2020年, 第44卷, 第12期　
刊出日期：2020-12-20

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  机械工程材料. 2020, 44(12): 0-0.

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综述
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  微合金化热成形钢开发应用进展及展望

  路洪洲, 赵岩, 冯毅, 马鸣图, 边箭, 刘永刚, 郭爱民

  机械工程材料. 2020, 44(12): 1-10. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012001

  摘要 ( 277 ) PDF全文 ( 894 )   可视化   收藏

  超高强钢是汽车实现轻量化兼顾安全性的关键材料，1.5 GPa及以上高性能热成形钢的开发和应用是关键。近10 a来，微合金化热成形钢及其零件制造技术迅速发展，实现了高弯曲角度、抗氢脆断裂、高韧性、高淬透性等性能目标，进而提高了车辆的被动安全性能及轻量化水平。综述了微合金化热成形钢开发与使用现状，包括1.5~2.0 GPa级铌、钒、铌钒复合、铌钒（钼）复合微合金化热成形钢的开发和应用进展，以及微合金化对纳米级第二相析出和晶粒细化的影响；微合金化热成形钢的抗氢脆性能和机理；微合金化热成形钢的尖角冷弯性能及其对碰撞安全性能的影响；微合金化热成形钢的断裂失效性能。对今后微合金化热成形钢的生产制造与应用前景作出展望。
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  电弧增材制造成形规律、组织演变及残余应力的研究现状

  耿汝伟, 杜军, 魏正英

  机械工程材料. 2020, 44(12): 11-17. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012002

  摘要 ( 396 ) PDF全文 ( 2157 )   可视化   收藏

  电弧增材制造技术以其在大型构件成形方面的独特优势得到越来越多的关注，成为应用最广泛的金属增材制造技术之一。介绍了电弧增材制造技术的发展史，从“控形控性”的角度出发，分析了工艺参数对沉积层形貌的影响规律，讨论了成形件的显微组织演变机制，介绍了残余应力数值模拟方法及其优缺点，指出计算流体动力学和有限元方法相结合是未来研究趋势之一，总结了控制应力和变形常用的方法以及电弧增材制造面临的问题和挑战。
试验研究
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  搅拌针长度对2A14铝合金锁底结构搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

  宋建岭, 赵英杰, 孙广达, 梁涛, 周利

  机械工程材料. 2020, 44(12): 18-23,46. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012003

  摘要 ( 156 ) PDF全文 ( 22 )   可视化   收藏

  对由2A14铝合金退火态叉形环和淬火+人工时效态短壳组成的锁底结构（槽深6 mm）进行搅拌摩擦焊，研究了搅拌针长度（4.0~7.0 mm）对接头组织和性能的影响。结果表明：搅拌针长度小于6.0 mm时，接头根部出现未焊透缺陷，搅拌针长度不小于6.0 mm时，短壳一侧焊缝边缘出现“Hook”缺陷，且其高度随着搅拌针长度增加而增大；随搅拌针长度增加，焊核区晶粒尺寸先减小后增大，拉伸性能先增大后减小，搅拌针长度为6.0 mm时，焊核区晶粒尺寸最小，硬度最高，拉伸性能最好；搅拌针长度为4.0 mm时，接头拉伸断口出现分层，呈准解理和韧窝的混合断裂模式，搅拌针长度不小于6.0 mm时，接头呈韧性断裂。
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  磁控溅射不同元素掺杂WS₂薄膜的组织和纳米压痕力学性能

  贺江涛, 蔡海潮, 薛玉君, 杨芳, 马喜强

  机械工程材料. 2020, 44(12): 24-28,36. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012004

  摘要 ( 200 ) PDF全文 ( 389 )   可视化   收藏

  采用磁控溅射法在不同沉积压力（0.8，1.2 Pa）下分别制备WS₂薄膜、Ti/WS₂复合薄膜和La-Ti/WS₂复合薄膜，研究了薄膜的组织结构和纳米压痕力学性能。结果表明：WS₂薄膜呈疏松多孔结构，晶粒粗大，孔洞较多，组织致密性差；与WS₂薄膜相比，Ti/WS₂复合薄膜的晶粒尺寸减小，组织变得致密，掺杂镧后薄膜的晶粒尺寸进一步减小，组织更致密；镧的掺杂还降低了薄膜中硫与钨的原子比，增加了硬质钨相的相对含量，提高了薄膜的硬度和变形抗力。
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  不同温度退火后Cu-Ag合金的组织和性能

  孔令宝, 周延军, 宋克兴, 曹军, 吕长春, 李科, 刘庆宾, 吴保安, 唐会毅, 张学宾, 皇涛

  机械工程材料. 2020, 44(12): 29-32. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012005

  摘要 ( 197 ) PDF全文 ( 435 )   可视化   收藏

  采用连铸法结合冷拉拔与中间软化处理制备Cu-4Ag和Cu-20Ag合金，研究了合金在不同温度（440，480，520℃）退火后的显微组织、硬度和导电率。结果表明：退火后，富银相在Cu-4Ag和Cu-20Ag合金横截面上分别呈细小的颗粒状和连续的网状结构，在合金纵截面上均呈纤维状。与Cu-4Ag合金相比，Cu-20Ag合金的富银相较多，硬度较高，导电率较低；随退火温度升高，2种合金的硬度降低，导电率增大，480℃退火后二者的导电率和硬度均最接近；在480℃退火时Cu-20Ag合金的导电率和硬度达到最优匹配。
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  服役劣化HP40Nb炉管模拟焊接热影响区的显微组织和拉伸性能

  李松林, 曹逻炜, 韩志远, 程方杰

  机械工程材料. 2020, 44(12): 33-36. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012006

  摘要 ( 153 ) PDF全文 ( 101 )   可视化   收藏

  通过焊接热模拟，研究了服役劣化HP40Nb制氢转化炉管热影响区的显微组织和拉伸性能。结果表明：服役劣化炉管的奥氏体晶界上存在粗大、连续的G相和富铬M₂₃C₆碳化物；在峰值温度（1 100~1 200℃）下热循环后，析出相仍主要为G相和M₂₃C₆碳化物，二者含量随峰值温度升高而减少；当峰值温度升至1 250℃时，析出相主要为M₂₃C₆和NbC相；在较低峰值温度（950~1 050℃）下所得热影响区试样的抗拉强度和断后伸长率均较低；峰值温度高于1 100℃时，抗拉强度和断后伸长率总体上均随温度的升高而增大，且在1 150℃及以上时，抗拉强度满足未服役HP40Nb合金的强度要求，但伸长率远小于标准要求。
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  铝、硅元素添加对TiN基薄膜组织和性能的影响

  郭力铭, 段利利, 于晓丰, 吴化

  机械工程材料. 2020, 44(12): 37-41. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012007

  摘要 ( 217 ) PDF全文 ( 240 )   可视化   收藏

  采用物理气相沉积（PVD）法制备TiN、Ti-Al-N和Ti-Si-N 3种薄膜，研究了铝和硅元素添加对薄膜组织和性能的影响。结果表明：Ti-Al-N薄膜组织中Ti₃AlN相存在择优取向，形成了粗大的柱状晶；Ti-Si-N薄膜生成了Si₃N₄相，组织相对细小；Ti-Al-N薄膜的膜基结合力最小，Ti-Si-N薄膜的膜基结合力最大；Ti-Al-N薄膜的表面粗糙度最小，硬度和弹性模量最大；Ti-Si-N薄膜的摩擦因数略高于Ti-Al-N薄膜的，但二者相差很小，这应与Ti-Si-N薄膜组织较细小且形成的Si₃N₄相具有一定的自润滑性能有关。
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  超高强钢FG20在不同pH高含硫油田水中的腐蚀行为

  王志强, 黄小光, 郭廷顺, 裴召华

  机械工程材料. 2020, 44(12): 42-46. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012008

  摘要 ( 204 ) PDF全文 ( 188 )   可视化   收藏

  采用电化学腐蚀和室内挂片腐蚀试验对抽油杆用超高强钢FG20在不同pH （6.0，7.0，8.0）高含硫油田水中的腐蚀行为进行了研究。结果表明：随着油田水pH升高，FG20钢的自腐蚀电位负移，自腐蚀电流密度减小，腐蚀速率降低；随着油田水pH升高，FG20钢表面腐蚀产物由疏松开裂的FeS层转变为较致密的FeCO₃和Fe₂O₃层，对FG20钢表面的腐蚀保护作用增强。
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  退火工艺对建筑装潢用不锈钢组织与性能的影响

  黄磊, 孙艳君, 吴昊

  机械工程材料. 2020, 44(12): 47-52. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012009

  摘要 ( 148 ) PDF全文 ( 13 )   可视化   收藏

  在低温（840，880℃）单相区和高温（950，1 000，1 050，1 100℃）双相区对10Cr17不锈钢进行退火处理，并分别空冷和水冷至室温，研究了退火温度和冷却方式对其显微组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：试验钢低温（840，880℃）退火组织为铁素体+（Fe，Cr）₂₃C₆碳化物，高温（950~1100℃）退火组织为铁素体+马氏体+（Fe，Cr）₂₃C₆碳化物；当退火温度达到1 000℃及以上时组织发生完全动态再结晶，水冷方式下的再结晶晶粒尺寸较空冷方式下的细小；与低温退火钢相比，高温退火试验钢的强度更高，塑性更差，耐腐蚀性能更好，并且高温退火水冷方式下的耐腐蚀性能优于高温退火空冷方式下的；水冷方式下试验钢的强度均较空冷方式下的高，塑性则略低；当退火温度在950℃时，试验钢能达到较好的强塑性结合，并且耐腐蚀性能最佳。
新材料 新工艺
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  SG90T-9C高强韧性渣气联保药芯焊材的研发

  张楠, 田志凌, 张书彦, 张飞虎

  机械工程材料. 2020, 44(12): 53-61. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012010

  摘要 ( 307 ) PDF全文 ( 13 )   可视化   收藏

  研制了一种金红石型SG90T-9C渣气联保药芯焊丝，研究了硅、锰添加量对焊丝熔敷金属和焊接Q960E钢焊缝金属组织和性能的影响，以及热输入对焊缝组织中M/A岛形貌的影响，并与同级别CHT91K2和ESAB91K2焊丝以及HC8Mn2SiA焊丝/HJ431焊剂进行了综合性能对比分析。结果表明：随着锰、硅添加量增加，熔敷金属抗拉强度增大，冲击韧性先增大后减小；随焊接热输入增加，M/A岛由点状转变为块状并富集于晶界，热输入应控制在10 kJ·cm^-1以内；与其他焊材相比，SG90T-9C焊丝熔敷金属的力学性能优异，焊接Q960E钢所得焊缝质量较好，焊接Q960E钢梁架的气孔率和返修率显著降低。
材料性能及应用
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  喷丸处理对Al₁₈B₄O₃₃晶须增强铝基复合材料残余应力和微观结构的影响

  吴祎晗, 姜传海

  机械工程材料. 2020, 44(12): 62-66. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012011

  摘要 ( 219 ) PDF全文 ( 206 )   可视化   收藏

  对Al₁₈B₄O₃₃晶须增强铝基复合材料进行常规喷丸（室温）与热喷丸（200℃）处理，研究了喷丸处理后表层残余应力分布，采用X射线衍射线形分析方法对表层微观结构进行表征，并研究了其显微硬度。结果表明：喷丸处理后复合材料表层的残余压应力随着距表面距离（深度）的增加先增大后减小，且热喷丸处理后的残余压应力大于常规喷丸处理后的；随着深度的增加，喷丸处理后表层的晶块尺寸增大，微观应变减小，且热喷丸处理后的晶块尺寸与微观应变小于常规喷丸处理后的；喷丸处理后表层的位错密度与硬度随着深度的增加而降低，且热喷丸处理后的位错密度与硬度均高于常规喷丸处理后的。
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  Al-12Si-CuNiMg铸造铝硅合金在多轴加载下的疲劳性能

  刘晓勇, 张翼

  机械工程材料. 2020, 44(12): 67-70. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012012

  摘要 ( 180 ) PDF全文 ( 130 )   可视化   收藏

  在等效应力幅160，150，140 MPa下，对Al-12Si-CuNiMg铸造铝硅合金进行比例和90°非比例多轴加载疲劳试验，测试了合金的疲劳寿命，对比了最大主应力模型和临界面损伤参量Matake模型估算2种加载模式疲劳寿命的准确性，分析了疲劳断口形貌。结果表明：在相同等效应力幅下非比例加载试样的疲劳寿命远低于比例加载试样的；比例加载时，最大主应力模型和Matake模型的疲劳寿命估算值均具有较高的精度，非比例加载时，最大主应力模型的估算误差较大，但Matake模型的估算精度仍较高，该模型适用于该材料的多轴加载疲劳寿命估算；非比例多轴加载下合金呈脆性断裂，裂纹源位于近表面的氧化夹杂物处，裂纹扩展区呈准解理穿晶断裂特征，且伴有二次裂纹。
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  岩棉纤维增强SiO₂气凝胶复合隔热材料加速老化后的结构和性能

  肖淑华, 范金娟

  机械工程材料. 2020, 44(12): 71-74,84. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012013

  摘要 ( 183 ) PDF全文 ( 181 )   可视化   收藏

  在600℃、不同时间（1~15 d）下对岩棉纤维增强SiO₂气凝胶复合隔热材料进行加速老化试验，研究了其老化后的微观结构、压缩性能和导热性能。结果表明：随老化时间延长，填充在岩棉纤维网架空隙中的气凝胶发生团聚，纤维断裂程度增加，老化时间为15 d时，气凝胶呈烧结状态，结构致密；未老化试样的应力随应变呈线性变化，老化试样的应力增大速率大于未老化试样的，老化15 d时，应力随应变的增大速率最大；随老化时间延长，试样的热量传输路径变短，导热系数增大。
物理模拟与数值模拟
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  0.5%石墨烯增强铝基复合材料的热变形行为

  娄淑梅, 郭广鑫, 刘永强, 张苹苹

  机械工程材料. 2020, 44(12): 75-79. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012014

  摘要 ( 141 ) PDF全文 ( 243 )   可视化   收藏

  在变形温度330~450℃，应变速率0.01~10 s^-1条件下对0.5%（质量分数，下同）石墨烯增强铝基复合材料进行热压缩模拟试验，研究了该复合材料的热变形行为，基于流变数据建立了考虑应变补偿的本构方程，基于动态材料学模型构建了热加工图，确定了优化参数范围并选择一组优化参数进行了材料热挤压有限元模拟。结果表明：复合材料在不同热变形条件下的真应力-应变曲线均呈先上升再下降最后趋于平缓的特征，峰值应力随变形温度的升高或应变速率的减小而减小；复合材料的较优变形温度为410~430℃，应变速率为0.01~0.016 s^-1，有限元模拟发现，在变形温度为420℃，应变速率为0.01 s^-1条件下可以挤出质量较好的复合材料型材。
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  TC8钛合金的动态力学性能及本构关系

  蔡明, 陈伟, 陈利强, 赵振华, 刘璐璐

  机械工程材料. 2020, 44(12): 80-84. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012015

  摘要 ( 303 ) PDF全文 ( 440 )   可视化   收藏

  对TC8钛合金进行了不同应变速率（0.000 1，0.001，0.01 s^-1）下的室温准静态拉伸试验，并采用霍普金森压杆装置进行了不同应变速率与温度下的动态压缩试验，研究了该合金的准静态和动态力学性能；通过拟合试验数据获取参数建立J-C本构模型，并进行了试验验证。结果表明：随着准静态拉伸试验中应变速率的增大，TC8钛合金的屈服强度、抗拉强度与最大等效失效塑性应变均增大；随着室温动态压缩试验中应变速率的增大，合金的屈服强度与极限强度增大，表现出明显的应变速率强化效应，随着温度的升高，合金的屈服强度与极限强度降低，表现出明显的温度软化效应；由J-C本构模型计算得到的真应力-真应变曲线与试验结果相吻合，其平均相对误差为4.82%，说明该本构模型可以很好地预测TC8钛合金的高温动态力学性能。
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  基于Ls-Dyna软件2种材料模型的碳纤维复合材料层合板面内剪切有限元仿真

  孟宪明, 钟正, 程从前, 曹铁山, 赵杰, 黄亚烽, 吴瑶

  机械工程材料. 2020, 44(12): 85-90,96. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012016

  摘要 ( 1100 ) PDF全文 ( 928 )   可视化   收藏

  通过准静态单轴拉伸试验和面内剪切试验获取力学性能参数，采用Ls-Dyna软件中的纤维增强复合材料渐进损伤模型和复合材料层合板连续损伤模型模拟碳纤维复合材料层合板在面内剪切载荷作用下的力学响应和破坏模式，对比了2种模型的适用性。结果表明：在面内剪切过程中的初始线弹性阶段，2种模型都能较好地模拟出碳纤维复合材料层合板的力学特性。随着载荷的持续增大，渐进损伤模型的载荷-位移仿真曲线依旧呈线性上升，到达载荷峰值后迅速下降，与试验曲线存在很大偏差；连续损伤模型由于引入了损伤参数，当材料出现损伤后，其载荷-位移仿真曲线呈非线性，与试验曲线吻合良好。
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  泡沫金属夹芯板的三维建模方法及力学性能模拟

  曲祥生, 王立华, 鞠燕, 刘大伟, 张华林, 朱正江, 胡曰博

  机械工程材料. 2020, 44(12): 91-96. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012017

  摘要 ( 245 ) PDF全文 ( 266 )   可视化   收藏

  详细描述了基于MATLAB软件建立泡沫金属夹芯板三维随机模型的过程，采用ANSYS有限元软件对泡沫金属夹芯板的准静态压缩性能进行了模拟，并与试验结果进行了对比；采用所建立的三维随机模型研究了泡沫铝夹芯板在冲击载荷作用下的动态力学性能。结果表明：采用三维随机模型模拟得到的准静态压缩真应力-真应变曲线整体上与试验结果吻合，均包括弹性阶段、屈服阶段与致密阶段，相对误差小于10%，这验证了模型的有效性与可靠性；在相同初始速度（80，100，200 m·s^-1）下冲击后，孔隙率60%的泡沫铝夹芯板的应力峰值与吸收能量均比孔隙率50%的低；相同孔隙率泡沫铝夹芯板的初始应力峰值、平台应力和吸收能量均随着初始冲击速度的增大而增大。
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  不同压缩工况下焊接缺陷对钎焊铝蜂窝板承载能力的影响

  赵杰, 张娟, 蒋晓琴, 畅舒心, 肖守讷

  机械工程材料. 2020, 44(12): 97-102. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012018

  摘要 ( 210 ) PDF全文 ( 528 )   可视化   收藏

  建立了蜂窝板有限元模型，模拟了平压和横向侧压工况下蜂窝板的承载响应行为，并进行了试验验证；采用建立的有限元模型，引入芯层壁间脱焊和面板与芯层焊接不良缺陷，研究了不同压缩工况下焊接缺陷对蜂窝板承载能力的影响。结果表明：平压时，蜂窝板主要以芯层屈曲的方式失效，横向侧压时，蜂窝板的失效由面板和芯层之间的局部开裂和面板的屈曲起皱共同导致；两种压缩工况下，载荷-位移曲线的模拟结果和试验结果的吻合性均较好，最大载荷的相对误差小于10%；平压时，芯层壁间的脱焊缺陷数量越多，钎焊铝蜂窝板的承载能力越小；横向侧压工况下，焊接缺陷区域的尺寸越大，蜂窝板的最大承载力越小，结构越容易失效。
失效分析
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  Zr-3锆合金板表面白斑缺陷产生原因

  岳强, 徐滨, 胡旭坤, 赵林科

  机械工程材料. 2020, 44(12): 103-106. https://doi.org/10.11973/jxgccl202012019

  摘要 ( 207 ) PDF全文 ( 189 )   可视化   收藏

  在生产过程中采用树脂砂轮打磨+酸洗工艺对Zr-3合金板坯进行表面处理后，发现其表面出现白斑。采用化学成分分析、显微组织观察和残余应力测试方法对白斑产生原因进行了分析。结果表明：白斑是由于过高的残余应力产生的；通过改用千叶轮打磨或喷砂工艺，降低表面残余应力，减少孪晶形成后，白斑缺陷消除。