2021年, 第45卷, 第4期　
刊出日期：2021-04-20

  

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  机械工程材料. 2021, 45(4): 0-0.

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综述
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  10.9级M36风电螺栓用钢的低温冲击性能研究现状

  王利军, 孔维涛, 阮士朋, 王宁涛, 张鹏, 王冬晨

  机械工程材料. 2021, 45(4): 1-7. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104001

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  介绍了高寒地区服役的10.9级M36风电螺栓用钢的种类及其加工工艺，从晶体结构、化学成分、调质前原始组织、调质前加工处理工艺以及调质处理工艺等方面，综述了高强度风电螺栓用钢低温冲击性能的研究进展，对采用冷镦热轧盘条工艺生产10.9级风电螺栓的低温冲击性能偏低的原因进行分析，最后提出了冷镦SCM440钢热轧盘条生产10.9级风电螺栓采取的提高低温冲击性能的措施。
试验研究
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  阳极氧化工艺及改性对TiO₂纳米管阵列薄膜疏水性的影响

  李雷, 江少群, 王刚, 徐怡, 周泽华

  机械工程材料. 2021, 45(4): 8-12,18. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104002

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  采用阳极氧化法在钛片表面制备TiO₂纳米管阵列薄膜，研究了不同氧化电压（15~25 V）和时间（0.5~2 h）下薄膜的微观结构；采用硬脂酸对其进行改性，分析了薄膜改性前后的润湿性能。结果表明：TiO₂纳米管平均管径和管间距随氧化电压增大而增大，随氧化时间的变化不明显，而表面结构均匀性则受氧化时间影响，氧化2 h的结构均匀性较好；改性前薄膜表面呈亲水性，改性后呈疏水性，且改性前越亲水则改性后越疏水；氧化时间对改性薄膜水接触角的影响较大，不同电压下阳极氧化2 h制备得到薄膜改性后均呈超疏水性，20 V/2 h下制备得到薄膜改性后的平均水接触角最大，可达159.7°。
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  1Cr18Ni9Ti不锈钢脉冲超窄间隙焊接头的组织及耐腐蚀性能

  郑韶先, 徐龙强, 杜宝峰, 李岗

  机械工程材料. 2021, 45(4): 13-18. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104003

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  采用脉冲超窄间隙焊（UNGW）工艺对20 mm厚1Cr18Ni9Ti不锈钢板进行焊接，研究了该脉冲UNGW接头的显微组织、力学性能及耐腐蚀性能。结果表明：脉冲UNGW接头打底焊缝区的组织为奥氏体等轴晶+板条状δ铁素体，填充和盖面焊缝组织为奥氏体柱状晶+板条状和网状δ铁素体；部分熔合区组织为奥氏体+蠕虫状δ铁素体，而不完全混合区组织为奥氏体+δ铁素体，且其组织形态较为杂乱；热影响区组织为奥氏体+条带状δ铁素体。脉冲UNGW接头的塑性和韧性优于直流UNGW接头的，但强度低于直流UNGW接头的。脉冲UNGW接头熔合区+热影响区、焊缝区、完整接头及母材在NaCl溶液中的耐腐蚀性能依次增强；脉冲UNGW接头在硝酸溶液中的耐晶间腐蚀性能比未敏化处理母材的与直流UNGW接头的差，但明显优于敏化处理母材的。
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  Al-4B中间合金对AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响

  赖春明, 谭海林, 陈静, 李昭赞

  机械工程材料. 2021, 45(4): 19-24,28. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104004

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  通过KBF₄与熔融铝反应制备了Al-4B中间合金，研究了不同质量分数（0%~2.0%）Al-4B中间合金作为孕育剂对AZ31镁合金晶粒尺寸和力学性能的影响。结果表明：Al-4B中间合金由AlB₂和α-Al相组成；Al-4B中间合金的添加可以明显细化AZ31镁合金的晶粒，提高晶粒尺寸的均匀性，降低孔隙率，Al-4B中间合金质量分数为1.0%时，晶粒细化效果最明显；随着Al-4B中间合金含量增加，AZ31镁合金的硬度、抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均增大，屈服强度与晶粒尺寸符合Hall-Petch关系，AZ31镁合金力学性能的改善主要与AlB₂相产生的细晶强化、弥散强化以及铸造组织孔隙率降低有关。
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  原位Raman光谱技术在NaVO₂F₂相变研究中的应用

  张飒, 郑腾飞, 韩龙飞, 杨存旭

  机械工程材料. 2021, 45(4): 25-28. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104005

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  采用水热法合成NaVO₂F₂化合物，通过X射线衍射分析NaVO₂F₂的晶体结构，并通过Raman光谱技术获得从73 K至573 K升温过程中NaVO₂F₂的原位Raman光谱，对特征峰随温度的变化进行分析，得到NaVO₂F₂的相变行为。结果表明：获得的NaVO₂F₂晶体在室温下是单斜晶系，空间群P2₁/c；在升温过程中，在93，233，453 K温度点附近分别发生了低温一阶相变、低温相到P2₁/c相的转变以及P2₁/c相到P2₁/m相的转变，与非原位测试方法得到的结论相吻合，说明通过原位Raman光谱技术研究NaVO₂F₂的相变行为是可行的。
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  丝网对接微束等离子弧焊的焊点成形机理

  王龙, 何建萍, 王付鑫, 刘华荣

  机械工程材料. 2021, 45(4): 29-34. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104006

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  在3种经线留丝长度所组成的6种接头装配方式下对不锈钢丝网进行微束等离子弧对接焊，研究了焊点形貌特征、影响因素以及焊点的成形机理。结果表明：丝网在对接焊过程中形成了准球形、椭球形和纺锤形3种形貌焊点；装配方式、毛边插入距离、焊接对中位置、焊接热输入及焊枪距接头两侧纬线的距离（较短距离X₄和较长距离X₅）是影响焊点形貌的主要因素。准球形焊点分为最靠近接头纬线不熔化的a类与最靠近接头纬线熔化的b类焊点；当X₅不变时，a类焊点半径随X₄的增大而增大；当X₄不变时，b类焊点半径随X₅的增大而增大。当焊接热输入不变时，椭球形焊点的长轴长度随X₄的增大而增大，最后趋于一个定值，当X₅不变时，短轴长度随X₄的增大先增大再减小。当毛边插入距离不变时，纺锤形焊点的体积随X₅的增大而增大；当X₅小于0.33 mm时，焊点体积随毛边插入距离的增大而减小，而当X₅大于0.70 mm时，随毛边插入距离的增大而增大。
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  外加磁场对电子束焊接成形性能的影响

  黄以平, 李少林, 刘海浪, 蒋健博, 彭治国, 谭毅

  机械工程材料. 2021, 45(4): 35-39,45. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104007

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  分别在焊缝深度方向、垂直焊接方向、沿焊接方向设置外加磁场后，对15Mn合金钢板进行电子束焊接，研究了外加磁场对电子束焊缝成形、组织及性能的影响。结果表明：不同外加磁场条件下电子束焊缝质量良好，无裂缝、气孔和夹渣等焊接缺陷；磁场方向垂直焊接方向和沿焊接方向时，焊缝在表面和深度方向均发生偏转。与未设置外加磁场相比，磁场方向沿焊缝深度方向时，焊缝的深度和宽度增大；磁场方向沿焊接方向时，焊缝的深度不变，宽度增加，深度方向偏转角较小；磁场方向垂直焊接方向时，焊缝的深度减小，宽度增大，深度方向偏转角较大；焊缝显微组织和截面显微硬度的分布规律不受外加磁场方向的影响。
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  湿热环境中碳纤维复合材料层合板的强度退化及老化寿命预测

  余海燕, 吴航宇, 石慧茹

  机械工程材料. 2021, 45(4): 40-45. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104008

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  对碳纤维复合材料（CFRP）层合板进行了25，50 ℃加速水浴吸湿试验，以及吸湿后的单向拉伸和三点弯曲试验，研究了吸湿率、拉伸强度和弯曲强度随吸湿时间、水浴温度的变化规律，讨论了CFRP层合板的失效机理；拟合试验数据建立了CFRP层合板的剩余强度模型，并基于环境当量系数对层合板的湿热老化寿命进行预测。结果表明：CFRP层合板在50 ℃水浴温度下的平均饱和吸湿率为0.77%，高于在25 ℃下的（0.33%），在相同吸湿时间下，50 ℃水浴温度下的吸湿率大于25 ℃下的；CFRP层合板在50 ℃吸湿饱和后的拉伸强度和弯曲强度相比吸湿前的分别下降了7.4%和17.2%，下降幅度均大于25 ℃下吸湿饱和后的；水浴温度越高，CFRP层合板碳纤维与树脂间界面损伤越严重，裂缝越明显；基于剩余强度和环境当量系数的真实老化寿命预测方法可为湿热环境下CFRP层合板的服役可靠性评估提供依据。
材料性能及应用
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  铁替代部分锰对MnCoGe_1.02合金马氏体相变和磁性能的影响

  高丽, 陶子豪, 冯影, 王树

  机械工程材料. 2021, 45(4): 46-50,56. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104009

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  利用铁替代MnCoGe_1.02合金中部分锰，采用电弧熔炼方法制备了Mn_1-xFe_xCoGe_1.02（x=0，0.01，0.03，0.06，0.09）合金，研究了合金的物相组成、晶体结构、马氏体相变和磁热效应。结果表明：用铁替代部分锰后，合金的晶格参数和晶胞体积均随铁含量的升高基本呈降低趋势，室温下MnCoGe_1.02合金呈正交马氏体和六角奥氏体的两相结构，x=0.01和x=0.03时合金均为单一的正交马氏体相结构，x=0.06和x=0.09时合金为单一的六角奥氏体相结构；合金的马氏体相变温度随铁含量的增加先升高后降低，x=0.03时合金的相变温度最高；铁的添加有效提高了合金的磁化强度差，x=0.03时合金具有最大的磁化强度差，且在5 T、315 K时该合金的磁熵变最大，为18.7 J·K^-1·kg^-1，说明该合金具有较大的磁热效应。
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  316不锈钢表面等离子熔敷硼化物覆层的组织与性能

  徐鑫, 潘应君, 柯德庆, 潘颖慧, 甘章华

  机械工程材料. 2021, 45(4): 51-56. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104010

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  以自制Mo-Fe-B-Cr药芯焊丝为原料，采用等离子熔敷技术在316不锈钢基体表面制备硼化物覆层，研究了覆层的显微组织、硬度、耐磨和耐腐蚀性能。结果表明：硼化物覆层与基体间形成良好的冶金结合，覆层中存在厚度约100 μm的渐变层，渐变层中发生了元素的相互扩散；覆层组织中γ-Fe黏结相包裹着块状硬质相Mo₂FeB₂和（Mo，Fe，Cr）₃B₂，同时枝晶状分布的黏结相间存在大量网状共晶组织（Fe，Cr）₂B、（Fe，Cr）₂₃（C，B）₆；覆层的最大显微硬度达757 HV，约为基体硬度的3.4倍；覆层的磨损质量损失小于基体的，覆层具有优异的耐磨性能，磨损机理为黏结相的微切削导致硬质相颗粒的脆性剥落，从而形成磨粒磨损；覆层在质量分数5% NaCl溶液中的自腐蚀电位略高于基体的，自腐蚀电流密度小于基体的，覆层具有良好的耐腐蚀性能。
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  汽车用SPHC热轧薄钢板的低周疲劳特性

  孙晓冉, 宋月, 谷秀锐, 白丽娟, 赵秀娟

  机械工程材料. 2021, 45(4): 57-60. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104011

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  对2.0 mm厚汽车用SPHC热轧薄钢板进行低周循环应变疲劳试验，获得了应力-应变曲线、应变-寿命曲线、应变滞回环曲线以及相关疲劳常数指标，并对疲劳断口形貌进行观察。结果表明：SPHC钢在试验范围内具有非Masing效应；拟合得到SPHC钢的循环强度系数为284，循环应变硬化指数为0.128；通过Manson-Coffin方程拟合得到SPHC钢的疲劳强度系数为467 MPa，疲劳强度指数为-0.078，疲劳延性系数为0.323，疲劳延性指数为-0.609；疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展区、瞬断区组成，裂纹扩展区由大量疲劳辉纹组成，瞬断区存在大量韧窝，SPHC钢具有良好的塑韧性。
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  生产ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆原料的热塑性

  黎仕兵, 朱艳丽, 徐晓龙, 姚军

  机械工程材料. 2021, 45(4): 61-64. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104012

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  以进口生产ER5356铝合金焊丝用连铸连轧杆原料为研究对象，采用高温拉伸试验研究了不同温度（250~550 ℃）下连铸连轧杆的高温强度、塑性变化规律，并观察了断口形貌，得到最佳热塑性温度区间。结果表明：随着温度升高，该连铸连轧杆的高温强度呈单指数降低趋势，断后伸长率增大，断面收缩率变化不大，说明该连铸连轧杆具有较好的高温塑性；随着温度升高，晶界弱化，沿晶断裂区域面积增加，拉伸断口形貌由韧窝变为韧窝+脆性沿晶断裂混合形貌，最后完全变为脆性沿晶断裂形貌；ER5356铝合金连铸连轧杆的最佳热塑性温度区间为375~525 ℃。
物理模拟与数值模拟
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  F690超高强钢的腐蚀疲劳裂纹扩展行为及其有限元模拟

  马颖涵, 张振, 郭孟雨, 赵伟, 张才毅, 胡正飞, 高珊

  机械工程材料. 2021, 45(4): 65-71,80. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104013

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  采用直流电压降法测试了F690超高强钢在模拟海水中的疲劳裂纹扩展速率，研究了应力比（0.1，0.2，0.3）和加载频率（0.15，0.30，0.60 Hz）对疲劳裂纹扩展行为的影响；采用基于能量释放率Paris法则的扩展有限元方法对腐蚀疲劳过程进行了模拟，并与试验结果进行对比。结果表明：F690钢在模拟海水中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率随着应力比或频率的增大而减小；腐蚀疲劳断裂形式为穿晶断裂，且随着频率增加，二次裂纹的宽度变小；模拟得到F690钢的腐蚀疲劳裂纹扩展长度与试验结果相吻合，相对误差小于0.6%，说明采用该扩展有限元方法可有效模拟和预测F690钢的腐蚀疲劳裂纹扩展行为。
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  基于缺陷三维成像的电子束熔丝增材制造钛合金疲劳寿命模型

  方燕玲, 谢成, 吴圣川, 张杰, 杨光, 齐世文, 李飞

  机械工程材料. 2021, 45(4): 72-80. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104014

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  应用高分辨率同步辐射三维X射线成像技术获取电子束熔丝增材制造Ti-6Al-4V合金的特征参数，结合高周疲劳试验分析缺陷对合金疲劳性能的影响；考虑缺陷特征参数对已有Z参数疲劳寿命模型进行修正，提出了X参数疲劳寿命模型。结果表明：所制造Ti-6Al-4V合金存在气孔及未熔合缺陷；不同应力水平下合金的疲劳寿命均存在较大的离散性，50%存活率下合金的疲劳极限为679 MPa，多数疲劳裂纹萌生于气孔、未熔合缺陷处；由X参数疲劳寿命模型得到的X参数-疲劳寿命曲线的线性拟合相关系数为0.878 5，比由Z参数疲劳寿命模型得到的提高了近20%，疲劳寿命离散性显著降低，模型的预测精度显著提高。
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  含硼不锈钢的热变形行为

  廉晓洁

  机械工程材料. 2021, 45(4): 81-87. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104015

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  在304不锈钢成分基础上，添加了质量分数1.96%的硼元素，采用真空感应熔炼技术制备含硼不锈钢，对该钢进行单道次热压缩试验，研究了该钢在900~1 150 ℃和应变速率0.1~10 s^-1条件下的热变形行为；根据试验数据，基于Arrhenius方程并结合5次多项式拟合建立该钢的热变形本构模型，对加工硬化率-真应力曲线进行分析确定该钢发生动态再结晶的临界条件。结果表明：在试验参数下热压缩后，含硼不锈钢的流变应力-应变曲线为典型的动态再结晶型，软化机制以动态再结晶为主；随着变形温度的升高或应变速率的减小，试验钢的峰值应力及其对应的真应变降低；采用所建立的热变形本构方程计算得到的真应力-真应变曲线与试验测得的相吻合，平均相对误差绝对值为2.76%，说明该本构模型能够准确预测含硼不锈钢的热变形行为；变形温度较高、应变速率较小时，该钢较易发生动态再结晶。
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  直流电压降方法在钢材疲劳过载延迟效应研究中的应用

  夏昊阳, 吴昊

  机械工程材料. 2021, 45(4): 88-93. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104016

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  通过引入等效残余应力强度因子ΔK_res，提出了一种无材料拟合参数的新型驱动力模型，对裂纹扩展速率与延迟疲劳寿命进行预测；采用直流电压降（DCPD）方法结合有限元标定测得裂纹扩展长度，并与实测值进行比较，验证该方法的准确性；基于DCPD方法结合有限元标定通过过载疲劳试验得到4种钢材过载后的裂纹扩展速率与延迟疲劳寿命，验证预测模型的准确性。结果表明：单峰过载后，4种试验钢均出现过载延迟效应；过载比越大，试验钢过载后的最小裂纹扩展速率越小，且屈服强度越低的试验钢的延迟效果越大。采用DCPD方法结合有限元标定得到的裂纹扩展长度与实测值的相对误差小于3.75%，该方法具有较高的精度；驱动力模型预测得到的裂纹扩展速率的变化趋势与由DCPD方法结合有限元标定得到的试验值相吻合，且预测延迟疲劳寿命均在试验值的2倍误差带内，验证了驱动力模型的准确性。
失效分析
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  工程机械用Q960高强度钢板冷折弯开裂原因

  朱奇, 李强, 熊志林, 张起创

  机械工程材料. 2021, 45(4): 94-98. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104017

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  采用宏观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察、断口形貌分析、显微硬度测试、示波冲击试验等方法，分析了工程机械用Q960高强度钢板在冷折弯过程中出现开裂的原因。结果表明：Q960高强度钢板冷折弯处的开裂性质为拉应力诱发的微裂纹萌生及扩展。在冷折弯过程中钢板折弯外圆面受到拉应力而在原板坯中大尺寸TiN夹杂物处萌生裂纹，裂纹沿横向和纵向扩展导致钢板开裂。通过将钛质量分数由0.18%降至0.15%，氮质量分数控制在不高于0.003%的范围内来降低大尺寸TiN夹杂物的析出量，避免类似失效再次发生。
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  航空发动机带凸肩风扇转子叶片裂纹产生原因

  刘欢, 佟文伟, 张爽, 张开阔, 李艳明

  机械工程材料. 2021, 45(4): 99-102. https://doi.org/10.11973/jxgccl202104018

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  某航空发动机TC4合金风扇转子叶片凸肩根部转接部位过早产生裂纹，通过宏观形貌观察、断口分析以及接触放电试验，分析了裂纹产生原因。结果表明：失效风扇转子叶片裂纹为疲劳裂纹，裂纹萌生于叶片叶盆侧凸肩根部至排气边的转接区域表面；在叶片凸肩耐磨层钎焊过程中，感应线圈靠近或接触叶片基体而发生接触放电，导致叶片基体局部熔化烧伤和阻流剂熔化，是叶片萌生疲劳裂纹的原因。建议采用绝缘胶布对感应线圈进行绝缘处理，选取合适的感应电流和焊接距离，以防止线圈与叶片之间发生接触放电。