2019年, 第43卷, 第11期　
刊出日期：2019-11-20

  

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  机械工程材料. 2019, 43(11): 0-0.

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试验研究
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  P92钢的高温低周疲劳行为及寿命预测

  张兆福, 徐连勇, 马东方, 徐亮, 胡锋涛, 蒋成虎

  机械工程材料. 2019, 43(11): 1-4. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911001

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  采用RPL50型动蠕变试验机对P92钢进行630℃和不同应变幅下的低周疲劳试验，研究了P92钢的高温低周疲劳行为；基于塑性应变能密度与硬度、应力幅和低周疲劳寿命的关系，采用基于能量的硬度法对其低周疲劳寿命进行预测，并与试验结果进行对比。结果表明：P92钢是一种循环软化材料，其初始归一化应力幅随应变幅的增加而增加，且不同应变幅下的归一化应力幅均随循环周次的增加而降低；随着应变幅的增加，弹性应变幅保持稳定，塑性应变幅近似线性增加，软化率也相应增加，并最终稳定在0.3左右；硬度与应变幅满足良好的线性关系；基于能量的硬度法可以较准确地预测P92钢在630℃时的高温低周疲劳寿命，计算得到的预测寿命均位于试验寿命的±1.5倍标准偏差内。
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  DP980钢板辊弯成形矩形管过程中的开裂行为

  王健, 孙力, 熊自柳, 罗扬, 董伊康

  机械工程材料. 2019, 43(11): 5-8,20. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911002

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  通过显微组织和微观形貌观察，分析了DP980钢板辊弯成形矩形管过程中的开裂行为。结果表明：DP980钢矩形管在成形过程中，其弯角部位近内表面处的塑性明显低于近外表面处的；弯角处裂纹起裂于内表面，由内表面向外表面沿马氏体堆簇部位扩展；裂纹始端呈穿晶扩展，始端断口呈现解理断裂特征，裂纹末端断口及人工断口呈现准解理断裂与韧性断裂混合特征。
新材料 新工艺
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  电连接接触面用低熔点锡基多元合金的制备及其与T2铜基板的结合性能

  周年荣, 赵佳丽, 唐立军

  机械工程材料. 2019, 43(11): 9-11,26. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911003

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  熔炼了Sn-3.5Ag、Sn-1.6Cu、Sn-Zn-0.7Cu、Sn-8Zn-3Bi等4种低熔点（低于230℃）合金，根据这4种合金在T2铜基板上的铺展面积确定出铺展效果较好的合金，并分析了该合金与铜基板的界面结合情况。结果表明：Sn-1.6Cu合金在T2铜基板上的铺展性能最好，其铺展面积最大，且铺展后的表面光滑，Sn-3.5Ag合金的铺展性能次之，Sn-Zn-0.7Cu合金和Sn-8Zn-3Bi合金的铺展性能较差；Sn-1.6Cu合金在铜基板上铺展后，其连接界面无气孔、裂纹等缺陷，界面处发生了元素互扩散，形成了铜锡固溶层，界面结合性能良好。
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  PC+ABS工程塑料合金薄壁制件注塑工艺参数的优化

  丁永峰, 龙婵娟

  机械工程材料. 2019, 43(11): 12-15,31. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911004

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  以某畅销手机后盖为例，采用正交试验方法，应用MoldFlow软件模拟了注射时间、熔体温度、模具温度、保压压力等对PC+ABS工程塑料合金制件最大翘曲变形量的影响，得到最佳的注塑工艺参数；采用模拟得到的最佳工艺参数进行试制生产，以验证模拟结果的可靠性。结果表明：注塑工艺参数对手机后盖薄壁制件翘曲变形影响的主次顺序为注射时间、熔体温度、模具温度、保压压力；模拟得到制件的最佳注塑工艺参数为注射时间0.40 s，熔体温度280℃，模具温度72℃，保压压力60 MPa，此时制件的最大翘曲变形量最小，为0.509 0 mm，翘曲变形主要出现在手机后盖四角处，耳机插孔旁的翘曲变形量最大；在优化工艺参数下试制产品的最大翘曲变形量为0.530 mm，翘曲变形位置与有限元模拟结果一致，这验证了模拟结果的可靠性。
材料性能及应用
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  激光熔覆NiCrBSi/WC-Co复合涂层的组织与耐磨性能

  王东生, 田宗军

  机械工程材料. 2019, 43(11): 16-20. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911005

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  采用同轴送粉激光熔覆技术在42CrMo合金钢基体表面制备WC-Co颗粒增强NiCrBSi复合涂层（NiCrBSi/WC-Co复合涂层），研究了复合涂层的物相组成、显微组织、显微硬度和耐磨性能。结果表明：复合涂层主要由γ-Ni固溶体、WC、FeNi₃、B₂Co₃、CoC_x、FeCr_0.29Ni_0.16C_0.06、W₃C、Co₃W₃C₆等物相组成；复合涂层顶部为方向杂乱的细小树枝晶，中部为较粗大的柱状树枝晶，底部为垂直于结合界面生长的胞状晶，涂层与基体形成了良好的冶金结合；复合涂层表面的平均硬度为810 HV，远高于基体的（270 HV），磨损质量损失为0.3 mg，远低于基体的（1.9 mg），其磨损机制主要为磨粒磨损；复合涂层可显著提高42CrMo钢基体的耐磨性能。
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  热拉伸变形及固溶时效处理对TC4-DT钛合金显微组织的影响

  潘巧玉, 余新平, 齐永杰, 黄庆华, 潘光永

  机械工程材料. 2019, 43(11): 21-26. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911006

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  分别在α+β两相区（925℃）、近β两相区（960℃）、准β单相区（995℃）对TC4-DT钛合金进行等温恒应变速率热拉伸变形，再进行920，940，960，980℃固溶和550，720℃时效热处理，研究了其流变应力的变化趋势和不同工艺处理后的显微组织。结果表明：在拉伸变形初期，流变应力迅速增大至峰值后缓慢减小，同时流变应力降幅随变形温度的升高而减小；拉伸变形温度越高或变形量越大，组织中初生α相量越少，针状α相越多，形成的片层组织越多；经960，995℃拉伸变形和不同温度固溶处理后，固溶温度越高，析出的针状α相越多，越易形成片层组织；经拉伸变形、固溶和时效处理后的显微组织和时效处理前的差别不大，但在针状α相间的β相上析出了次生α相，且时效温度越高，针状α相越粗大，片层组织越明显。
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  搅拌摩擦加工道次对PI/7075铝基复合材料显微组织和耐磨性能的影响

  高吉成, 宋子豪, 周浪, 顾程, 顾培扬, 沈以赴

  机械工程材料. 2019, 43(11): 27-31. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911007

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  在7075铝合金表面预置聚酰亚胺（PI）颗粒，利用搅拌摩擦加工（FSP）技术在不同加工道次下制备PI/7075铝基复合材料，研究了加工道次对复合材料显微组织和耐磨性能的影响。结果表明：增加加工道次可以减少复合材料内部缺陷，提高晶粒细化程度以及PI颗粒在铝合金基体中的分散性；复合材料的耐磨性能优于7075铝合金的，且随着加工道次的增加，耐磨性能提高；不同道次搅拌摩擦加工复合材料的磨损表面均存在少量犁沟和较浅的磨痕，其磨损机制均为黏着磨损和磨粒磨损。
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  钒添加量对Mo₂FeB₂基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

  李万发, 周佳, 王浩, 吕学鹏, 郑勇

  机械工程材料. 2019, 43(11): 32-36. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911008

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  采用真空液相烧结技术制备了Mo₂FeB₂基金属陶瓷，研究了钒添加量（质量分数，0～7.5%）对其组织和力学性能的影响。结果表明：当钒添加量不大于2.5%时，金属陶瓷的孔隙率无明显变化，当钒添加量大于2.5%时，金属陶瓷中的孔隙明显增多，金属陶瓷的致密性下降；钒的添加对金属陶瓷的相组成无显著影响，Mo₂FeB₂硬质相均匀分布在铁基黏结相中；当钒添加量为2.5%时，硬质相呈长条状且明显细化；当钒添加量大于2.5%时，硬质相发生团聚，且形貌由长条状向等轴状转变；随着钒添加量的增加，金属陶瓷的硬度、抗弯强度和断裂韧度均先增后降，当钒添加量为2.5%时均达到最大值，分别为90.6 HRA、2 350 MPa和15.1 MPa·m^1/2。
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  S904L超级奥氏体不锈钢管钨极氩弧焊接头的力学性能与耐腐蚀性能

  吴叶军, 孙尧尧, 马国新

  机械工程材料. 2019, 43(11): 37-41. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911009

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  对尺寸60 mm×3 mm的S904L超级奥氏体不锈钢管进行单面焊双面成形的钨极氩弧焊，对接头的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能进行研究。结果表明：接头焊缝表面未出现气孔、焊瘤、凹陷、咬边等缺陷，内部未出现裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，焊缝成形性能良好；焊缝组织为柱状晶+等轴晶，热影响区与母材组织为奥氏体；接头的抗拉强度不低于525 MPa，且接头在热影响区断裂，断裂性质为韧性断裂；弯曲180°后，面弯试样和背弯试样表面均无裂纹，满足标准要求；热影响区的显微硬度最高，焊缝的次之，母材的最低；焊缝与母材的晶间腐蚀敏感性均较小，且焊缝在硫酸中的耐腐蚀性能仅略低于母材的。
物理模拟与数值模拟
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  P92钢多层多道焊接接头残余应力的有限元模拟

  任森栋, 毕涛, 李索, 刘祥军, 王浩宇, 邓德安

  机械工程材料. 2019, 43(11): 42-46. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911010

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  采用考虑固态相变的热-冶金-力学耦合有限元模拟方法，使用SYSWELD软件研究了P92钢多层多道焊接接头的温度场及残余应力场；观察了接头截面形貌，采用盲孔法测试了残余应力，并对模拟结果进行了验证；采用该有限元模拟方法分析了焊接过程中残余应力的变化。结果表明：模拟得到的接头截面峰值温度分布形状与试验得到的接头截面形貌相吻合，说明有限元模拟可以较好地还原实际焊接过程中的热输入情况；模拟得到的接头残余应力沿焊缝中心呈对称分布，与试验结果吻合较好，说明该有限元模拟方法可以准确地预测P92钢多层多道焊接接头的残余应力；在多层多道焊接过程中焊缝及热影响区的部分金属在经历后续热循环时发生软化，导致残余应力消失，并在冷却阶段发生残余应力的重新分配。
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  连续球压痕法表征幂硬化金属材料拉伸性能的有限元模拟

  瞿力铮, 吴益文, 单清群, 邓小伟, 余征跃

  机械工程材料. 2019, 43(11): 47-52. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911011

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  应用ABAQUS软件，采用二维和三维建模方法对典型幂硬化金属材料6061铝合金的连续球压痕试验进行了模拟，得到了压痕载荷-深度曲线，并进行了压痕试验验证；基于压痕载荷-深度曲线计算得到不同方法下的拉伸性能参数，并与单轴拉伸试验结果进行对比，分析了试样厚度、相邻球压头距离等压痕试验参数对拉伸性能计算结果的影响。结果表明：采用三维建模方法得到的压痕载荷-深度曲线与球压痕试验得到的更吻合；由三维建模方法得到的表征应力、表征应变数据与拉伸试验得到的应力-应变曲线更吻合，抗拉强度和屈服强度计算值与试验值的相对误差均不超过1%，说明该方法能够准确地表征试验合金的拉伸性能；影响拉伸性能的临界试样厚度和临界相邻和压头距离均为压头半径的4倍。
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  工艺参数对激光冲击诱导表面残余应力洞的影响规律

  程秀全, 晏畅, 程思竹, 夏琴香

  机械工程材料. 2019, 43(11): 53-56,61. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911012

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  通过建立残余应力洞数学模型，引入残余应力洞的相对洞深、相对洞宽及应力损失比等概念，采用经过试验验证的有限元模型来定量分析激光冲击能量（1.0～3.0 J）、光斑直径（1.0～3.0 mm）、冲击次数（1～5次）、光斑搭接率（30%～70%）等工艺参数对残余应力洞的影响。结果表明：在研究的工艺参数范围内，由残余应力洞所造成的应力损失比都很小，都小于3%，相对洞宽均小于20%，而相对洞深的变化范围较大，为0~70%，相对洞深是影响表面残余应力分布均匀性的主要因素；为改善表面残余应力分布的均匀性，当单个残余应力洞的相对洞深超过10%时，应采用光斑搭接方式进行冲击强化，且相邻光斑中心的距离应等于残余应力洞的洞口半径。
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  金属材料表面裂纹疲劳扩展形状演变规律

  王兴路, 贺利乐

  机械工程材料. 2019, 43(11): 57-61. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911013

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  基于裂纹扩展过程中的能量释放率理论提出一种表面裂纹疲劳扩展形状的计算方法，研究了在拉伸和弯曲疲劳载荷作用下金属板材中表面裂纹扩展形状演变规律，并进行了试验验证。结果表明：计算得到在拉伸载荷作用下的裂纹扩展初始阶段，表面裂纹呈半圆形，随着裂纹深度的增加，表面裂纹形状逐渐变为扁长型半椭圆形；在弯曲载荷作用下的裂纹扩展初始阶段，表面裂纹呈半圆形，随着裂纹深度的增加，表面裂纹形状逐渐变为细长型半椭圆形；试验得到表面裂纹在疲劳扩展过程中的形状逐渐靠近计算得到的形状；在表面裂纹长度相等的条件下，试验与计算得到的裂纹深度的相对误差小于4.5%，说明采用基于能量释放率理论的表面裂纹扩展形状计算方法来预测表面裂纹疲劳扩展的形状演变是可行的。
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  热处理U71Mn钢轨钢的棘轮行为及其本构模型

  樊译璘, 阚前华, 康国政, 徐祥

  机械工程材料. 2019, 43(11): 62-67,72. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911014

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  通过单轴拉伸试验、对称应变循环疲劳试验和非对称应力循环疲劳试验，研究了热处理U71Mn钢轨钢的循环特征和棘轮行为；基于试验结果，对Abdel-Karim-Ohno循环塑性本构模型进行修正，并将模拟结果与试验结果进行对比。结果表明：试验钢表现出初始循环软化特性；在非对称应力循环载荷下，试验钢产生了明显的棘轮行为，棘轮应变随应力幅、平均应力和峰值应力的增加而增加，棘轮应变率随峰值应力的增加而增加，当峰值应力不超过950 MPa时，棘轮应变率随循环周次的增加快速减小至稳定值，当峰值应力超过950 MPa时，棘轮应变率先减小后增大；大多数工况下采用所建立的修正Abdel-Karim-Ohno循环塑性本构模型得到的棘轮应变与试验值的平均相对误差约为9.8%，说明该模型能够较好地预测热处理U71Mn钢轨钢在应力循环工况下的棘轮行为。
失效分析
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  某循环流化床锅炉TP347H钢再热器管的开裂原因

  李健, 张聪慧, 曹铁山, 赵杰

  机械工程材料. 2019, 43(11): 68-72. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911015

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  通过宏观形貌和显微组织观察、化学成分分析、硬度与冲击性能测试等方法，对某电厂循环流化床锅炉TP347H钢再热管的开裂原因进行分析。结果表明：TP347H钢再热器管与鳍片焊接后，熔合线附近组织均匀性变差，局部晶粒粗大，力学性能变差；服役过程中，在焊接残余应力与屏式再热器管振动所产生的附加应力的共同作用下，裂纹在再热器管熔合线附近晶界处萌生；高温服役过程中的氧化反应加速了再热器管的开裂；建议通过用晶粒细小材料替换TP347H钢、优化再热器排布结构等措施防止再热管的开裂。
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  轻烃站原料气压缩机A机进气阀阀盖螺栓的断裂原因

  赵国仙, 杜航波, 许文妍, 薛艳, 祝恒倩

  机械工程材料. 2019, 43(11): 73-78. https://doi.org/10.11973/jxgccl201911016

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  通过对某油田轻烃站原料气压缩机A机进气阀阀盖螺栓的断口形貌、化学成分、显微硬度、显微组织、受力情况等进行分析，讨论了螺栓失效的原因。结果表明：螺栓的断裂性质为疲劳断裂，疲劳裂纹在螺纹根部萌生；螺纹根部存在因加工不当而出现的缺口、凹坑等缺陷，缺陷处易产生应力集中而成为疲劳裂纹源，在压缩机工作时产生的交变应力作用下微裂纹扩展，并最终导致螺栓的断裂；建议在螺栓加工过程中，采用表面喷丸、渗碳、渗氮等工艺在螺纹根部表面引入残余应力，严格按照高强紧固件的热处理要求进行调质热处理，严格按照压缩机的使用要求紧固螺栓，并定期检查和更换螺栓。