2021年, 第45卷, 第1期　
刊出日期：2021-01-20

  

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  机械工程材料. 2021, 45(1): 0-0.

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综述
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  耐磨铜合金的研究现状与发展趋势

  刘宇宁, 王云鹏, 祝儒飞, 王虎, 白依可, 娄花芬

  机械工程材料. 2021, 45(1): 1-7. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101001

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  机械设备高速度化及高性能化的发展要求耐磨铜合金具备更高的强度和更优异的耐磨性能。传统的铝青铜系、锰黄铜系和铅黄铜系等合金的性能虽已有所提升，但因受材料自身特性、加工工艺、环境保护等因素制约，其应用范围受限。从制备工艺、性能、应用领域等方面介绍了具备较高开发价值的Cu-Ni-Sn系、Cu-Al₂O₃系、Cu-Nb系、Cu-C系（包括铜/石墨、铜/石墨烯和铜/碳纳米管）和复杂黄铜等5种典型耐磨铜合金的应用现状和研究进展，对其开发应用中所存在的问题进行了分析，并对其发展前景进行了展望。
试验研究
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  热处理对钛掺杂类金刚石薄膜场发射性能的影响

  李栓平, 刘竹波, 王永胜, 于盛旺, 贺志勇, 周兵

  机械工程材料. 2021, 45(1): 8-13. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101002

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  采用多靶磁控溅射技术制备了钛掺杂类金刚石（Ti-DLC）薄膜，并在不同温度（300，350，400℃）下进行了热处理，研究了热处理温度对薄膜微观结构、成分、能带结构以及场发射性能的影响。结果表明：与热处理前的相比，300℃热处理后Ti-DLC薄膜中sp²-C团簇相对含量增大，光学带隙最小，开启场强最低，为5.43 V·μm^-1，场发射性能最好；当热处理温度高于300℃时，薄膜的DLC含量减少，同时生成大量TiO₂，光学带隙增加，薄膜开启场强增大，场发射性能变差；薄膜的场发射电流基本不受热处理温度的影响。
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  淬火分配工艺对60Si2Mn弹簧钢显微组织和力学性能的影响

  周青松, 郝庆国, 杨旗, 张柯, 刘平

  机械工程材料. 2021, 45(1): 14-19,27. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101003

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  对60Si2Mn弹簧钢进行了不同淬火温度（140，160，180℃）的淬火分配（Q&P）处理，研究Q&P处理后该钢的显微组织和力学性能，并与传统淬火+回火（Q&T）工艺处理后的进行对比。结果表明：经Q&P处理后，60Si2Mn弹簧钢的显微组织均为残余奥氏体和马氏体，残余奥氏体的体积分数均大于12%，而经Q&T处理后的显微组织主要为回火屈氏体/回火索氏体；随着淬火温度的升高，Q&P处理后该钢的强度、硬度降低，断后伸长率、冲击功、强塑积增大，并且均明显高于Q&T处理后的；在变形过程中残余奥氏体相变诱导塑性效应导致Q&P处理后弹簧钢的综合性能优于Q&T处理后的。
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  钴掺杂锰氧化物水系锌离子电池正极材料的制备与电化学性能

  胡入丹, 孙敬文, 刘一凡, 钱惺悦, 张丽童, 朱俊武

  机械工程材料. 2021, 45(1): 20-27. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101004

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  以硝酸锰和硝酸钴为原料，通过溶剂热反应、水解和煅烧制备了可作为水系锌离子电池正极材料的钴掺杂锰氧化物，研究了钴掺杂锰氧化物的微观结构及电化学性能。结果表明：所制备的钴掺杂锰氧化物h-CoMn_3.2O_x具有分级核壳结构，多孔壳表面存在径向尺寸大于100 nm的花瓣状纳米片，壳和纳米片均由平均粒径为5 nm的一次粒子构成，钴掺杂赋予锰氧化物较小的尺寸和精细的结构；h-CoMn_3.2O_x具有方锰矿型一氧化锰的晶体结构；与锰氧化物相比，h-CoMn_3.2O_x具有较大的比表面积与比容量，并具有良好的循环稳定性；h-CoMn_3.2O_x的储能行为归因于H⁺/Zn²⁺的连续共嵌入反应。
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  某超临界机组用P91钢的强度退化行为

  吴术全, 韩涛, 姜世凯, 张志博, 江峰

  机械工程材料. 2021, 45(1): 28-33,40. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101005

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  从马氏体亚结构、析出相、固溶元素以及位错密度等方面探究了某超临界机组蒸汽管道用P91钢服役8.8万h后其强度下降的原因。结果表明：服役后P91钢中M₂₃C₆型碳化物的平均粒径由78.0 nm增加到190.6 nm，同时析出了平均粒径为393.2 nm的Laves相，M₂₃C₆型碳化物的粗化使得析出相对屈服强度的贡献值下降了38.7%，Laves相的析出对屈服强度的贡献很小；M₂₃C₆型碳化物的Ostwald熟化与粗大Laves相的析出消耗了基体中的碳、铬、钼、硅元素，降低了固溶强化效果；服役后P91钢中马氏体板条块尺寸与板条宽度增大，对该钢屈服强度降低有一定贡献；服役P91钢中的位错密度为6.4×10¹³ m^-2，低于未服役P91钢的（9.7×10¹³ m^-2），位错对基体的强化效果降低了18.8%；在所有因素的作用下，服役后P91钢的屈服强度降低了27.0%。
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  焊前和焊后调质处理下25Cr2Ni4MoV钢焊接接头的组织及性能

  张敏, 仝雄伟, 李洁, 许帅, 贾芳

  机械工程材料. 2021, 45(1): 34-40. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101006

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  对比研究了焊前和焊后调质处理条件下25Cr2Ni4MoV钢焊接接头的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能，调质处理工艺为920℃×1 h油淬+580℃×2 h回火，焊接工艺为手工焊条电弧焊。结果表明：焊前调质处理的接头焊缝组织为板条马氏体+δ-铁素体+M₂₃C₆碳化物，焊后调质处理使焊缝中的δ-铁素体溶解，形成了板条马氏体+回火索氏体+M₂₃C₆碳化物；焊后调质处理条件下，焊缝中的板条马氏体细小均匀，M₂₃C₆碳化物呈颗粒状分布于原奥氏体晶界和马氏体板条晶界处，焊缝的强度、冲击韧性和耐腐蚀性能均优于焊前调质处理的。
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  升降法试验数据闭合与否对统计估计材料疲劳强度的影响

  郑程, 卢奇, 李洪涛

  机械工程材料. 2021, 45(1): 41-45. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101007

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  列举了2种未闭合的升降图并对升降法疲劳试验过程中可能出现的试验结果进行假设，分析了用升降法统计疲劳强度时试验数据是否闭合对疲劳强度结果的影响。结果表明：当试验数据未闭合的升降图中最后一级应力低于第一个有效应力时，后续增补假设升降图后统计的疲劳强度都低于原未闭合疲劳试验升降图统计的疲劳强度；当试验数据未闭合的升降图最后一级应力高于第一个有效应力时，后续增补假设升降图后统计的疲劳强度也都高于原未闭合疲劳试验升降图统计的疲劳强度。即使试验数据未闭合，按照失效事件及未失效事件统计估计的疲劳强度也可能相等。
材料性能及应用
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  LZ92镁锂合金激光焊接接头的显微组织与力学性能

  姜炳春, 付琴, 胡少华, 唐联耀, 刘方方

  机械工程材料. 2021, 45(1): 46-49. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101008

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  采用CO₂激光焊接厚度为2 mm的LZ92镁锂合金板，研究了焊接接头的显微组织、物相组成、显微硬度与拉伸性能。结果表明：LZ92镁锂合金焊接接头成形良好，焊缝中无明显气孔、裂纹等缺陷；母材与焊缝的物相组成相同，由α相、β相和中间相Mg₇Zn₃组成；母材由等轴状β相和枝晶状与颗粒状α相组成，热影响区由粗大的β相和少量细小颗粒状α相组成，焊缝中大量细针状和细小颗粒状α相均匀分布在β相中，β相晶界消失；焊缝的硬度最高，母材的次之，热影响区的最低；焊接接头的抗拉强度为158 MPa，为母材的86.8%，断后伸长率为27%；焊接接头的拉伸断口位于影响区与焊缝间的熔合线处，断口由韧窝和解理面组成，断裂形式为混合型断裂。
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  304不锈钢表面预处理对沉积CrMoN涂层性能的影响

  彭定文, 忽梦磊, 刘豪杰, 金杰

  机械工程材料. 2021, 45(1): 50-58,65. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101009

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  使用砂纸将对304不锈钢基体依次打磨至1200^#（1^#工艺）、2000^#（2^#工艺），以及打磨磨至2000^#并经粒度0.5 μm金刚石抛光膏抛光（3^#工艺）后，在其表面沉积CrMoN涂层，研究了涂层的物相组成、表面与截面形貌、硬度、表面疏水性、耐腐蚀性能和导电性。结果表明：1^#工艺预处理基体表面沉积涂层的表面粗糙度最大，2^#工艺预处理后的次之，3^#工艺预处理后的最小；涂层均由CrN，Cr₂N，Mo₂N等物相组成；随着基体表面粗糙度的降低，涂层的显微硬度、自腐蚀电位和水接触角增大，自腐蚀电流密度、极化后的界面接触电阻降低；2^#工艺预处理基体表面沉积CrMoN涂层的综合性能优异，与3^#工艺预处理的接近。
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  焊后退火对转向架SMA490BW/Q345E异种钢T型接头组织和性能的影响

  张政军, 丁阳喜, 刘德佳, 朱亮

  机械工程材料. 2021, 45(1): 59-65. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101010

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  采用二氧化碳气体保护焊进行对接焊得到SMA490BW/Q345E异种钢T型接头，并进行590℃×3 h退火，对比研究了退火前后的组织、硬度和耐腐蚀性能。结果表明：退火前后接头均存在明显的熔合线，焊缝组织均由先共析条状铁素体、珠光体和粒状贝氏体组成；退火前，从表面向内部，焊缝组织由粗大柱状晶转变为交替出现的柱状晶和等轴晶，硬度差异较大；退火后，不同焊层的组织无明显差异，硬度分布变得均匀；退火后焊缝的腐蚀倾向减小，耐腐蚀性能提高；在NaCl溶液中周期浸润腐蚀时，退火前后焊缝表面均发生点蚀，在腐蚀后期（100 h）出现锈层龟裂现象，退火后的锈层更加致密。
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  固溶和时效处理对加压成形6063铝合金组织与性能的影响

  刘全升, 范梦婷, 罗欣然

  机械工程材料. 2021, 45(1): 66-72,79. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101011

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  采用加压成形工艺制备6063铝合金，然后对铝合金进行535℃固溶和时效处理，研究了固溶时间（15~120 min）、时效温度（160~200℃）和时效时间（1~24 h）对该铝合金显微组织、拉伸性能和硬度的影响。结果表明：随着固溶时间的延长，6063铝合金晶粒尺寸增大，Mg₂Si初生相逐渐消失并回溶至基体中，而固溶时间未对α-Al₈Fe₂Si相和β-Al₅FeSi相的含量与形貌产生影响；固溶处理后，随着时效温度的升高或时效时间的延长，第二相Mg₂Si数量增加，但过高的时效温度或过长的时效时间导致Mg₂Si相粗大；随着固溶时间、时效时间的延长，或时效温度的升高，合金的强度和硬度先升高后降低，断后伸长率先减小后增大；6063铝合金适宜的固溶和时效处理制度为535℃×60 min+180℃×7 h，此时合金中析出的Mg₂Si相最细小，且弥散分布，合金具有最高的强度和硬度，以及合适的断后伸长率。
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  Tb₂TiO₅-Dy₂TiO₅中子吸收材料的显微组织及性能

  卢俊强, 陈向阳, 陈芙梁, 冉广, 吴怡祯

  机械工程材料. 2021, 45(1): 73-79. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101012

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  以Tb₄O₇粉、Dy₂O₃粉和TiO₂粉为原料，采用高能球磨、冷等静压和高温烧结工艺制备了Tb₂TiO₅-30%（质量分数） Dy₂TiO₅中子吸收材料，研究不同球磨时间（0~48 h）下混合粉体的微观结构，不同烧结温度（1 200~1 400℃）与时间（1~96 h）下烧结块体材料的微观结构、热物理性能和耐腐蚀性能。结果表明：混合粉体的晶粒尺寸随球磨时间的延长而减小，球磨12 h后即可获得均匀混合的纳米晶粉体，纳米晶混合粉体在1 300℃烧结96 h获得了具有高致密度正交晶体结构Tb₂TiO₅-Dy₂TiO₅块体材料；该块体材料在500℃的热导率和热膨胀系数分别为2.2 W·m^-1·K^-1和5.8×10^-6 K^-1，在360℃/18.6 MPa去离子水中的腐蚀速率变化很小，平均腐蚀速率为0.18 mg·dm^-2·h^-1，该块体材料具有较高的热导率、较低的热膨胀系数以及较好的耐高温水腐蚀性能，是控制棒用中子吸收材料较优的候选材料。
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  淬火温度对40Cr13塑料模具钢耐腐蚀性能的影响

  张艳, 王振旭, 徐豫, 孙驰驰, 徐瑞瑞

  机械工程材料. 2021, 45(1): 80-84. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101013

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  对40Cr13塑料模具钢进行不同温度（960，1 020，1 080，1 140℃）淬火处理，研究了淬火温度对该钢组织与硬度的影响，然后进行200℃的低温回火处理，通过浸泡试验与电化学测试研究了其耐腐蚀性能。结果表明：不同温度淬火后，试验钢组织均为淬火马氏体、碳化物与少量残余奥氏体；随着淬火温度的升高，组织变得粗大，碳化物减少，当淬火温度为1 140℃时，组织中存在沿奥氏体晶界析出的网状碳化物；随着淬火温度的升高，试验钢的硬度先增加后减小。当淬火温度由960℃升高到1 080℃，经回火后试验钢在FeCl₃溶液中的腐蚀速率减小，试验钢表面点蚀孔直径变小，数量增多，但深度变浅；试验钢在NaCl溶液中的自腐蚀电位增大，自腐蚀电流密度降低，腐蚀速率减小，腐蚀倾向降低；最佳淬火温度为1 020℃，此时淬火马氏体组织较细小，硬度最大，回火后试验钢的耐腐蚀性能较好。
物理模拟与数值模拟
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  球压痕试验法评价金属材料的强度

  黄礼洋, 关凯书

  机械工程材料. 2021, 45(1): 85-91. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101014

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  通过单次压痕试验与有限元模拟相结合的方法，结合反向分析方法与模拟退火粒子群算法，从获得的载荷-深度曲线加载部分提取材料的塑性参数，基于Ludwig硬化模型预测了不同金属材料的强度，并与单轴拉伸试验结果进行对比。结果表明：模拟得到的载荷-深度曲线与试验得到的几乎重合，二者的相对误差小于0.5%，说明模拟退火粒子群算法可有效地从压痕载荷-深度曲线中提取出金属材料的塑性参数；基于Ludwig硬化模型，利用反向分析方法从压痕载荷-深度曲线中提取的真应力-真塑性应变曲线不是唯一的，但从真应力-真塑性应变曲线计算得到的强度具有明显的收敛趋势；采用压痕试验得到不同金属材料的强度均接近于由拉伸试验得到的，屈服强度与抗拉强度的最大相对误差分别为5.9%，4.3%，说明采用压痕试验法可以准确地评价金属材料的强度。
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  基于修正JC模型和BP-ANN算法预测HNi55-7-4-2合金高温流变行为的对比

  马斌, 李平, 梁强

  机械工程材料. 2021, 45(1): 92-99. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101015

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  采用Gleeble-3500型热模拟试验机，分别在变形温度为873，923，973，1 023，1 073 K，应变速率为0.01，0.1，1，10 s^-1条件下对HNi55-7-4-2合金进行等温热压缩试验，研究了该合金的高温流变行为；基于试验数据，分别采用修正Johnson-Cook （M-JC）模型和反向传播人工神经网络（BP-ANN）算法构建本构模型，对比分析这2个模型的预测精度。结果表明：HNi55-7-4-2合金的流变应力随着应变速率的增加而增大，随着变形温度的升高而降低。基于M-JC模型和BP-ANN算法建立的本构模型预测得到真应力与试验结果间的平均相对误差绝对值分别为14.63%，0.35%，相关系数分别为0.978 7，0.999 9；基于BP-ANN算法的本构模型的预测精度更高，可以较好地描述HNi55-7-4-2合金的高温流变行为。
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  基于刚度软化试验建立磁流变弹性体的Bouc-Wen模型

  卢晶晶, 陈曦, 周亚东, 李见春, 李延成

  机械工程材料. 2021, 45(1): 100-104,108. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101016

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  采用自主设计的刚度软化剪切试验测试系统，对各向同性磁流变弹性体（MRE）进行剪切试验，得到不同电流、频率、位移幅值下的力-位移滞回环；采用Bouc-Wen模型对MRE的动态力学特性进行描述，基于试验数据验证模型的准确性，通过模型分析试验参数对MRE宏观性能的影响规律。结果表明：Bouc-Wen模型拟合结果与试验数据吻合较好，剪切力的均方根误差都小于0.95，说明该模型可以较好地描述MRE的刚度软化和阻尼特性。当施加正向电流时，MRE的刚度随电流的增大呈线性递减，随频率的增加而增大，当电流大于0.66 A或频率大于1.0 Hz时，电流或频率对刚度的影响程度减弱；MRE的阻尼随电流的增大而减小，随频率的增大呈指数递减，当电流大于0.66 A或频率为2.0 Hz时，阻尼基本趋于定值。
失效分析
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  某氢气往复式压缩机连接螺栓的断裂原因

  陆颜, 谈金祝, 李洋, 王超, 罗盛华

  机械工程材料. 2021, 45(1): 105-108. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101017

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  某氢气往复式压缩机在正常工作一段时间后，其连接螺栓发生断裂。通过断口宏观与微观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察、力学性能测试等方法，对该连接螺栓的断裂原因进行分析。结果表明：该连接螺栓的断裂性质为低应力高周疲劳断裂。在交变载荷作用下，微裂纹在螺栓螺纹根部高应力集中区域萌生；螺栓热处理不当导致形成回火索氏体、上贝氏体和铁素体的混合组织，造成螺栓的强度和硬度偏低，并加速疲劳裂纹扩展。最终连接螺栓发生疲劳断裂。
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  某石油钻井绞车链轮传动轴断裂原因

  樊春明, 张增年, 王德贵, 徐虹, 王平怀

  机械工程材料. 2021, 45(1): 109-112,118. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101018

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  某石油钻井绞车在运行过程中链轮传动轴突然断裂，通过断口形貌观察、化学成分分析、力学性能测试、显微组织观察等方法，研究了链轮传动轴断裂的原因。结果表明：链轮传动轴的断裂属于早期疲劳失效。裂纹在链轮传动轴φ210 mm与φ200 mm轴台阶处的粗糙过渡圆角根部应力集中处萌生，在交变弯扭应力作用下扩展，最终导致链轮传动轴的疲劳断裂；组织中存在的片状MnS夹杂物以及心部带状偏析组织促进了疲劳裂纹的扩展。
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  某连续退火炉辐射管开裂原因

  李元军, 王鲁, 黄继波, 张英, 王卫泽

  机械工程材料. 2021, 45(1): 113-118. https://doi.org/10.11973/jxgccl202101019

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  某连续退火炉辐射管在服役过程中开裂，通过断口宏观与微观形貌观察、化学成分分析、力学性能测试与受力分析等方法分析了辐射管开裂的原因。结果表明：高温蠕变和高温氧化腐蚀的共同作用导致连续退火炉辐射管的失效。在低应力和高温作用下，因晶界滑动形成的孔洞长大并连接而形成裂纹，同时氧化膜破裂形成的孔隙加速了裂纹的合并及生长，在蠕变应力作用下裂纹加速扩展并最终导致辐射管失效；在高温环境中长期服役后，辐射管内壁因氧化腐蚀而减薄严重，辐射管的强度明显低于标准值，承载能力降低，从而在高温集中区的应力集中处萌生裂纹，并导致辐射管的开裂。