双晶晶界在高温下的热稳定性的分子动力学研究

晶界结构在高温下的热稳定性问题是一个长期争论而又未能解决的问题，其争论的焦点是：在远低于熔点的温度下，晶界结构是否发生了可观察到的无序化，即是否存在一个远低于熔点的结构转化温度。为了能澄清这一争论，本文系统地研究了晶界结构的热稳定性。为了消除相互作用势的影响和系统误差，本文首先采用Morse势和经验多体势分别对铝、铜单晶的熔化过程进行了分子动力学模拟。在平衡态下，通过计算表征结构无序化的静态结构因子、径向分布函数和单晶原子位形图，获得了铝、铜单晶的熔点，结果表明：多体势计算的铝和铜的单晶熔点更接近实验值。因此，采用经验多体势应用分子动力学方法分别模拟了铝、铜Σ3、Σ5、Σ9、Σ11、Σ19、Σ33六种对称倾侧双晶晶界晶界结构由有序向无序转化的过程，计算了平衡态下的表征结构无序化的静态结构因子、径向分布函数和晶界原子位形图并将多体势获得的铝、铜单晶熔点作为晶界结构转化温度的约化熔点，获得了铝、铜Σ3、Σ5、Σ9、Σ11、Σ19、Σ33六种对称倾侧双晶晶界结构的转化温度和熔点，结果表明：1．Σ5、Σ9、Σ11、Σ19、Σ33五种对称倾侧双晶晶界均在远低于单晶熔点温度时，晶界结构发生了可观察到的无序化，而且双晶晶界结构的转变温度相差不大，双晶晶界熔点也低于单晶熔点。2．Σ3晶界在温度远低于熔点时，其晶界结构没有发生可观察到的无序化；Σ3晶界的转化温度与单晶熔点接近。所以，可以认为Σ3晶界不存在转化温度。这是由于Σ3晶界为共格孪晶，具有较低的能量。综上所述，除Σ3共格孪晶外，在远低于熔点温度下，晶界结构发生了可观察到的无序化，即：存在一个远低于熔点的转化温度，此时其静态结构因子约为0.5左右；晶界结构的熔点均低于单晶熔点，此时其静态结构因子约为0.15左右。从全文模拟结果可以看出，静态结构因子、径向分布函数、晶界原子位形图三种方法在确定晶界的结构转化温度和熔点时，静态结构因子是最有效、最准确的定量方法。

吸湿特性对胶体颗粒自组装过程的影响

光子晶体的独特性质使得人们有可能实现对光子的操控，从而实现电子时代向光子时代的转变。光子晶体最重要的两个因素是周期性和构成周期性的材料的介电常数差。光子晶体的制备方法有很多种，胶体晶体模板法在制备成本和效率上具有明显的优势，因而得到研究者的重视。而在胶体晶体干燥过程中产生的裂纹破坏了胶体晶体的周期性，从而制约了这种方法在光子晶体制备方面的应用。 本文从如何利用微球吸湿性来研究胶体晶体自组装过程中裂纹的影响。主要从两个方面来进行研究：微球的表面吸湿改性及改变衬底的吸湿性。利用乳液聚合法获得了单分散性好的、不同粒径的聚苯乙烯/丙烯酸正丁酯/丙烯酸共聚微球。系统地考察了软硬单体配比、丙烯酸用量、乳化剂和引发剂的用量对微球的粒径和形态的影响。利用垂直生长法生长聚苯乙烯/丙烯酸正丁酯/丙烯酸Poly（St-BA-AA）微球薄膜，通过改变外界湿度条件，测得薄膜的反射光谱，得到Poly（St-BA-AA）的吸湿性结论。同时结合测得的微球的傅里叶变换红外光谱，即FITR谱图结果，得出聚苯乙烯/丙烯酸正丁酯/丙烯酸共聚微球的特殊性能以及新的应用前景。 本文还从改变衬底的吸湿性出发，提出通过利用微球的吸湿特性来采用与胶体微球“同胀同缩”衬底来影响裂纹的形成的原理，制备了一系列的吸湿性材料及其薄膜，包括聚丙烯酸钠薄膜、含聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和高吸水树脂薄膜、含双丙酮丙烯酰胺（DAAM）的水性涂料薄膜、含DAAM苯丙乳液薄膜。讨论了这些材料的吸水性能及成膜性能的影响因素。然后，以含DAAM的水性涂料薄膜及含DAAM苯丙乳液薄膜作为衬底，控制生长环境温度为55℃、相对湿度为30%，利用垂直生长法制备聚苯乙烯（PS）胶体晶体。利用光镜照片分析了吸水性衬底对薄膜裂纹情况的影响，从机理上分析了裂纹产生的原因，同时这种方法还为系统地研究吸水性衬底对胶体晶体生长过程中产生的裂纹的影响提供了新的思路。

气相爆轰波马赫反射的实验和数值研究

爆燃和爆轰是自然界中普遍存在的两种自然现象。在一定条件下爆燃完成向爆轰的转变，爆轰形成以后会出现典型的胞格结构，在爆轰波传播过程中遇到障碍物时会发生马赫反射。对这些现象的理论和实验研究在工程和科学上都有着重大的意义。在本文的实验研究中，采用爆轰激波管和烟熏膜技术对可燃气体DDT过程及爆轰波马赫反射问题进行了研究。在不同初压和楔角的情况下进行了系统的实验，得到了清晰的胞格结构图象和三波点轨迹图象。在本文的数值模拟中采用了简化的二阶段化学反应模型，整个化学反应过程被分为两个阶段：诱导反应阶段和放热反应阶段。该模型采用两个无量纲参数α和β来表示化学反应的进程。初始时刻两个参数值都为1，诱导反应开始时α的值由1逐渐减小到0，进入放热反应阶段β的值逐渐减小直到化学反应达到平衡。本文采用了全新的数值方法CE／SE对可燃气体的DDT过程和爆轰波马赫反射问题进行了数值模拟。CE／SE方法是一种在概念和方法上都和以往不同的数值方法。该方法具有构造简单、分辨率高等优点，同时格式保证了在局部和全局均满足时空意义上的守恒律。本文的研究结果表明：爆轰波遇到楔面会发生类似冲击波的正规反射和马赫反射现象。在不同楔角和初压条件下，反射前后爆轰波的胞格尺寸、形状等性质都会有明显的差别。同时三波点迹线与楔面的夹角也会有相应的变化。这些结果对于深入理解可燃气体的DDT过程和爆轰波的马赫反应射机理有重要价值。最后需要提出的是我们把全新的CE／SE方法推广到带有化学反应的流动计算中，计算结果表明这种推广是成功的。

低渗油田“层内爆炸”增产技术的小尺度模拟实验研究

本文是关于低渗油田增产技术的室内模拟实验研究的论文。我们对井内爆炸采油、核爆采油和高能气体压裂进行全面调研以后，吸取了井内爆炸采油的教训，借鉴了高能气体压裂的成功经验，提出了低渗油田“层内爆炸”增产技术。该技术是利用水力压裂技术的现有设备，将适当的炸药压入岩石裂缝，再用适当的方法起爆，从而在岩石裂缝周围产生大量裂缝，在不会对储层产生不利影响也不会毁坏井筒的前提下，达到提高采取收率并增产油气的目的。首先，建立了圆管点火实验装置、小尺度模拟实验装置和平板点火实验装置；然后利用实验装置进行了“层内爆炸”用特种火药和特种炸药配方的探索。通过实验我们至少找到了一种“层内爆炸”用药品的配方，并且在小尺度模拟实验装置中实现了“层内爆炸”基本过程的模拟实验，从而证实“层内爆炸”思路正确，原理上可行。接着，建立了爆燃推进的模型，并在恒稳推进和不可压缩简化条件下得到几组算例，这些解在物理上是合理的。通过计算我们得知爆燃恒温推进的条件是苛刻的，需要多个参数的匹配。通过本人硕士论文的工作，证实了低渗油田“层内爆炸”增产技术在原理上的可行性。但因为“层内爆炸”过程中牵涉到多个特征尺度，因此并不能从小尺度向大尺度简单地推广，下一步工作是建立中大尺度模拟实验装置，考察在中大尺度条件下“层内爆炸”的可行性，为现场实际应用作充分的实验准备。

非均质材料损伤破坏的数值模拟软件开发及强韧化机理研究

本文针对平面链网模型与空间链网模型，发展了模拟非均质材料的数值软件，旨在分析材料的损伤破坏特征，寻找材料细观结构同宏观力学行为之间的相互联系，探讨材料强韧化机理以及评估材料的力学性能。采用可视化技术设计的具有交互式功能的图象用户界面，能根据具体材料对象构造特定材料模型来分析其力学行为与服役能力。初步结果表明，无论是材料弹性阶段的性质还是损伤演化阶段材料中裂纹的萌生、扩展、汇集和材料的最终失效等现象都与已有的理论结果及试验结果符合得很好。另外，本文还对材料的强韧化机理作了探索。

线性压电材料的有限元分析

本文利用线性压电学理论，编制了线性压电材料四结点等参有限元程序，进行了校核，并对PZT-5A材料压电智能元件和压电材料标准断裂试进行了计算，计算包括：①采用实际工程应用的压电智能元件尺寸，计算了元件的压电响应；并针对元件内部电极尖端区域容易引起破坏的现象，计算了该区域的奇异应力、应变场及电场。②计算了加力和加电两种情况下压电材料标准断裂试件应力强度因子影响系数F_I和电位移强度因子影响系数F_D。裂纹面边界条件采用D-P条件，试件包括紧凑拉伸标准试件和三点弯曲标准试件。③应用Lagrange乘子法将Parton裂纹边界条件加于有限元程序中，计算了上述两种标准断裂试件的F_I和F_D，计算结果与采用D-P裂纹边界条件的计算结果有很大差异。

基于跨尺度模型的界面研究

探索和建立不同尺度理论之间的关联模式是科学研究的重要课题，本文基于跨尺度模型着重探讨了金属陶瓷界面的凝聚能和原子结构问题。本文遵循原始Peierls-Nabarro模型的基本思想，提出了一种处理一维界面失配位错组的新方法。在这个推广的Peierls-Nabarro模型中，本文得到了一个简单而且准确的解析解，此解反映了失配位错的核结构、能量与失配度、剪切模量之间的依赖关系。当界面剪切模量较强而失配度较小时，界面的结构可以用一组奇导师Volterra位错来描述，这与一些原子模拟结果一致。采用这一简单的模型，引入第一原理计算得到的数据，此模型可以估算金属陶瓷界面的凝聚能。一维界面失配位错组的Peierls-Nabarro模型还被解析推广描述一大类较宽的位错。在模型中我们引进了一个参数a，通过控制参数a，我们可以系统地改变失配位错芯的宽度、剪切应力的分布和弹性恢复力。随着a增加，位错宽度增加，同时弹性恢复力和失配位错应力的幅度减少。当界面剪切模量强和失配度小时，失配位错的宽度近似线性反比于弹性恢复力的幅度大小。同时当界面剪切模量和失配度固定时，失配能、弹性能和总的界面能随a的增加而减少。界面能和恢复力律形式密切相关，当界面剪切模量弱和失配度大时，这种依赖关系更强。考虑到界面常常是在晶格两个方向都有失配，本文还引进了描述界面周期失配位错的二维广义Peierls-Nabarro模型，使得我们能够定量地研究界面的结构和能量。文中定量分析了广义堆垛能γ面对界面失配位错的结构和能量的影响，分析了位错网中两种位错组的相互作用。当界面剪切模量τ_0变大和失配度f变小时，随着位错核区占整个界面的比重下降，γ面的形状对界面能量和结构影响减弱，结果两种位错组之间的相互作用也减弱。此外γ面的变化还有可能导致位错网结构的转变，也就是导致界面结构的转变。应用此模型，本文还研究了金属－陶瓷Ag/MgO(100)界面，给出了界面的能量和原子结构。文中得出结论：在Ag/MgO(100)界面将会形成{1/2<110>; <110>}类型的位错网。此外由于界面失配位错的形成，Ag/MgO(100)界面凝聚能的理论值900mJ/m~2将减少214mJ/m~2，最终成为686mJ/m~2。基于第一原理赝势平面波的总能计算，文中给出了金属陶瓷Al/MgO(100)界面弛豫和未弛豫时的广义堆垛能面。然后结合第三章发展的广义二维Peierls-Nabarro模型，详细研究了金属陶瓷Al/MgO(100)界面的原子结构和界面能。文中得出的“在Al/MgO(100)界面将会形成{1/2<110>; <110>}类型位错网”的推论，证实了Vellinga等的猜测；文中还预测了凝聚能的理论是在600mJ/m~2（未弛豫情形）和670mJ/m~2（弛豫情形）之间。这个应用表明此方法能够容易地建立连续介质理论和第一原理计算之间的联系，实现理论上的跨尺度。本文最后提出了一种得到界面原子有效对势的反演方法。通过反演金属－MgO陶瓷界面的第一原理计算的凝聚能曲线，我们得到了一些金属原子和陶瓷离子之间的对势，此对势反映了金属陶瓷键合的特性。本文的反演方法提供了通过第一原理计算数据来拟合界面原子对势的一种可行性途径。这种方法可归结为第一类尺度关联理论，即单向的跨尺度关联模式。

韧性材料裂纹尖端孔洞群体损伤演化的实验和模拟

长期以来，材料的孔洞损伤一直是力学家和材料学家所关注的焦点之一，相应的研究方法很多，所得到的成果也很丰富。但是这些研究大部分是基于单个孔洞或有限个孔洞来考虑的，很少将大量的孔洞损伤作为整体来探讨。本文就是考虑到在韧性金属合金材料的破坏和失效过程中，往往是有大量的孔洞损伤参与其中的。我们试图将这些作为整体来考虑，并着重对初始裂纹钝化扩展过程的裂尖前沿来进行研究和讨论。本文从微孔洞数密度守恒方程出发，讨论了裂尖前沿孔洞损伤数密度群体化的方程以及它的解，探讨了损伤各阶矩的分布形式和演化规律。并且对一个系列低碳合金钢样品的I型初始裂纹的钝化扩展和断口孔洞的观察和统计的结果与计算模拟的结果进行了比较，得到了相同的趋势。计算模拟和试验的结果表明，在裂尖前沿孔洞损伤的群体演化过程中，损伤矩的分布是随着离开裂尖距离增加而减少的，并且这种分布随时间增加而且增加，并且趋于稳定分布。最后根据实验中反映出来的由于材料内部的不均匀等造成的孔洞损伤演化的不均匀性，引入随机涨落的概念导出局域孔洞数密度演化守恒方程来探讨这种不均匀性，通过模拟计算得到平均场理论和局域孔洞数密度守恒理论的差异，并由全场孔洞数密度演化守恒方程的分析来证实这个差异。

再入尾迹电磁特性的湍流效应研究

本文旨意在于通过探讨高超声速再入尾迹中的湍流等离子体与电磁波相互作用的机理，以及建立能反映此机理的应用性理论模型，从而提供一套可进行目标特性分析的方法，以便为工程部门的突防技术服务。本题目在再入气动物理现象研究中具有重要意义。综合分析指出，地面雷达观测到的非相干散射信号主要来源于再入尾迹的亚密湍流区产生的体积散射。因此，电磁散射特性分析主要针对尾迹亚密湍流等离子体。并且，这里所有的分析都是根据在工程应用中最成熟的一阶畸变波Born近似理论模型。再入尾迹电磁特性的湍流效应研究，着眼点就在于湍流等离子体场的研究。对湍流等离子体场理论模型，本文试图通过模式理论来表达，即求解平均化的全Navier-Stokes方程及其封闭方程k-ε-g模型，从而准确获得流动平均场和脉动场信息。这种表达方式较以前有了较大改进。注意到高超声速流动具有强烈可压缩性的特点，故使用的N-S平均方程由质量加权平均过程产生，湍流模型方程也经过可压缩性修正。方程的离散求解方法，都是运用带矢通量分裂的二阶TVD格式的有限体积法。再入尾迹湍流场的初始条件由近尾迹（底部）流动经N-S方程求解给定，初始值更加准确可靠。尾迹从层流到湍流的转捩过程采用相对成熟的半经验公式确定。飞行器的高超声速再入过程必然导致它周围的空气温度升高，使得流动表现出真实气体效应。对重点考察的湍流流动而言，真实气体效应主要表现为气体处于热化学平衡状态。就工程部门面临的实际问题，把一阶畸变波Born近似的解算方法做些改进，使其能够处理的范围从轴对称尾迹扩展到三维湍流等离子体场是必要的。这为深入的理论分析提供了有力的保障。在能够准确模拟湍流流动的刻划雷达散射截面的基础上，考察亚密湍流等离子体对电磁散射的影响。通过选择的几个有代表性的因素进行讨论，初步结果表明：湍流转捩方式、湍流尺度对尾迹雷达散射截面值计算影响不大，而电子组份脉动能初始值影响较明显，且在特定条件下湍流模型的影响亦不大。但由于湍流模型涉及脉动初始值，其影响需进一步确定。同时，一些今后开展继续此项研究工作的有益建议也提了出来。

障碍物扰动对半开口管道中火焰传播特性的影响

自从1926年Chanman和Wheeler率先开创有障碍物管道中的火焰传播研究工作以来，管道中障碍物扰动引起的火焰加速现象引起了广泛的关注。由于这类现象在燃烧科学上的学术意义及其在生产中诸如安全问题等方面的实际意义，人们相继进行了一系列的研究工作。归纳起来，可以分为两大类：1）封闭管道的火焰传播。人们在不同形状的管道或容器中研究了障碍物对火焰加速的影响，在理论分析和数值计算方面也作了一些有益的工作；2）开口管道的火焰传播。相对于闭口管道，开口管道中的火焰传播研究则逊色得多。这方面尚缺乏系统的实验数据，理论方面的分析也欠缺得多。但当前在实际中，并不乏开口体系的应用，如，现已广泛应用于电力系统的一种燃气除灰装置，是一燃烧气体燃料的半开口系统。因此，研究半开口管道中非稳态燃烧的加速机制具有重要意义。在本论文工作中，通过大量的实验研究，比较系统地研究了障碍物的扰动对预混火焰传播特性的影响。实验在一长L=5m、内径D＝80mm的一端封闭、一端开口的火焰传播管内进行，管内均匀布置障碍物，通过改变障碍物的形状、间距、阻塞比大小，同时选用五种不同的可燃气体，探索了障碍物结构对预混湍流火焰加速和管内压力上升的影响。实验表明，对于敏感气体如氢气和乙炔，由于障碍物扰动产生的影响，火焰不断加速，并最终达到一准稳定状态；在适当的条件下，火焰传播状态可由爆燃向爆轰转变，此时火焰速度发生跃变；而对干不敏感气体如甲烷，则爆燃转爆轰现象不容易发生。在不同的火焰传播状态，障碍物结构特性对火焰速度和压力产生的影响各不相同。在缓燃态，随着阻塞比的变化，最大火焰速度先上升后下降，在BR=0.3～0.4之间存在一最大值；在銮塞态，最大火焰速度受阻塞比变化的影响不明显，略低于燃烧产物的声速；在阻塞比BR＝0.5附近，压力达到最大值。而在爆轰态，随着阻塞比的增加，最大火焰速度和压力逐渐降低，爆燃转爆轰的浓度范围变小。由于在有障碍物的管道中，火焰速度很容易达到声速（变塞态）或超声速（爆轰态），必须考虑流体的马赫数效应。本文在前人研究成果的基础上，给出了湍流马赫数修正的可压缩性两方程湍流模型，模拟了半开口狭长管道中重复布置的障碍物引起的湍流火焰加速现象。最大火焰速度和管内压力的计算结果与实验测量值吻合良好，这表明用修正后的湍流模型能够比较真实地模拟障碍物管内预混火焰的发展过程。通过对管道内障碍物扰动引起的燃烧波加速的机理和技术研究，对流场扰动对燃烧波产生和发展的影响规律有了比较全面的了解，研究结果对气脉冲除灰技术的完善具有直接的指导意义。

带压电陶瓷片梁的力学分析和二类变量广义变分原理

对于采用贴有压电陶瓷片作为作动元件的智能结构，在进行自适应控制时，往往要分析压电陶瓷片所引起的结构中的应力、应变和位移。对于带有压电陶瓷片梁的力学分析，文献中大多采用Euler-Bernoulli模型，即不考虑梁中的剪力，且假定梁沿厚度方向满足直法线假定。考虑到压电陶瓷片对梁的作用主要是通过粘贴层以剪力的形式传递到梁上，梁截面上的剪应力和剪应变一般很大，其影响不能忽略。本文采用Hellinger-Reissner二类变分广义余能原理，导出考虑梁截面上剪应力和剪应变影响的方程式，其中采用吉尔法求解非齐次常微分方程组。并将求得的解与相同条件的有限元解进行比较。结果证明该方法很有效。本文还对二类广义变分法进行了一般的讨论，发现，在使用二类广义变分法求解时，随着应力和位移所取项数的增加，结果有时反而变坏。并对二类广义变分法的使用提出了一些建议。

微裂纹细观损伤理论

材料的宏细观破坏理论是当前固体力学和材料科学研究的一个重要课题。本文在对连续损伤理论和细观损伤理论进行评述的基础上，着重研究了脆性材料中微裂纹细观损伤问题。本文建立了一套完整的细观损伤理论来分析二维多裂纹体问题。该理论的基本方法是基本解叠加法，此方法直接考虑了微裂纹之间的相互作用以及有限边界的影响。通过叠加原理，使在裂纹面和外边界满足边界条件，用边界配置法化控制方程组为线性方程组，进行数值求解。本文以裂纹密度为参量，针对微裂纹随机分布和平行分布两种情况，计算了无限大体中代表性体元（VRVE）和多裂纹有限体的有效弹性模量。数值计算结果表明，本文所用方法具有统一与直能的优点，采用此法所得模量与试验结果吻合，在处理多裂纹体问题时计算效率高、精度好，对求解多裂纹问题非常有效。此外，通过建立微裂纹晶内扩展准则和穿晶扩展准则，分析了微裂纹扩展连接直至裂纹形成、扩展这一全过程的细观力学行为，对微裂纹的损伤演化过程进行了直接模拟，计算了含微裂纹矩形板的宏观应国变关系曲线。本文进一步提出了三维微裂纹相互作用的数学分析方法 — 扁球坐标和位移函数法，并采用边界配置法或裂纹面面力平均化方法进行求解。数值结果表明，扁球坐标和位移函数法分析三维微裂纹的相互作用问题是有效可行的。最后，本文提出了埋入基体的镶嵌体胞模型，建立了计算非均质体有效弹性模量的解析表达式。该式从理论上讲是严格的，且具有形式简单、内涵丰富及有效弹性模量能显式表达等优点。针对球体含球形夹杂、裂纹及旋转扁球体含球形夹杂、裂纹等不同体胞结构计算了其有效弹性模量，并与其他细观力学方法所得结果进行了比较。本文还将埋入基体的镶嵌体胞模型进行了发展，研究了二相颗粒复合材料的弹塑性本构关系（基体为弹性而颗粒为塑性材料），计算了球体含球形颗粒用旋转扁球体含扁球状颗粒两种体胞结构的宏观应力 - 应变曲线。

连续激光辐照下受载结构的热力耦合破坏研究

本文以连续激光辐照下靶目标的变形与破坏等热力学响应特征为研究对象，采用了量纲分析、解析求解以及有限元方法等手段进行了较为系统的研究，得到了一些典型的靶结构变形与破坏的演化过程、主控参量和临界曲线。全文的工作主要包括，1.总结和评述了近四十年来国内外在此领域取得的重要进展，包括如下几方面：研究的背景和需求；不同激光参数下材料所表现出的破坏模态；激光辐照下靶目标温度场和变形场的实验和理论研究状况；热力耦合破坏机理的建立与应用等。并在此基础上，确定了本文的研究方向和路线。2.从π定理和基本控制方程入手，对连续激光在靶目标中引起的硬破坏效应进行了量纲分析，得以了8个具有明确物理背景的主控参量。这一工作有利于增强数值模拟工作的目的性，减少计算量。3.在不考虑材料参数温度依赖的前提下，利用热弹性板理论分析了承受横向载荷的薄板在激光辐照下的响应。通过特殊函数理论和级数解法的应用，得到了板中温度场和应力场的解析解。并将该解析解与数值解进行了对照和验证。4.利用ANSYS程序，数值模拟了平板和柱壳两种典型结构在连续激光辐照下的热力学响应。本工作的特色在于：一是在考虑了几何／材料非线性的条件下，利用3D实体单元，研究了机械载荷对激光诱导的变形和破坏过程的影响；二是首次获得了典型靶结构激光破坏的演化过程；三是在靶材料固定的前提下，得到了激光参数－载荷参数组成的临界破坏曲线。另外，我们在有限元分析模型的建立与单元网格的临界破坏曲线。另外，我们在有限元分析模型的建立与单元网格的划分上也进行了一些有益的探索和尝试。5.利用掌握的数值模拟方法，对含涂层结构的热冲击等问题进行了分析，为将来抗激光加固技术的数值研究奠定了一定的基础。最后，作者在总结全文内容的基础上，对相关领域中亟待发展和研究的课题进行了展望。

层流等离子体发生器的研究

在本文的工作中，研制出了大气压层流等离子体发生器，并从试验和数值模拟两个方面对层流等离子体射流的特征和发生机理进行了分析和研究。试验观察表明，与湍流等离子体射流相比，层流等离子体射流有明显的特点，射流长而细，与周围环境气体掺混很少，能量的衰减很慢，而且几乎没有噪音。在层流等离子体发生器的研制过程中，研究了层流等离子体射流的产生机理，结果表明，工作气体流量、电源的输出特性、进气方式、电压的大小、发生器的结构和加工等对层流等离子体射流的产生有重要影响。本文还对层流和湍流等离子体射流进行了数值模拟，结果表明，工作气体的流量对层流等离子体的射流的长度有较大的影响；发生器出口的射流初始湍流度对射流的流动状态和长度也有很大的影响。数值模拟的结果和试验观察到的现象是一致的。

铁基激光熔覆合金设计及微观组织与性能研究

本文设计并制备了具有优良的强韧性能和高温性能的激光熔覆涂层。利用 SEM、TEMEY X－射线衍射仪等研究了涂层的化学成分、宏微观结构及其转变机制，同时研究了涂层强韧性及耐高温磨损性能及其影响机制。对激光溶覆涂层进行了合金化、微观组织、强韧化机制、加工工艺性能设计。合金系为 Fe-Cr-C-W-Ni，成分配比（质量分数），Fe:52-60%, Cr:24-30%, C:5-6%, W:4.5-7.5%, Ni:5-6%。强化机制为两相强化、亚结构强化及固溶强化，其中强化相为合金碳化物，基体相为合金元素过饱和度极高的韧性奥氏体。亚共晶及过共晶组织的领先凝固相分别为奥氏体及 M_7C_3 合金碳化物，两相共晶组织均为韧性相奥氏体和强化相 M_7C_3 合金碳化物。加工工艺控制领先凝固相的结构、组织演化及力学性能。熔覆组织在高温时效过程中形成大量新的碳化物。在过饱和奥氏体内部，可弥散析出细小的 Mc、M_2C 及 M_(23)C_6碳化物；在奥氏体与 M_7C_3 相界面，亚稳相M_7C_3发生原位转变，形成 M_(23)C_6 及 M_6C碳化物。激光熔覆合金具有较高的综合力学性能，熔覆涂层有高的显微硬度、优良的抗回火稳定性、显著的二次硬化特征、优异的抗磨粒磨损和冲击磨损性能。Fe-Cr-C-W-Ni 激光熔覆合金具有较低的裂纹形成倾向和良好的表面成形性能，这与奥氏体较高的高温韧塑性及合金的低熔点共晶特征密切相关；实验及理论分析表明，通过调整合金成分、激光工艺参数和后续热处理工艺，可获得具有不同强韧性能的熔覆涂层。