2020年, 第41卷, 第10期　
刊出日期：2020-10-25

  

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综述
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  金属基复合材料微观损伤行为的研究进展

  范映伟

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 1-23. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0116

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  综述了近年来颗粒增强、连续纤维增强和石墨烯增强金属基复合材料微观损伤行为的研究进展,分析了上述3类金属基复合材料在不同载荷条件下发生损伤的模式及其微观机理,并对目前金属基复合材料微观损伤行为的研究中存在的问题进行了分析,对未来的研究方向进行了展望。
有色金属合金材料
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  次生α相含量对TC18钛合金动态压缩性能和绝热剪切敏感性的影响

  郭小汝, 张俊喜, 易湘斌, 陈百明, 李宝栋, 徐创文

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 24-30. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0195

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  研究了固溶温度对TC18钛合金中次生α相含量的影响,并利用分离式霍普金森压杆,在高应变率(1000~3000 s^-1)条件下,进一步研究了次生α相含量对TC18钛合金动态压缩性能及绝热剪切敏感性的影响。结果表明,随着固溶温度的升高,次生α相的含量由约46%增加到约71%;高应变率下,随着次生α相含量升高,TC18钛合金流变应力增大、塑性应变减小、绝热敏感性增大。分析表明,引起这种变化的主要原因是在固溶过程中,随着温度的升高,亚稳β相生成量增加,使得后续时效过程中的交错分布次生α相析出量增加,从而提高了合金强度,塑性降低。在动态压缩条件下,近网篮组织的TC18钛合金随应变率的提高,绝热剪切敏感性增加。
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  Ag含量对竖引连铸Cu-Ag合金组织和性能影响

  杨冉, 王要利, 宋克兴, 周延军, 曹军, 吕长春, 丁雨田, 胡勇

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 31-37. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0271

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  采用冷型三室真空竖引连铸的方法制备了含Ag量分别为1、2、4和20 mass%的Cu-Ag合金。利用光学显微镜、扫描电镜、金属导体电阻率仪和电子拉伸试验机等研究了Ag含量对Cu-Ag合金铸态杆坯组织和性能的影响。结果表明:冷型竖引连铸工艺制备的Cu-Ag合金杆坯具有近似平行于轴向的柱状晶显微组织结构。Ag含量对Cu-Ag合金显微组织和性能具有显著影响。Cu-Ag合金铸态杆坯的显微组织主要由α-Cu基体和Ag粒子组成,Ag颗粒在Cu基体中分布均匀。Cu-1Ag 合金的铸态组织基本由初生α相构成,未见明显的共晶组织。Cu-2Ag合金的显微组织主要由枝晶组成,小共晶团均匀的分散在枝晶臂间。Cu-4Ag 合金的显微组织开始显示出扩展的分枝。Cu-20Ag合金的显微组织中出现围绕树突的连续网状结构。合金的抗拉强度随Ag含量增高逐渐升高,合金的导电率随Ag含量增高逐渐降低,Cu-20Ag合金的强度和导电率分别为284 MPa和79.7 %IACS。
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  冷轧变形量对核电用GH4169合金组织和拉伸性能的影响

  李红宇, 刘杨, 薛晶晶, 邢健, 韩吉庆

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 38-43. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0196

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  利用单轴拉力试验机、光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)研究了经不同程度冷轧变形并直接时效处理后GH4169合金的显微组织、拉伸性能及断口形貌。结果表明:随着冷轧变形量由0%增加至85%,时效处理后合金的晶粒由等轴晶变化为沿加工方向拉长的晶粒,最后形成织构组织;合金的抗拉强度R_m由1342 MPa增加至1885 MPa,屈服强度R_p0.2由1149 MPa增加至1780 MPa,断后伸长率由24%降至3%。拉伸断口形貌SEM分析表明:经30%冷轧变形后,合金断口形貌呈韧窝延性断裂特征,50%冷轧变形后合金断口呈韧窝和解理晶面混合形貌特征,85%冷轧变形后,合金断口呈沿晶脆性断裂特征。经50%冷轧变形并时效后合金的组织和拉伸性能最佳,满足核电堆芯弹性受力元件的使用要求。
黑色金属合金材料
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  奥氏体化温度对高锰含碳化物等温淬火球墨铸铁组织和性能的影响

  孙宇凡, 杨鹏辉, 符寒光, 林健, 郭星晔

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 44-50. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0107

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  研究了不同奥氏体化温度对高锰含碳化物等温淬火球墨铸铁(CADI)组织和性能的影响。结果表明:随着奥氏体化温度的升高,高锰CADI组织中的针状铁素体变粗大,数量减少,且会转变为羽毛状,同时弥散分布的碳化物会从网状转变为细小的颗粒状,并且残留奥氏体量及含碳量随奥氏体化温度升高而增加。高锰CADI的宏观硬度与耐磨性能随奥氏体化温度升高而降低,860 ℃时拥有最高的宏观硬度60 HRC和最少的磨损质量损失12 mg。
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  Ce对汽车气门弹簧钢65Si2CrV组织性能的影响

  孙深, 李阳, 孙萌, 张磊, 姜周华

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 51-59. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0154

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  采用光学显微镜、扫描电镜和力学性能测试等研究了不同含量稀土元素Ce对汽车气门弹簧钢65Si2CrV组织性能的影响。结果表明:当Ce质量分数为0.0039%时,实验钢中的珠光体片层间距最小,淬火、回火组织达到最细,强度和塑性均得到提高,力学性能最好;当Ce的质量分数达到0.0079%时,实验钢的组织开始出现粗化,力学性能下降。因此,适量Ce的添加能够实现显微组织的细化以改善气门弹簧钢的强度和塑性,过量则会导致组织粗化并伴有力学性能的下降。
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  45CrNiSiMnMoVA超高强度钢的强韧化热处理工艺

  毕红霞, 唐明华, 周勇, 任芝兰

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 60-65. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0125

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  采用力学性能测试、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等研究了不同热处理工艺对新型低合金超高强度45CrNiSiMnMoVA钢的微观组织和力学性能的影响。结果表明:随着奥氏体化温度的不断升高,试验钢的力学性能逐渐提高,并在920 ℃时达到峰值,达到峰值之后才会缓慢下降;在320~380 ℃回火后,试验钢的强韧性随回火温度变化的幅度非常小,当回火温度为350 ℃时,试验钢具有强度、塑性和韧性相配合的最优综合力学性能。分析认为,试验钢的强韧化机理与以"多相、亚稳和多尺度"为核心思想的M³组织性能调控理论十分吻合。
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  服役态HR3C耐热钢管的缺口敏感性

  王若民, 段谟刚, 张健, 陈国宏, 陈学进, 缪春辉, 汤文明

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 66-72. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0126

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  在服役态HR3C耐热钢管显微组织结构研究的基础上,比较有无缺口HR3C耐热钢管试样的拉伸性能及断口形貌的差异,评价服役态HR3C耐热钢的缺口敏感性。结果表明:605 ℃服役导致HR3C耐热钢中奥氏体晶粒长大,在奥氏体晶界、孪晶界析出M₂₃C₆,导致其强度增加,塑性下降。缺口导致供货态及服役态HR3C耐热钢抗拉强度及伸长率下降,但屈服强度增大。随着服役时间的延长,伴随着组织老化,服役态HR3C耐热钢的缺口敏感性增加。HR3C耐热钢管表面划伤造成尖端应力集中,导致服役态HR3C耐热钢管强度损失严重,甚至爆管失效。
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  卷取温度对1.5%Si无取向硅钢氧化皮的影响

  李慧, 陆佳栋, 岳重祥, 李化龙

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 73-79. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0101

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  采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等研究了卷取温度对1.5%Si无取向硅钢氧化皮的形貌及组成的影响。结果表明,在650~700 ℃,氧化皮均由Fe₂O₃、Fe₃O₄和Fe组成。随卷取温度降低,Fe₂O₃含量减少,氧化皮厚度逐渐降低,同时氧化层与基体间的富Si层也逐渐变薄,表面形貌由岛状分布晶须变为团簇状螺旋柱晶组织。当卷取温度继续降低至600 ℃时,氧化皮主要由Fe₂O₃组成,氧化层及富Si层均很薄,表面疏松多孔,且在内应力作用下发生褶皱鼓泡甚至破裂脱落,有利于酸洗除磷。工业生产中通过降温卷取调试,使硅钢热卷的酸洗效果和效率显著提高。
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  不同工艺下取向硅钢超薄带中Goss织构取向分析

  张静, 李莉, 贾志伟, 庞树芳, 张海利, 游清雷, 杨平, 蒋奇武

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 80-85. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0123

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  采用"初次再结晶法"和"二次再结晶法"制备了0.10 mm和0.05 mm取向硅钢超薄带,研究了两种制备方法下高斯织构形成规律的差异;考察了"初次再结晶法"中退火时间对织构和磁性能的影响;分析了"二次再结晶法"板厚对二次再结晶的影响。结果表明,"初次再结晶法"所形成的高斯织构是单晶高斯取向晶粒的形变再结晶行为,随着退火时间的延长,强偏转立方取向逐渐被高斯取向所取代;采用"二次再结晶法"制备0.05 mm及以下厚度取向硅钢超薄带时,二次再结晶难以发生。
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  氧化温度对X80钢氧化膜结构及阻氢性能的影响

  李贝贝, 赵卫民, 李守英, 孙浩梅, 李文昊

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 86-94. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0145

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  利用扫描电镜、X射线衍射、显微激光拉曼光谱等研究了300~600 ℃不同氧化温度下X80钢氧化膜的结构特征和相组成,通过电化学氢渗透实验获得了带氧化膜钢样的氢渗透稳态电流和穿透时间,以此建立了不同氧化温度下的氢渗透模型,用参数φ_f/φ_m来定量分析氧化膜的阻氢性能。结果表明:氧化膜的阻氢性能受氧化膜的厚度和膜结构的共同影响。在300 ℃氧化得到的X80钢氧化膜致密均匀,φ_f/φ_m值是其他温度的2倍,阻氢性能最好,但膜厚度小;500 ℃氧化膜有少量微孔导致φ_f/φ_m值降低,但与基体结合紧密且厚度大,总体阻氢效果最好。400 ℃氧化膜有裂纹和孔洞,600 ℃氧化膜易脱落,均不能作为有效阻氢层。
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  超高强度钻杆钢的温度敏感系数

  许天旱, 丁一明, 林宏, 蔡炎桥, 雷志胜

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 95-102. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0131

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  借助静态液压万能试验机和低温试验箱,研究了钻杆钢在不同温度下的强度变化规律,同时用扫描电镜及透射电镜研究了钻杆钢的显微组织及拉伸断口形貌。结果表明:随着温度的降低,钻杆钢的屈服强度和抗拉强度均呈增加趋势,屈强比呈下降趋势。随着钻杆钢级的提高,材料的抗拉强度温度敏感系数q_b和屈服强度温度敏感系数q_s均呈明显的减小趋势,但它们的比值呈明显的增加趋势。抗屈温度敏感系数比k(抗拉强度与屈服强度温度敏感系数比值)可用来表征温度对材料的力学性能的影响,k值越大,随着温度降低,相比屈服强度,抗拉强度提高更快,材料低温综合力学性能越好。在本文研究的温度范围内,随着温度的降低,钻杆钢的断口始终保持为延性断裂特征,这与材料塑性没有随温度降低而显著降低是一致的。
材料表面改性
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  激光功率对Cr₇C₃-Fe₂C/MS₂镍基多元涂层组织与性能的影响

  孟祥军, 屠小斌, 许宏良, 王勉, 刘秀波, 刘海青

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 103-110. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0114

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  为提高304不锈钢表面的摩擦学性能,采用激光熔覆技术,选取不同激光功率,在304不锈钢表面原位衍生了Cr₇C₃-Fe₂C/MS₂镍基高温耐磨自润滑复合涂层,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和显微硬度计等分析测试了复合涂层的物相组成、显微组织和显微硬度,使用HT-1000型高温摩擦磨损试验机测试了涂层在600 ℃高温下的摩擦磨损性能。结果表明:激光功率对涂层物相组成影响不大,涂层物相组成为Cr_0.19Fe_0.7Ni_0.11固溶体、Cr₇C₃/Fe₂C、Ti₂SC/CrS和少量WS₂相;激光功率为1.8 kW时,涂层组织晶粒细小均匀,涂层平均显微硬度302.0 HV0.5,比不锈钢基体提高了约17.4%,涂层平均摩擦系数为0.35,磨损性能相比基体提高了约1倍;随着激光功率的提高,导致稀释率增加,涂层组织缺陷明显,涂层硬度低于基体。在高温600 ℃环境下,功率1.8 kW时制备的涂层磨损机理主要为润滑转移膜的形成与剥离、黏着磨损、氧化磨损,表现出优异的高温耐磨自润滑性能。
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  Si₃N₄晶须对原位形成Mo₂NiB₂金属陶瓷组织与性能的影响

  潘颖慧, 潘应君, 柯德庆, 甘章华, 徐鑫

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 111-116. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0118

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  采用化学镀方法在Si₃N₄晶须表面镀覆了一层均匀的镍镀层,利用真空液相烧结法制备了不同镀镍Si₃N₄晶须含量的Mo₂NiB₂基金属陶瓷,采用扫描电镜、显微硬度仪和三点弯曲试验等研究了不同镀镍Si₃N₄晶须的添加量对Mo₂NiB₂基金属陶瓷组织与性能的影响。结果表明:添加了适量镀镍晶须的金属陶瓷的组织细化,分布更均匀,抗弯强度和断裂韧性均有显著提高;当镀镍Si₃N₄晶须添加量为0.6 mass%时,金属陶瓷的力学性能最佳,其抗弯强度和断裂韧性分别达到了1887.4 MPa和19.24 MPa·m^1/2。Si₃N₄晶须对Mo₂NiB₂基金属陶瓷的增韧是裂纹偏转、晶须桥联、微裂纹增韧以及细小硬质相颗粒对裂纹的阻碍等机制共同作用的结果。
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  保温时间对镀锌B1500HS钢镀层组织和成分的影响

  倪雷, 刘丽艳, 郭亚洲, 凌华, 毕文珍, 韦习成

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 117-122. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0156

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  利用扫描电镜和能谱仪研究了不同保温时间对镀锌B1500HS钢镀层组织演变规律的影响,采用X射线衍射仪验证了基体元素扩散对镀层组织的影响。结果表明:镀层厚度随保温时间的延长逐渐增加,但当保温时间延长到7 min时,镀层厚度增幅变小。Г相与α-Fe(Zn)含量随保温时间的增加而发生变化,保温时间为3 min时,镀层表面由Г相、α-Fe(Zn)相和ZnO组成,保温时间为7 min时,Г相消失。Mn元素由基体扩散至镀层表面,在不同的保温时间下分别形成了MnO₂和ZnMn₂O₄。Al元素在保温时间为7 min时聚集于混合氧化层与α-Fe(Zn) 相之间,形成Al₂O₃。
材料模拟计算
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  DZ2高速列车车轴钢的热变形行为及热加工图

  张锦文, 王文先, 高建兵, 成生伟, 王育田, 王之香, 赵志刚

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 123-129. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0174

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  采用Gleeble-3800型热模拟机研究了DZ2高速车轴钢在应变速率0.01~10 s^-1、温度900~1150 ℃时的热压缩变形行为,分析了热压缩变形时该钢的流变应力、变形温度及应变速率之间的关系,通过线性回归确定了其流变应力本构方程,建立了其在不同应变下的热加工图。结果表明:DZ2车轴钢在高温热压缩时流变应力随变形温度的减小而增大,随应变速率的升高而增大。当应变速率等于0.01 s^-1时,DZ2车轴钢的流变应力曲线表现为动态再结晶特征。DZ2车轴钢的热变形激活能为356.64 kJ·mol^-1。在低温高应变速率区(温度为950~1020 ℃,应变速率为1~5 s^-1)以及高温低应变速率区(温度为1050~1150 ℃,应变速率为＜1 s^-1)这2个区域为变形安全区,适合DZ2高速车轴钢进行热加工。
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  C17200合金热变形行为及热加工图

  康军伟, 周延军, 刘海涛, 宋克兴, 张勇, 孔令宝, 吕官丽, 岳丽娟

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 130-136. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0124

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  采用Gleeble-1500D数控动态热力模拟试验机,对C17200(Cu-1.9Be-0.3Co)合金进行了热压缩试验,研究了该合金在变形温度为600、650、700、750和800 ℃,应变速率为0.01、0.1、1、5和10 s^-1,总压缩应变量为50％条件下的热变形行为。结果表明:合金的峰值应力随应变速率的增加和温度的降低而升高,C17200合金为热(负温度)敏感型和正应变速率敏感型合金,应变速率为1 s^-1、5 s^-1和10 s^-1时,合金软化机制以动态回复为主,应变速率为0.01 s^-1和0.1 s^-1时,合金软化机制以动态再结晶为主,且高温低应变速率有利于促进合金发生动态再结晶;基于Arrhenius双曲正弦本构关系得到了C17200合金的峰值流变应力本构方程;基于MATLAB平台编程构建了应变量为0.1~0.6时C17200合金的热加工图,在实验范围内获得安全加工区的热加工工艺参数区间为:变形温度750~800 ℃,应变量0.4~0.6,应变速率0.1~0.2 s^-1。
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  Ti-15Mo合金的再结晶行为及动力学

  向柳, 辛社伟, 毛小南, 杜宇, 周伟, 李倩, 蔡建华

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 137-142. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0102

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  研究了Ti-15Mo合金在不同退火处理条件下的再结晶行为,构建合金的再结晶动力学模型,计算其再结晶激活能。结果表明:随着退火温度的增加,合金的再结晶形核孕育期时间缩短,再结晶速度提高;随着退火时间的延长,再结晶晶粒长大速度在开始阶段较快,随后随着动力学条件的减弱,长大速度有所下降。采用阿弗拉密(Avrami)方程描述了不同温度下Ti-15Mo的再结晶动力学模型,应用Arrhenius方程,推算出Ti-15Mo的再结晶激活能为145.68 kJ/mol。
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  摩擦热对靴轨凿削临界条件的影响

  干聪, 田晓耕, 汪振兴, 郭钊

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 143-154. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0130

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  基于物质点法,首先完成了滑靴材料(C300)和滑轨材料(U75V)动态本构关系的验证,表明靴轨材料的本构模型参数(J-C模型)可以扩展至中高应变率情形,能够准确地描述材料中高应变率的动态力学行为;进而研究了由于滑靴与滑轨的摩擦造成滑靴表面的温度上升对靴轨间发生凿削临界速度的影响。结果表明:滑靴与滑轨接触表面的温升提高了靴轨间发生凿削的临界速度,靴轨间的摩擦温升对于提高火箭橇的运行速度是有利的。研究成果可为加深靴轨凿削机理认识、保证火箭橇试验系统安全高速的运行提供可靠的理论支撑。
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  铜基CPU水冷散热器的散热数值模拟与结构优化

  王金龙, 苑成东, 刘昭良, 崔大伟

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 155-161. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0147

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  为了增强CPU水冷散热器的散热能力、提高其散热均匀性,通过ANSYS软件对CPU水冷散热器进行数值模拟,研究进出口数量和导流板对翅片式散热器散热效果的影响,并进行结构优化。结果表明,随着进出口数量的增多,CPU温度分布更加均匀;进口导流板结构使得散热器散热能力增强。以0.4 mL·s^-1情况下的最低温度和最低压降为优化目标,最优结果出现在20入口、无出口导流板时,此时温度和压降都取到最小值,分别是54.927 ℃、0.823 Pa。
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  InconelX-750合金大型电渣锭重熔过程的模拟

  陈琨, 王立民

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 162-169. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0103

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  利用MeltFlow模拟软件对大型InconelX-750合金电渣锭铸态组织的一次、二次枝晶间距进行模拟计算,并对实际生产的电渣锭取样进行显微组织观察。模拟计算结果表明:不同合金元素对冷却速率和局部凝固时间的变化敏感程度不同,但是在整个电渣锭范围内分布均匀,无明显宏观偏析;由电渣锭头部向尾部、中心位置到边缘,一次、二次枝晶间距逐渐减小,在相同位置,电渣锭头部的枝晶间距大于尾部。实验结果表明:电渣锭由中心位置到边缘,随着凝固过程中过冷度的增加,枝晶组织尺寸和枝晶端部曲率半径逐渐减小,且中心位置的一次枝晶间距大约是边缘位置的1.9~2.4倍,中心位置二次枝晶间距大约是边缘位置的1.4~1.6倍。相同位置,电渣锭头部的枝晶组织尺寸和枝晶间距大于尾部;电渣锭头部试样枝晶间析出大量针状相,而尾部仅有少量的块状相弥散析出;枝晶间距模拟计算结果和实验测量结果基本一致,可以利用该模拟软件对电渣锭凝固之后的枝晶间距进行预测。
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  合金钢强韧化热处理组织结构高通量高分辨率三维重建

  周祝兵, 闫扶摇, 张雁祥, 赵军, 徐跃明, 闫牧夫

  材料热处理学报. 2020, 41(10): 170-174. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2020-0115

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  应用距离相关函数法,重构了桥梁锚具用40Cr合金钢淬火层和航空高速重载传动件用18Ni合金钢低温稀土共渗层的三维组织结构。结果表明:该方法分辨率取决于组织结构的二维图像,因此可以达到超高分辨率。另外,提出的多级重构算法突破了传统算法重构尺寸极限(150³体元),可在短时内重建200³体元尺寸,因此具有高通量特性。该方法为合金钢组织结构的表征提供了一种简单易用的、介于二维体视学与三维成像技术之间的有效途径。