解决这一问题，本文构建了钨精矿浮选图像数据集，并提出了基于cGAN 的数据增强网络和基于 U-Net++ 的泡沫图像分割网络。本文测试了该算法的性能，并与其他算法进行了比较。最后，还基于语义分割的结果，提出了基于相位相关的泡沫流速特征检测方法。

研究论文

胶质芽孢杆菌浸出石煤钒矿中钒的影响因素与机理

董颖博, 昝金雨, 林海

2024, 31(8): 1828-1838. doi: 10.1007/s12613-024-2836-5

中文摘要(388) PDF(19) SpringerLink

摘要:
微生物浸矿技术具有工艺简单、绿色环保、适于处理低品位矿石等优势。本论文系统研究了胶质芽孢杆菌浸出石煤钒矿中钒的影响因素与浸钒机理。通过静态浸出试验，优化得到了胶质芽孢杆菌浸钒的适宜条件为：固液比10 g⋅L⁻¹、每100mL培养液1mL菌种接种量、反应温度30°C、蔗糖添加量20 g⋅L⁻¹、摇床转速180 r⋅min⁻¹。研究发现胶质芽孢杆菌对石煤中钒的浸出包括直接作用和代谢产物的间接作用，且间接作用贡献率更大，为73.8%，菌种代谢产物柠檬酸、草酸等通过酸解和络合作用实现了钒的浸出。此外发现，石煤能够促进胶质芽孢杆菌体内碳酸酐酶的催化活性，酶活性提高了1.335–1.905 U，而酶活性的提高进一步促进了代谢物有机酸的产生，总有机酸含量增加了39.31 mg⋅L⁻¹，使浸出体系pH值降低了2.51，营造的酸性体系更有利于促进石煤中钒的浸出。

研究论文

FeV₂O₄和FeCr₂O₄的非等温氧化动力学与反应机理研究

向俊一, 陆曦, 白路伟, 饶鸿儒, 刘胜, 黄青云, 张生芹, 裴贵尚, 吕学伟

2024, 31(8): 1839-1848. doi: 10.1007/s12613-024-2851-6

中文摘要(501) PDF(45) SpringerLink

摘要:
钒铁尖晶石（FeV₂O₄）和铬铁尖晶石（FeCr₂O₄）的高温氧化行为对尖晶石类新能源材料在高温环境下的服役性能具有显著影响，同时对钒渣及高铬钒渣中钒铬的清洁提取研究也具有重大意义。因此，本文通过高温固相反应方法合成了FeV₂O₄和FeCr₂O₄材料，并利用热重分析法和高温原位X射线衍射技术（XRD）研究了两种材料在空气气氛下的非等温氧化行为。通过Kissinger-Akahira-Sunose (KAS)法和Malek法分别计算了两种材料氧化反应的表观活化能和机理函数。结果表明，FeV₂O₄和FeCr₂O₄的氧化表观活化能均随转化率的提升逐渐增大，且FeV₂O₄的表观活化能显著高于FeCr₂O₄。两者在氧化机理上均呈现出复杂性，氧化过程均可细分为四个反应阶段。其中FeV₂O₄的整个氧化过程符合化学反应模型，而FeCr₂O₄的氧化过程则逐渐从三维扩散模型过渡到化学反应模型。高温原位XRD结果进一步表明，FeV₂O₄和FeCr₂O₄在氧化过程中均生成了大量中间产物。对于FeV₂O₄，其最终氧化产物为FeVO₄和V₂O₅；而对于FeCr₂O₄，其最终氧化产物为Fe₂O₃和Cr₂O₃。

研究论文

含硫钢凝固过程中MnTe夹杂物的临界析出行为

徐翔宇, 张璐, 王梓菲, 田钱仁, 付建勋, 王学敏

2024, 31(8): 1849-1857. doi: 10.1007/s12613-023-2757-8

中文摘要(599) PDF(17) SpringerLink

摘要:
碲处理技术是硫化物改质的有效方法，碲在含硫钢中通常以在硫化物中固溶和MnTe析出的两种形式存在。然而，MnTe析出会降低材料的热塑性和耐蚀性。因此，碲处理技术在实际工业应用中，大多情况下并不期望MnTe析出。解析碲化锰临界析出行为是碲处理技术推广应用涉及的关键科学问题。本文通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、机器学习和第一性原理计算研究了MnTe夹杂物的临界析出行为。发现MnTe夹杂物优先在球状硫化物的容器口以及棒状硫化物晶界与钢基体界面交合处析出，形成MnS–MnTe复合夹杂物。MnS–MnTe复合夹杂物的相界面为半共格界面，界面处存在NaCl结构周期性变化的成分过渡带，以维持半共格界面。随温度降低，MnTe夹杂物在含硫钢中的临界析出行为可划分为三个阶段：第一阶段，Mn(S,Te)在凝固过程中析出；第二阶段，由于Te在MnS中的固溶度降低，NaCl结构的MnTe从Mn(S,Te)中析出，形成MnS–MnTe复合夹杂物；第三阶段，MnS–MnTe复合夹杂物中的MnTe由NaCl结构转变为六方NiAs结构。含硫钢中MnTe夹杂物的临界析出行为与MnS的析出温度有关。随着MnS析出温度升高，临界Te/S质量比降低。因此，含硫钢工业生产中碲的经济添加量，应按照MnS析出温度和S含量两个方面进行确定。

研究论文

石墨片表面熔盐合成TiC涂层的生长动力学

史晓宇, 郭冲霄, 倪佳苗, 姚松松, 王立强, 刘悦, 范同祥

2024, 31(8): 1858-1864. doi: 10.1007/s12613-023-2749-8

中文摘要(405) PDF(24) SpringerLink

摘要:
碳纤维，石墨等碳基材料具有密度小且在高温下仍具有高机械强度的特点，因而在极端环境和超高温部件中得到广泛应用。然而，碳基材料在极端服役条件下的抗氧化性能较差，通常需要进行表面防护。其中，难熔碳化物因具有极高熔点且与碳基材料化学适配度高等特点而广泛作为碳基材料的表面改性涂层。本文采用熔盐合成（MSS）法在石墨基体表面制备碳化钛（TiC）涂层，研究了熔盐合成过程中的反应动力学。扫描电镜表征（SEM）、X射线衍射（XRD）与理论分析结果表明，TiC涂层的生长动力学由碳（C）在TiC涂层中的扩散速度决定。与此同时，钛粉（Ti）通过液相传质参与反应，且其扩散距离及含量会影响TiC两侧的C浓度梯度进而影响反应速率。此外，通过分析TiC涂层厚度与热处理时间和温度的关系，发现TiC厚度与热处理时间呈抛物线关系，且在700–1300°C的范围内熔盐反应的活化能约为179283 J·mol⁻¹。在此基础上，本文结合扩散动力学模型提出了石墨表面熔盐生长碳化物的动力学方程。上述结果为理解MSS过程中碳化物涂层的生长机制及其可控制备提供了理论依据。

研究论文

添加Cr和Si元素对热成形钢力学性能和抗氧化性能的影响

朱蓉, 杨永刚, 张保忠, 张博睿, 李雷, 吴彦欣, 米振莉

2024, 31(8): 1865-1875. doi: 10.1007/s12613-023-2796-1

中文摘要(867) PDF(48) SpringerLink

摘要:
热成形钢因其超高强度、高尺寸精度和低回弹等优点，被广泛应用在车身结构件上。然而，热成形钢在热冲压成形的转移过程中会出现表面氧化的问题，虽然通过Al–Si涂层和Zn基镀层可以减少氧化，但是存在降低弯曲断裂应变、高成本和液态金属脆化开裂等问题。本文在传统22MnB5钢的成分基础上添加Cr和Si元素，保证力学性能满足要求的前提下，实现热成形钢抗高温氧化性能的大幅提升。借助拉伸试验机研究Cr–Si合金热成形钢和22MnB5钢在热成形后的力学性能，并通过扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪对两种热成形钢的表面氧化层形貌、相组成和截面氧化层形貌进行探究。结果表明，Cr–Si合金热成形钢的组织由板条马氏体、M₂₃C₆碳化物和残余奥氏体组成。残余奥氏体和碳化物是热成形钢延伸率提高的原因。此外，在930°C氧化5 min后，Cr–Si合金热成形钢的氧化层厚度小于5 μm，远低于22MnB5的氧化层厚度（约45.50 μm）。Cr–Si合金热成形钢的氧化层由Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeCr₂O₄和Fe₂SiO₄的混合尖晶石氧化层、无定形SiO₂组成。添加Cr和Si元素可以显著减少氧化层的厚度，并防止FeO相的生成。内氧化层中FeCr₂O₄和Fe₂SiO₄尖晶石氧化层占比的提高和靠近基体的无定形SiO₂的生成有利于Cr–Si合金热成形钢抗氧化性能的提升。

研究论文

新型镍基高温合金在应力退火过程中的微观结构和性能演变

贾雷, 崔衡, 杨树峰, 吕少敏, 谢兴飞, 曲敬龙

2024, 31(8): 1876-1889. doi: 10.1007/s12613-023-2779-2

中文摘要(583) PDF(27) SpringerLink

摘要:
本文通过扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和电子背散射衍射（EBSD）研究了GH4151合金在不同退火温度下的残余应力降低、析出演变和力学性能。结果表明，退火处理可以有效地减小残余应力。随着退火温度从950°C增加到1150°C，大部分残余应力从60.1 MPa降至10.9 MPa，并且相应的应力松弛机制由位错滑移主导转变为位错滑移和晶界迁移共同作用。同时，退火处理促进了Laves相的分解，伴随着μ-(Mo₆Co₇)的析出，起始温度为950°C，在1050°C达到最大值。退火后，合金在1150°C具有最大的抗拉强度和塑性（1394 MPa，56.1%），比铸态合金（1060 MPa，26.6%）提高了131%和200%，但合金中的氧化过程在1150°C时加速。强度和塑性的增加主要归因于脆性相的溶解以及γ′相的形态和规则分布。

研究论文

6061铝合金热轧复合板的力学性能和界面特性

骆宗安, 张新, 刘照松, 周宏宇, 王明坤, 谢广明

2024, 31(8): 1890-1899. doi: 10.1007/s12613-023-2801-8

中文摘要(1236) PDF(22) SpringerLink

摘要:
为了解决传统铝合金厚板存在的严重宏观偏析、气孔和裂纹等缺陷，采用基于搅拌摩擦焊的热轧复合技术制备了 6061铝合金厚板，并进一步研究了不同真空条件下界面处的力学性能和微观组织。结果表明，热轧态和时效态连接界面处的极限抗拉强度和总伸长率随着真空度的增加而增加。真空度高于1 Pa后，由于氧化效果显著降低，连接界面实现了良好的冶金结合，相应热轧态和时效态拉伸试样均在基体处断裂。经微观组织分析发现，热轧态界面形成了非平衡晶界，大量Mg₂Si颗粒沿界面晶界线性析出。在随后的热处理过程中，Mg₂Si颗粒又重新溶解回基体中，残留在界面处的Al₂O₃膜最终演变成MgO。此外，局部界面晶界在热轧复合过程中经历了阶段性消除，即由大角度晶界逐渐演变为中间角度晶界、小角度晶界，最终界面两侧晶粒完全融合。这一过程是通过界面晶界上位错的解离、发射和湮灭实现的。

研究论文

Al–7Mg合金在热扭转阶段的动态再结晶与织构演变

Kwang Tae Son, Chang Hee Cho, Myoung Gyun Kim, Ji Woon Lee

2024, 31(8): 1900-1911. doi: 10.1007/s12613-024-2877-9

中文摘要(1006) PDF(38) SpringerLink

摘要:
为探讨渐进动态再结晶（DRX）和织构行为，本文在300–500°C的温度和0.05–5 s^–1的应变速率下，对Al–7Mg合金进行了热扭转试验。实验发现，Al–7Mg合金的DRX行为分为两个阶段：（1）应变≤2和（2）应变≥2。在第1阶段，DRXed颗粒分数（X_DRX）略有增加，以不连续动态再结晶（DDRX）为主，随后X_DRX略有变化，直到过渡到第2阶段。第2阶段以DRX的加速为标志，最终达到X_DRX≈0.9。此阶段样品的电子背散射衍射（EBSD）分析表明，连续动态再结晶（CDRX）主要发生在（12(–)1）[001]晶粒内，而（111）[110]晶粒经历了几何动态再结晶（GDRX）演变，没有明显的亚晶粒结构。此外，利用改进的Avrami DRX动力学模型预测了在DRX演化过程中Al–7Mg合金的微观结构变化。尽管该动力学模型没有准确地捕捉到第1阶段的DDRX行为，但它有效地模拟了第2阶段的DRX速率。纹理指数用于评估热扭转试验期间纹理各向同性的演变，表明在第2阶段开始之前，纹理随机性显著改善（>75%），这可以归因于母体晶粒的旋转和亚结构演变，而不是XDRX的增加。

研究论文

基于芳纶纳米纤维、聚吡咯和镍金属多孔气凝胶的超吸收带宽微波吸收体和高性能压力传感器

张乐怡, 金洪玉, 廖翰鑫, 张饶, 王博翀, 向建勇, 牟从普, 翟昆, 薛天宇, 温福昇

2024, 31(8): 1912-1921. doi: 10.1007/s12613-023-2820-5

中文摘要(1133) PDF(28) SpringerLink

摘要:
随着电子设备的小型化和多功能化，微波吸收材料和可穿戴传感器的应用越来越广泛。芳纶纳米纤维基气凝胶由于在多个领域具有潜在的应用，从而被公认为柔性电子器件领域的有利候选者。本文旨在开发具有微波吸收性能、应力传感和隔热性能于一体的芳纶纳米纤维基气凝胶。本文通过氧化聚合和冷冻干燥技术制备了芳纶纳米纤维与聚吡咯质量比为1:5(AP15)的气凝胶，随后利用热蒸发在AP15气凝胶表面沉积磁性镍颗粒。由于气凝胶具有多孔结构，所以镍修饰的AP15气凝胶(APN)的密度仅为9.35 mg·cm⁻³。镍金属的引入不仅可以提高气凝胶对电磁波的磁损耗而且还可以实现阻抗匹配，从而增强气凝胶的微波吸收性能。APN气凝胶在厚度为2.9 mm时对电磁波可以实现−48.7 dB的最小反射损耗和8.42 GHz的超宽有效吸收带宽。优异的微波吸收性能来源于气凝胶的三维网状结构和阻抗匹配的协同作用。同时，由于芳纶纳米纤维作为骨架和三维网状结构的存在使APN气凝胶具有优异的压缩弹性、阻燃性和热绝缘性。APN气凝胶在最大应变为50%的500次循环后仍可以恢复到初始状态。作为压力传感器，APN气凝胶压力灵敏度可以达到10.78 kPa⁻¹。总之，APN气凝胶具有优异的微波吸收性能和压力传感性能。

研究论文

Cu₉S₅表面自生长ZnFe₂O₄构建多极化和高性能电磁波吸收的三维花状复合材料

陈文雄, 邢宏龙

2024, 31(8): 1922-1934. doi: 10.1007/s12613-023-2795-2

中文摘要(1127) PDF(18) SpringerLink

摘要:
具有电磁波吸收性能的三维结构复合材料的开发是有效衰减电磁波的策略。在此，通过多步水热法设计并制备了磁化花状Cu₉S₅/ZnFe₂O₄复合材料。对复合材料的晶体结构、表面化学信息、形貌结构、磁性和电磁参数进行了分析。所制备的Cu₉S₅/ZnFe₂O₄复合材料具有多重电磁波损耗路径，呈现出整体三维花状结构。Cu₉S₅/ZnFe₂O₄复合材料的最小反射损耗值为–54.38 dB，且具有5.92 GHz的宽有效吸收带宽。通过对材料的磁化修饰，ZnFe₂O₄颗粒在Cu₉S₅表面自组装生长。这种修饰有利于产生更多的交联接触点，有效引入大量的相界面、晶体缺陷和特殊的三维花状结构，有效引入磁电耦合损耗效应。此外，多种损耗策略的协同作用有效提高了材料的电磁波吸收性能。该工作为磁化修饰硫化物复合功能材料在电磁波吸收领域的应用提供了一种策略。

研究论文

三倍金红石型MgTa₂O₆微波介质陶瓷的低温烧结及温度稳定性调控

许承智, 杨鸿宇, 杨鸿程, 邢林庄, 王媛, 李智敏, 李恩竹, 赵国瑞

2024, 31(8): 1935-1943. doi: 10.1007/s12613-023-2791-6

中文摘要(975) PDF(13) SpringerLink

摘要:
三倍金红石型MgTa₂O₆微波介质陶瓷常被用于制作介质滤波器与介质谐振器等电子元器件，是5G基站通信领域中的一种重要材料类型。然而，该材料的烧结温度较高且温度稳定型较差，限制了其在高频通信中的进一步应用。为了协同解决MgTa₂O₆微波介质陶瓷较高的烧结温度与较差的温度稳定性的问题，本文采用了一种含有Li₂O–MgO–ZnO–B₂O₃–SiO₂组分的玻璃，利用传统固相烧结工艺研究了玻璃掺杂对MgTa₂O₆陶瓷的低温烧结行为、晶体结构畸变与微波介电性能的影响。研究表明，掺杂2wt%的玻璃不会引入杂质相，体系仍为单一的三倍金红石型MgTa₂O₆物相，说明玻璃掺杂形成了MgTa₂O₆固溶体。当添加2wt%玻璃，在1150°C时可以获得致密性优异且微波介电性能良好的材料体系：ε_r = 26.1, Q×f = 34267 GHz, τ_f = –8.7 × 10^–6 /°C。研究表明，Li₂O–MgO–ZnO–B₂O₃–SiO₂玻璃不仅极大地改善了MgTa₂O₆陶瓷的低温烧结特性，而且在保持高Q×f值的同时仍有效提高了温度稳定性，这进一步发掘了该材料在高频通信中的应用潜力。

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2024年第31卷第8期

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