2021年, 第45卷, 第12期　
刊出日期：2022-01-10

  

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综述
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  电脉冲处理及其辅助金属加工技术研究现状

  孙富建, 万上, 肖罡, 李时春, 刘奕梁, 万可谦

  机械工程材料. 2021, 45(12): 1-6. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112001

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  电脉冲施加于金属材料时会产生热效应与非热效应，两种效应的耦合作用能够促进位错移动和原子扩散，提高空位扩散的迁移率，导致金属材料的微观结构演变，形成电致塑性效应。从电致塑性效应的基本理论出发，综述了电脉冲处理调控金属材料组织结构的研究进展以及电脉冲在辅助塑性加工和切削加工方面的应用情况，指出未来研究重点应集中在电脉冲处理及其辅助加工中热效应和非热效应的耦合机理以及复杂结构零部件加工时的电流密度分布等方面。
试验研究
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  Q690ZM中锰钢的焊接冷裂纹敏感性

  齐祥羽, 严玲, 张鹏, 王晓航, 杜林秀

  机械工程材料. 2021, 45(12): 7-12,18. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112002

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  采用Ar-CO₂气体保护焊通过最高硬度试验和斜Y型坡口焊接冷裂纹试验，研究了Q690ZM中锰钢的焊接冷裂纹敏感性。结果表明：当焊接热输入由10 kJ·cm^-1增加至20 kJ·cm^-1或预热温度由20 ℃升高至200 ℃时，中锰钢焊接热影响区的显微硬度均略微降低，最高硬度均高于430 HV，焊接冷裂倾向严重；当焊接热输入为15 kJ·cm^-1，预热温度由100 ℃升高至200 ℃时，斜Y型坡口焊接裂纹试验中试验焊缝的表面裂纹和根部裂纹逐渐消失，断面裂纹率降低至9.09%。为防止冷裂纹的产生，中锰钢焊前必须进行150～200 ℃的预热，并进行相应的焊后热处理；粗晶热影响区中粗大的马氏体板条晶体学取向差小，大角度晶界密度低，抵抗解理裂纹扩展的能力弱，因此焊接冷裂纹萌生后沿紧邻熔合线的粗晶热影响区扩展。
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  氢对铸态Mg-14Li合金表面形貌和力学性能的影响

  刘俐, 许道奎, 穆永亮, 王硕, 徐祥博

  机械工程材料. 2021, 45(12): 13-18. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112003

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  对铸态Mg-14Li合金进行阴极充氢，充氢时间在0～18 h，对比分析了充氢前后合金的表面形貌和拉伸性能。结果表明：阴极充氢后，铸态Mg-14Li合金表面发生点蚀，LiCO₃腐蚀产物膜发生破坏；随着充氢时间的延长，腐蚀坑深度不断增加，腐蚀产物增多，但充氢后合金中无微裂纹，说明β-Li相的氢脆敏感性较低；随着充氢时间的延长，铸态Mg-14Li合金的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率下降，拉伸断口上的韧窝数量减少，解理面增多，合金断裂模式从韧性断裂转变为脆性断裂。
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  轧制压下率对碳钢/不锈钢复合板界面结合性能的影响

  李天妹, 丁文红, 明亚飞, 吴梦先, 杨赟

  机械工程材料. 2021, 45(12): 19-25. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112004

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  采用非真空轧制非对称组坯方式在不同总压下率（28%～70%）下制备Q235碳钢/304不锈钢复合板，研究了复合板界面处的组织、夹杂物形貌、硬度和剪切强度，探讨了界面夹杂物与脱碳层对界面结合强度的竞争性影响。结果表明：随着轧制总压下率的增加，复合板界面夹杂物由集中分布的块状变为均匀分布的颗粒状；当轧制总压下率由28%增大到47%时，影响复合板界面结合强度的主要因素是界面夹杂物，增加轧制压下率有利于提高界面结合强度；当轧制总压下率由47%增大到70%时，不锈钢侧晶粒尺寸急剧减小，碳钢侧脱碳层厚度增加，界面结合强度降低，脱碳层成为影响结合强度的主导因素。可以通过合理控制轧制压下率来平衡界面夹杂物和脱碳层对结合强度的竞争性影响。
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  梯度过渡层对异质树脂材料并联结构拉伸强度和延性的影响

  杨权权, 曹鹤, 李芸, 唐友成, 朱帅

  机械工程材料. 2021, 45(12): 26-30,41. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112005

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  选择弹性模量依次减小的7种树脂材料，利用多材料喷射打印技术制备由最大和最小弹性模量材料并联形成的具有4种界面结构的拉伸试样，界面结构分别为无过渡层、宽度3 mm均质过渡层（由弹性模量居中的1种材料组成）以及宽度分别为3，5 mm的梯度过渡层（由另外5种材料组成），分析了其界面成形质量及拉伸性能。结果表明：无过渡层试样的界面处存在纹道和较多孔洞，成形质量较差；添加均质过渡层后，界面缺陷减少，拉伸强度略微增大，但是断裂应变降低了14.8%；添加梯度过渡层后，界面成形质量进一步提高，拉伸强度略微增大，延性明显提高，含宽度3，5 mm梯度过渡层试样的断裂应变分别比无过渡层试样提高了10.6%，37.9%。
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  焊接速度对304不锈钢电子束焊接头组织与性能的影响

  杨涛, 袁梦扬, 简海林, 李东

  机械工程材料. 2021, 45(12): 31-35. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112006

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  在加速电压为120 kV、聚焦电流为2 460 mA、焊接电流为12 mA条件下，采用真空电子束对3 mm厚304不锈钢板进行焊接，研究了焊接速度（10～40 mm·s^-1）对接头显微组织和力学性能的影响。结果表明：焊缝的显微组织主要由两侧的柱状晶及中心的等轴晶组成；随着焊接速度的增大，焊缝晶粒尺寸减小，铁素体体积分数增加，接头各区域的硬度均有提高，抗拉强度先增大后减小，拉伸后接头均在母材处断裂。试验条件下真空电子束焊接304不锈钢的最佳焊接速度为30 mm·s^-1，此时焊缝的成形质量较好，铁素体体积分数为7.4%，硬度较高，抗拉强度最大，为640 MPa，拉伸断口呈现韧性断裂特征。
材料性能及应用
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  润滑条件与缸套材料对活塞环-缸套摩擦磨损特性的影响

  瞿磊, 蒋安, 王忠, 谢纬安

  机械工程材料. 2021, 45(12): 36-41. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112007

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  在润滑油中未添加和添加质量分数0.1%MoS₂润滑条件下，对YH31合金铸铁活塞环和不同材料（高硼铜铸铁和铬钼铝铸铁）缸套进行摩擦磨损试验，研究了润滑条件和缸套材料对摩擦因数、体积磨损量和磨损表面形貌的影响，分析了磨损机制。结果表明：MoS₂的添加可以缩短活塞环与高硼铜铸铁缸套的磨合时间，延长稳定磨损时间，降低摩擦因数，减小体积磨损量；摩擦副表面磨痕较未添加MoS₂润滑条件下细而浅，且未出现裂纹。在未添加MoS₂润滑条件下，活塞环与铬钼铝铸铁缸套对磨比与高硼铜铸铁缸套对磨更早进入稳定磨损阶段，但稳定磨损持续时间较短，平均摩擦因数有所增大，体积磨损量大幅增加；活塞环的磨损机制均为抛光磨损，高硼铜铸铁缸套和铬钼铝铸铁缸套的磨损机制分别为磨粒磨损+疲劳磨损和磨粒磨损。
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  1Cr17不锈钢表面TIG冷焊重熔和丝材熔敷工艺及改性层的组织和性能

  郑韶先, 汪军平, 杨妹娟, 俄馨

  机械工程材料. 2021, 45(12): 42-48. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112008

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  在1Cr17不锈钢表面进行钨极惰性气体保护（TIG）冷焊重熔及ER347L不锈钢焊丝熔敷工艺试验，并研究了重熔层和熔敷层的显微组织、显微硬度以及在质量分数为3.5% NaCl溶液中的电化学腐蚀性能。结果表明：TIG冷焊重熔时，当冷焊时间分别在200～150 ms、150～100 ms、100～50 ms范围内时，获得成形良好重熔层所需最小冷焊电流分别为40，70，100 A；TIG冷焊熔敷时，当冷焊时间分别为50，100，160，200 ms时，获得成形良好熔敷层所需最小冷焊电流分别为230，190，150，120 A。TIG冷焊重熔或熔敷形成的热影响区（HAZ）晶粒较1Cr17不锈钢母材未发生明显粗化，HAZ宽度不超过250 μm，重熔层和熔敷层的组织较母材细小；重熔层和熔敷层比母材具有更高的硬度和更好的耐腐蚀性能。
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  微合金化低银无镉Ag-Cu-Zn钎料的性能

  王晓飞, 金程凯, 方运琪, 李静, 彭宇涛, 王晓蓉, 沈杭燕, 刘薇

  机械工程材料. 2021, 45(12): 49-54. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112009

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  采用锡、磷、镍、铟元素对含质量分数21%银的Ag-Cu-Zn钎料进行微合金化，研究了钎料的熔化性能、铺展性能、加工性能，以及钎焊紫铜和45钢接头的抗拉强度、显微组织。结果表明：Ag-Cu-Zn钎料微合金化的最优成分（质量分数/%）为21Ag-Cu-Zn-1.5Sn-0.2P-1.0Ni-2.5In，与前期优化得到的21Ag-Cu-Zn-1.5Sn四元合金钎料相比，其固、液相线温度分别降低了106 ℃和31 ℃，在紫铜上的单位质量铺展面积增大了约66%，可通过常规热挤压和拉拔工艺制成直径为0.8 mm的焊丝；该钎料用于紫铜和45钢2种母材的钎焊时皆可形成致密无缺陷的钎缝，界面处具有冶金结合层，且用于45钢钎焊时接头的抗拉强度比用21Ag-Cu-Zn-1.5Sn钎料提高了约11%。
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  不同坡口面角度镀锌钢/铝合金激光熔钎焊接头的界面组织和拉伸性能

  杨扬, 周信, 于霜, 柏余杰, 吕亚男

  机械工程材料. 2021, 45(12): 55-61. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112010

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  采用ER4043焊丝对6061-T6铝合金板和AISI 1045镀锌钢板进行激光熔钎焊，铝合金板的坡口面角度为30°，钢板的坡口面角度分别为30°和60°，研究了钢侧钎焊界面的显微组织和微区成分，测试了接头的拉伸性能。结果表明：钢板坡口面角度为60°时接头在焊趾和焊根处的钎焊界面处均形成富锌区，并出现微孔洞，其他区域界面处形成了连续的金属间化合物层；钢板坡口面角度为30°时接头仅在焊趾处形成富锌区，整个钎焊界面处均形成了连续的金属间化合物层；在2种接头中，钢板坡口面下部区域的金属间化合物层厚度均较大，并且钢板坡口面角度为30°时接头中的金属间化合物层厚度大于钢板坡口面角度为60°时的；钢板坡口面角度分别为30°，60°时，接头的平均抗拉强度分别为120.3，151.7 MPa，拉伸断裂均发生在钢/焊缝界面处，均为解理断裂。
物理模拟与数值模拟
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  内压条件下轴向内表面裂纹管道蠕变断裂参量C的工程估算方法

  刘长军, 蔡君, 孙春燕, 谈建平, 邵雪娇

  机械工程材料. 2021, 45(12): 62-66. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112011

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  以内压条件下含轴向内表面裂纹的管道为研究对象，通过引入x₀参数使J积分全塑性解与蠕变指数无关对Zahoor提出的蠕变断裂参数C^*估算方法进行改进；采用改进方法、Zahoor估算公式以及参考应力法中的R6整体解和Kim优化解计算不同蠕变指数和不同裂纹尺寸下的C^*值，并与有限元计算结果进行比较。结果表明：参考应力法所得C^*值比有限元计算结果大2～8倍，准确度较差；改进方法所得C^*值与有限元计算结果的比值在1左右，准确度较高；与Zahoor估算公式相比，改进方法在蠕变指数为3时的计算准确度更高，但随着蠕变指数增大， 2种方法的计算准确度趋于相同。
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  θ-Al₂Cu金属间化合物中氢原子占位的第一性原理研究

  宋莉莉, 傅高升, 李龙泽, 王火生

  机械工程材料. 2021, 45(12): 67-71,77. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112012

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  氢原子溶入θ-Al₂Cu晶胞时可能占据八面体间隙，也可能占据四面体间隙。采用第一性原理方法分析了氢的溶入对θ-Al₂Cu晶胞结构、系统总能量、形成能以及间隙结构近邻原子键Mulliken集居数和键长的影响，研究了氢原子在θ-Al₂Cu中的占位倾向。结果表明：当氢原子占据八面体间隙时，系统能量最低，形成能最小且为负值，产生的晶格畸变也最小，近邻原子之间键集居数为正值，键长最短，键合力最强。因此，氢原子占据θ-Al₂Cu八面体间隙位置时更稳定。
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  热输入对09MnNiDR钢焊接热影响区粗晶区组织和韧性的影响

  李金梅, 杨兆庆, 梁小武, 张建晓, 雷万庆, 曹睿

  机械工程材料. 2021, 45(12): 72-77. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112013

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  采用Gleeble-3800型热模拟机对09MnNiDR钢进行热模拟试验以制备不同热输入下的焊接热影响区粗晶区（CGHAZ）试样，研究了热输入对试样显微组织、硬度和冲击韧性的影响。结果表明：随着热输入的增加，CGHAZ试样的显微组织从板条贝氏体+粒状贝氏体转变为粒状贝氏体+块状铁素体，硬度逐渐降低；不同热输入下CGHAZ试样的-70 ℃冲击吸收能量最高只有31 J，不满足技术要求，粒状贝氏体组织是导致韧性恶化的主要原因；随着热输入的增加，CGHAZ试样中原始奥氏体晶粒尺寸先减小后增大，导致试样-70 ℃冲击吸收能量先增大后减小。
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  Q420D高强钢横向十字焊接接头疲劳寿命数值模拟与试验验证

  程海根, 胡聪, 姜勇

  机械工程材料. 2021, 45(12): 78-83,89. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112014

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  通过疲劳试验拟合得到Q420D高强钢横向十字焊接接头的应力幅-疲劳寿命（S-N）曲线（试验拟合），采用ANSYS与FE-SAFE软件联合仿真技术预测该十字接头的疲劳寿命并拟合得到S-N曲线（数值拟合），对比分析了数值拟合和试验拟合结果，并分析了现行规范对十字接头疲劳寿命的评价效果。结果表明：十字接头疲劳寿命数值拟合值与试验拟合值的相对误差不大于3.49%，疲劳极限相对误差为0.93%，说明应用ANSYS与FE-SAFE软件联合仿真技术预测十字接头疲劳寿命可靠；试验拟合S-N曲线（存活率50%）与ANSI规范设计曲线吻合较好，而95%存活率下的试验拟合曲线与DNV规范设计曲线吻合较好；当循环次数高于2×10⁵周次时，EN规范较ANSI规范能更好地评估十字焊接接头疲劳寿命，且具有足够的安全储备。
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  热输入对电机支架不同位置V型接头焊接热循环和残余应力的影响

  李刚, 关锰, 张艳敏, 范灵利, 李连海, 林斌, 杨康

  机械工程材料. 2021, 45(12): 84-89. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112015

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  利用非线性有限元软件Marc建立含6处V型接头的管状电机支架模型，模拟研究了热输入对6处V型接头起弧端热循环以及焊缝区残余应力的影响。结果表明：热输入越高，起弧端温度峰值越高，接头在加热和冷却过程中的受热越均匀；热输入对焊缝前端和末端焊接残余应力的影响较小；对于焊缝中段，热输入越大，焊接残余应力越小，并且除了接头Ⅱ外，其他接头焊缝中段残余应力均表现为拉应力。
失效分析
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  某液化天然气公交车缓冲罐爆炸原因

  黄焕东, 沈正祥, 陈文飞, 张翰林, 陈虎

  机械工程材料. 2021, 45(12): 90-92,102. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112016

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  某液化天然气公交车发生故障后，关闭其气瓶截止阀，供气系统出现管道冰冻、天然气泄漏现象。用常温自然水对管道进行除冰时供气系统中的缓冲罐发生爆炸。采用化学成分测试，显微组织、断口形貌观察以及应力校核等方法，对缓冲罐的爆炸原因进行了分析。结果表明：采用常温水除冰时液化天然气发生快速相变，导致系统内压力急剧升高并超过缓冲罐的爆炸压力，从而引发缓冲罐爆炸；建议在缓冲罐顶部加装二级安全阀，同时为安全阀设置排空管，通过排空管泄压来有效降低缓冲罐爆炸的风险。
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  某火电厂高速渗碳齿轮轮齿断裂原因

  彭波, 张斌, 张传正, 宋子博, 韩哲文, 李玲, 王智春

  机械工程材料. 2021, 45(12): 93-98. https://doi.org/10.11973/jxgccl202112017

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  某火电厂给水泵耦合器二级从动渗碳齿轮多处轮齿发生断裂。通过宏/微观形貌观察、化学成分检测、金相检验以及力学性能测试等方法分析了轮齿断裂原因。结果表明：轮齿齿面处渗碳层表面硬度不足，耐磨性能和抗疲劳性能较差，在接触应力长期反复作用下，轮齿齿面表层金属剥落形成麻坑，同时齿轮组织中存在白点缺陷，材料的综合力学性能不足；在齿轮高速转动过程中，齿面受接触应力作用，裂纹在剥落麻坑周围应力集中处萌生并迅速扩展，导致轮齿发生脆性断裂。