2021年, 第45卷, 第10期　
刊出日期：2021-10-20

  

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  机械工程材料. 2021, 45(10): 0-0.

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综述
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  核电站接管安全端异种金属焊接接头残余应力预测的研究现状

  郭舒, 王海涛, 韩恩厚

  机械工程材料. 2021, 45(10): 1-12. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110001

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  接管安全端异种金属焊接接头是压水堆核电站中连接主设备低合金钢压力容器接管嘴与不锈钢管道的一种典型结构，易发生一次侧应力腐蚀开裂，而焊接残余拉应力是造成此种应力腐蚀开裂的主要因素之一。因此，准确评估接管安全端异种金属接头的焊接残余应力分布至关重要。通过有限元模拟研究焊接残余应力旨在保障核电设备的结构完整性。介绍了接管安全端异种金属焊接接头的结构、材料与焊接工艺特点，综述了有限元模拟方法预测异种金属焊接接头残余应力分布的数值计算工作和典型流程，以及诸多因素对有限元模拟异种金属焊接接头残余应力的影响。
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  铜基复合材料制备工艺的研究进展

  雷沙沙, 刘洪军

  机械工程材料. 2021, 45(10): 13-21. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110002

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  高新科技的快速发展对高性能铜材料的开发提出了更高的要求，铜基复合材料因具有较高的强度和良好的导电导热性、耐磨耐腐蚀性、高温稳定性等而得到广泛的应用，其制备工艺在不断发展，且近年来取得了很大进展。综述了铜基复合材料主要制备工艺，包括粉末冶金法、铸造法、机械合金化法、内氧化法、原位合成法、熔体浸渗法和搅拌摩擦法等的特点及其研究进展，并对铜基复合材料制备工艺今后的发展方向进行了展望。
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  球墨铸铁断裂韧度测试技术研究进展

  郑国华, 张欣耀, 陈沛, 单建军, 田庆年

  机械工程材料. 2021, 45(10): 22-28. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110003

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  断裂韧度是材料重要的抗断指标。总结了平面应变断裂韧度、弹塑性断裂韧度、裂纹尖端张开位移和动态断裂韧度测试技术的研究概况及在球墨铸铁材料上的应用，介绍了温度、显微组织、试样尺寸对球墨铸铁断裂韧度的影响规律，探讨了球墨铸铁断裂韧度试样中的裂纹长度测试问题，介绍了基于J-Q（J积分-三轴性应力因子）理论的球墨铸铁断裂韧度测试方法；认为基于J-Q理论的多参数断裂韧度测试是未来研究的重点，并且若要使断裂韧度真正用于工程安全评定，必须在测试时综合考虑实际服役时的加载模式及环境。
试验研究
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  2E12-T3铝合金蒙皮环向对接结构的疲劳性能

  彭航, 秦剑波, 张彦军

  机械工程材料. 2021, 45(10): 29-33,42. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110004

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  通过有限元仿真确定蒙皮环向对接结构的疲劳危险部位，计算得到2024-T3铝合金对接结构的理论细节疲劳额定值（DFR）。对2E12-T3铝合金蒙皮环向对接结构进行疲劳试验，分析了疲劳断裂位置和断口形貌，计算得到该对接结构的试验DFR，并与2024-T3铝合金对接结构的理论DFR进行对比分析。结果表明：蒙皮环向对接结构试样均在蒙皮端部钉孔处发生疲劳破坏，与有限元分析得到的结构薄弱部位一致；裂纹起源于蒙皮与带板贴合面且与加载方向垂直的蒙皮孔壁上，裂纹扩展区存在疲劳条带和少数韧窝，瞬断区存在韧窝及空洞；2E12-T3铝合金对接结构的DFR相比于2024-T3铝合金对接结构提升约13.9%。
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  冷拉拔过程中含稀土铝镁合金的组织与力学性能演变

  张欣, 杨光恒, 王泽华, 周泽华, 易于, 蔡新

  机械工程材料. 2021, 45(10): 34-42. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110005

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  熔炼制备不同稀土加入量的Al-3.0Mg-xRE（质量分数/%，x=0，0.12，0.31，RE为La+Ce）合金，研究了该合金的显微组织、硬度和拉伸性能在冷拉拔过程中的演变规律。结果表明：冷拉拔过程中，试验合金的晶粒拉长，第二相拉长并破碎成细小粒子，并在晶界和枝晶界处逐渐聚集呈线状分布，Copper {112}〈111〉型变形织构强度逐渐增高；随着变形量的增大，合金的强度呈线性增大，塑性降低，显微硬度增大；适量稀土（0.12%）的加入能够改善合金组织与力学性能，但过量稀土（0.31%）的加入会导致合金中第二相数量和尺寸的增加，从而降低合金的力学性能。冷拉拔后，Al-3.0Mg-0.12RE合金中第二相的长度最小，数量最少，变形织构强度最高，力学性能最优。
物理模拟与数值模拟
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  基于J-C模型的GH907高温合金动态本构关系及失效关系

  董泽民, 陈伟, 刘璐璐, 徐凯龙, 赵振华

  机械工程材料. 2021, 45(10): 43-49. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110006

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  使用万能材料试验机、霍普金森拉杆和霍普金森压杆装置研究了航空发动机机匣材料GH907高温合金在常温下的准静态力学性能及20~400 ℃下的动态力学性能；基于试验结果，拟合得到Johnson-Cook（J-C）本构模型和失效模型参数，并对试验合金动态压缩过程进行模拟以验证本构模型参数的有效性。结果表明：常温下在0~3 000 s^-1应变速率范围内拉伸时，试验合金具有明显的应变速率效应，但是压缩时对应变速率不敏感；在20~400 ℃温度范围内，试验合金的软化效应明显；建立的J-C模型能够较为准确地预测该合金在不同温度和应变速率下的力学行为，试样几何尺寸和最大应力的仿真结果与试验结果的相对误差在2%以内。
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  P92钢的蠕变-疲劳损伤行为及蠕变-疲劳损伤本构模型的建立

  曹宇, 崔鑫, 纪冬梅

  机械工程材料. 2021, 45(10): 50-57,65. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110007

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  对P92钢在600 ℃下进行应力和应变控制的蠕变-疲劳试验，分析了载荷水平、保载时间对蠕变-疲劳损伤的影响；结合应力控制下的蠕变-疲劳试验数据，在黏塑性统一本构理论框架下引入修正的Chaboche非线性随动硬化率及蠕变应变并考虑损伤演化规律，构建了基于Chaboche理论的耦合蠕变-疲劳损伤本构模型，模拟了P92钢的蠕变-疲劳循环曲线。结果表明：P92钢在600 ℃下表现为循环软化特性；在应力控制下，P92钢高位保载的损伤与平均应力呈正相关，而低位保载的损伤与平均应力呈负相关；在应变控制下，P92钢产生应力松弛行为，保载时间越长，应力松驰越明显；建立的蠕变-疲劳损伤本构模型可以较好地模拟P92钢的循环特性，对于蠕变-疲劳过程中应力模拟的最大相对误差为7.30%。
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  超声表面滚压加工纯钛梯度材料的力学性能反演与有限元分析

  孙银莎, 贾云飞, 苑光健, 李晓, 张显程

  机械工程材料. 2021, 45(10): 58-65. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110008

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  对TA2纯钛进行超声表面滚压加工，研究了其截面显微组织和残余应力分布；采用纳米压痕试验测定距表面不同距离处的载荷-压入深度曲线并反演得到应力-应变曲线，将该应力-应变关系作为材料属性，采用有限元方法模拟得到载荷-压入深度曲线，通过与试验曲线进行对比对反演方法进行验证，并且研究了初始屈服应力和应变硬化指数对载荷-压入深度曲线的影响。结果表明：试样表层形成晶粒尺寸逐渐增大的梯度结构，残余压应力随着距表面距离的增加先增大后减小；载荷-压入深度模拟曲线与试验曲线基本一致，最大压入深度的相对误差在8%以内，说明反演方法可靠；随着初始屈服应力和应变硬化指数增大，载荷-压入深度曲线加载段曲率增大，塑性功与总功之比减小，初始刚度变化不明显。
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  碳纤维复合材料缠绕铝合金管准静态轴向压缩的数值模拟

  董帆, 马其华, 甘学辉, 周天俊

  机械工程材料. 2021, 45(10): 66-74. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110009

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  以多层（10层）和少层（3层）碳纤维复合材料缠绕铝合金管（Al-CFRP混合管）为研究对象，采用ABAQUS/Explicit有限元软件建立单层壳模型、多层常规壳模型和多层连续壳模型3种模型，基于Hashin失效准则对混合管轴向压缩变形过程进行仿真，对比了各模型的仿真准确性；将初始峰值载荷、比吸能、平均压缩载荷仿真相对误差和仿真时间进行无量纲化和权重处理，对各模型进行综合评价。结果表明：多层壳模型可以更好地预测混合管在轴向压缩下的损伤变形和吸能特性；对于多层缠绕混合管，最佳模型为多层连续壳模型，对于少层缠绕混合管，多层常规壳模型具有最小的误差。
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  选择性激光熔覆快速成形工艺过程能效分析与优化

  肖罡, 高彬, 韩燕, 万可谦, 杨钦文

  机械工程材料. 2021, 45(10): 75-83. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110010

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  通过选择性激光熔覆（SLM）系统能耗构成及特征分析，构建了系统能耗及比能耗（表征能效）与工艺过程参数间的定量关系，提出了以能效最优化为目标的工艺过程参数优化策略。结果表明：激光功率的选取需要考虑熔覆效率与能耗之间的矛盾；激光扫描速度的合理提升，可在熔覆道尺寸减小的劣势下提高熔覆效率，缩短激光熔覆的工作时间，进而降低能耗；较大的铺粉厚度与扫描速度，以及较小的横向搭接率，并匹配合适的激光功率，可有效降低SLM系统的比能耗。选择高度较小的方向进行堆垛成形可缩短层间停隔时间，进而降低系统能耗。
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  F45MnVS非调质钢动态再结晶模型与晶粒尺寸数值模拟

  吴晓东, 王联进, 谢坚锋, 罗锐

  机械工程材料. 2021, 45(10): 84-90. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110011

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  在变形温度950~1 050 ℃、应变速率0.01~5 s^-1下对F45MnVS非调质钢进行不同变形量（5%~56%）的单道次压缩试验，研究了变形温度、应变速率和变形量对该钢变形行为和晶粒尺寸的影响；基于试验数据建立动态再结晶临界应变模型和平均晶粒尺寸模型，嵌入Deform软件中模拟了试验钢的动态再结晶平均晶粒尺寸。结果表明：随着变形量或应变速率的增大，或者变形温度的降低，试验钢的平均晶粒尺寸减小；较高应变速率下加工软化导致的应力下降不明显，动态再结晶程度较小，较低应变速率下则相反；模拟得到的再结晶平均晶粒尺寸与试验结果较吻合，且平均晶粒尺寸随变形温度、应变速率和变形量的变化规律与试验结果相符。
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  屈服准则和硬化模型对DC56D+Z钢汽车后背门内板成形仿真精度的影响

  鄂宏伟, 李亚东, 郑学斌, 韩龙帅

  机械工程材料. 2021, 45(10): 91-96,103. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110012

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  以DC56D+Z超深冲钢为研究对象，基于Ludwik、Swift和Hockett-Sherby硬化模型开展材料性能参数解析，确定能够精确表征其力学行为的硬化模型；利用最佳硬化模型，分别搭载Hill'48、Barlat'89和BBC-2005屈服准则对DC56D+Z钢汽车后背门内板进行冲压成形仿真，获得了材料流动量、最大主应变和最大减薄率等数据，并通过与试验结果的对比分析了不同屈服准则对仿真精度的影响。结果表明：Hockett-Sherby硬化模型对DC56D+Z钢力学行为的描述精度最高，拟合相关系数的平方为0.997 9；基于Hockett-Sherby硬化模型并搭载BBC-2005屈服准则的仿真模型对材料流动量、最大主应变和最大减薄率的预测精度最高，最大相对误差分别为4.9%，5.6%，10.1%，更适用于DC56D+Z钢板的冲压成形仿真。
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  高温合金激光冲击强化数值模拟及其疲劳寿命预测

  郭小军, 苏潇, 胡殿印

  机械工程材料. 2021, 45(10): 97-103. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110013

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  建立了激光冲击强化宏观有限元数值模型和细观参量演化数值模型，提出了激光冲击强化三维多尺度模拟方法，分析了激光冲击强化后Inconel 718高温合金残余应力、位错密度、晶粒尺寸的分布规律；考虑激光冲击强化所致残余应力和晶粒细化对疲劳寿命的影响，对Sines疲劳寿命准则进行修正，并进行了试验验证。结果表明：模拟得到试样表面光斑冲击范围内形成了不小于550 MPa的残余压应力，表层区域存在明显的位错增殖，局部晶粒尺寸可细化25%左右，模拟结果与试验结果基本吻合；采用修正Sines准则预测得到的疲劳寿命在3倍分散带内，说明该模型能够较好地预测激光冲击强化后Inconel 718高温合金的疲劳寿命。
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  基于梯度提升决策树的特征筛选与钢卷力学性能预测

  谢少捷, 王伟, 何福善

  机械工程材料. 2021, 45(10): 104-110. https://doi.org/10.11973/jxgccl202110014

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  基于冶金机理选取热镀锌钢卷基本建模特征，采用梯度提升决策树算法对其他化学元素特征进行筛选，结合网格搜索与交叉验证方法对模型参数进行优化，并利用模型分析不同特征对钢卷屈服强度的影响。结果表明：热镀锌钢卷力学性能预测建模的基本特征包括工艺参数特征、规格特征以及基本化学元素特征，对钢卷屈服强度影响较大的其他化学元素特征为氮、铝含量；模型参数优化后，在测试集上测得屈服强度的均方根误差为10.671 MPa，平均绝对误差为8.244 MPa，平均绝对百分误差为2.641%，模型预测精度比模型参数优化前的明显提高；当碳、硅、锰含量变化或热轧入轧温度变化时，钢卷屈服强度的变化幅度较大。