2021年, 第45卷, 第9期　
刊出日期：2021-09-20

  

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  机械工程材料. 2021, 45(9): 0-0.

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综述
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  稀土永磁材料力学性能改善方法及加工方法的研究进展

  吕贵红, 马峥, 肖滕龙, 李孝森, 刘夏琳, 安士忠

  机械工程材料. 2021, 45(9): 1-7. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109001

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  稀土永磁材料因其优异的磁性能在传统工业、风力发电和新能源汽车等领域得到广泛应用。但是，稀土永磁材料中金属间化合物的脆性大，导致该材料的力学性能和加工性能差，从而限制了其应用范围。总结了稀土永磁材料塑韧性差的原因和断裂机理，重点阐述了近年来提高其力学性能的方法，主要包括晶粒尺寸及分布优化、基体相强韧化、晶界强韧化，以及降低力学性能的各向异性，概述了稀土永磁材料的加工方法，最后展望了该领域未来的发展方向。
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  高导热碳化硅陶瓷的研究进展

  王晓波, 王峰, 贺智勇, 张启富

  机械工程材料. 2021, 45(9): 8-12. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109002

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  近年来，集成电路、热交换器、半导体等行业的快速发展对碳化硅陶瓷的导热性能提出了更高的要求。碳化硅陶瓷内部存在的晶格氧、晶界、气孔等缺陷导致其室温热导率远低于碳化硅单晶理论室温热导率。综述了添加剂、烧结工艺等因素对碳化硅陶瓷室温热导率的影响，并对高导热碳化硅陶瓷的未来发展方向进行了展望。
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  双相不锈钢焊接性能及接头耐腐蚀性能的研究现状

  秦琴, 田金欣, 唐诗佳, 杨昊东, 颜子镒, 黄泰博, 李昀珅

  机械工程材料. 2021, 45(9): 13-18. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109003

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  双相不锈钢因具有良好的力学性能和耐腐蚀性能而得到广泛的应用，其焊接性能也成为重要研究对象。介绍了双相不锈钢的焊接方法及焊接接头的显微组织，重点讨论了焊接接头的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀以及脆化和裂纹产生的机理，最后对双相不锈钢焊接性能的研究方向进行了展望。
试验研究
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  高温应变时效对P92钢高温低周疲劳性能的影响

  赵丽, 华晓春, 马涛, 张肖飞, 王孝义, 饶思贤

  机械工程材料. 2021, 45(9): 19-25. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109004

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  分别在应力与应变控制下对P92钢进行550℃高温低周疲劳试验，研究该钢在不同应变幅（0.2%~1.0%）和应力幅（280~350 MPa）下的疲劳行为；对P92钢进行不同预拉伸应变（0~4%）和温度（250~350℃）下的应变时效处理后，研究该钢的高温拉伸与低周疲劳性能。结果表明：在应变控制下，P92钢的应变与疲劳寿命关系符合Manson-Coffin方程，在低应变幅（低于0.7%）下P92钢出现先循环硬化后循环软化现象；在应力控制下，应变与疲劳寿命关系不遵循Manson-Coffin方程，高应力幅（350 MPa）下P92钢出现先循环硬化后循环软化现象；应变时效处理可提高P92钢的屈服强度，且高温拉伸曲线出现Portevin-Le Chatelier屈服效应；应变时效处理后P92钢在应力控制下的应变与寿命关系不遵循Manson-Coffin方程，且其低周疲劳寿命大幅降低。
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  与Y₂O₃共同掺杂下Sb₂O₅掺杂量对SnO₂陶瓷压敏电阻电性能的影响

  郁培源, 赵洪峰

  机械工程材料. 2021, 45(9): 26-29. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109005

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  通过在SnO₂陶瓷压敏电阻中共同掺杂Sb₂O₅和Y₂O₃（0.05%，物质的量分数），采用扫描电镜和阻抗仪研究了Sb₂O₅掺杂量（0，0.05%，0.10%，0.15%，物质的量分数）对SnO₂压敏电阻微观形貌、电压梯度和晶粒电阻的影响。结果表明：随Sb₂O₅掺杂量增加，SnO₂压敏电阻的晶粒尺寸和界面态密度先增大后减小，电压梯度、非线性系数和泄漏电流密度先减小后增大；Sb₂O₅掺杂量为0.10%时，SnO₂压敏电阻的界面态密度最大，泄漏电流密度最小，晶粒电阻最小，综合电性能最好。
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  原位自生TiC对高铬铸铁堆焊金属组织与性能的影响

  王驰, 孙俊生, 徐虎, 靳军, 澹台凡亮, 田洪芳

  机械工程材料. 2021, 45(9): 30-34. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109006

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  以自制的高铬铸铁药芯焊带为焊接材料，采用非熔化极惰性气体保护电弧焊（TIG）在低碳钢板上进行单层单道堆焊试验，通过在药芯焊带药粉中添加不同质量分数（0~5.2%）的钛铁粉，研究了原位自生TiC对堆焊金属组织和性能的影响。结果表明：药芯焊带药粉中加入钛铁粉后，堆焊金属中除了含有Cr₇C₃硬质相外，还原位析出TiC相，Cr₇C₃尺寸减小，分布更均匀，数量明显增加；当药粉中钛铁粉质量分数为5.2%时，堆焊金属中Cr₇C₃细化最明显，分布最均匀；随着药芯焊带药粉中钛铁粉含量的增加，堆焊金属的硬度和耐磨性提高。液态金属中原位合成的TiC可作为Cr₇C₃的异质形核核心，减小了Cr₇C₃的形核阻力，从而细化了Cr₇C₃。
新材料 新工艺
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  热解碳-SiC共沉积界面SiC_f/SiC Mini复合材料的制备及其拉伸行为

  刘桂良, 何宗倍, 蔺浩然, 张瑞谦, 陈招科, 王继平

  机械工程材料. 2021, 45(9): 35-39,50. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109007

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  以国产第三代碳化硅纤维（SiC_f）为增强体，通过化学气相渗透（CVI）工艺在SiC_f表面同时沉积热解碳（PyC）和SiC形成共沉积界面层，沉积时间为20~70 min，然后继续沉积SiC制备出致密的Mini SiC_f/SiC复合材料，研究复合材料的界面结构和拉伸行为。结果表明：20，40，70 min沉积时间下得到共沉积界面层的平均厚度分别为500，1 100，2 100 nm，界面层厚度均匀，为单层界面；当共沉积界面层厚度为1 100 nm时，Mini复合材料的界面结合强度适中，拉伸强度最大，达到626.0 MPa，对应的断裂应变为0.45%。
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  500 MPa级叉车门架型钢C250b的研制

  霍喜伟, 高彩茹, 宋玉卿, 田余东, 杜林秀, 乔鹏

  机械工程材料. 2021, 45(9): 40-44,57. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109008

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  为满足用户定制的C250b门架型钢屈服强度不低于500 MPa，抗拉强度不低于610 MPa，断后伸长率不小于17%，-20℃冲击功不低于27 J的指标要求，设计了C-Mn-Nb-V-Cr-N体系钢，参考实际生产工艺，在不同的开轧温度和终轧温度下对试验钢进行精轧，研究了试验钢的组织和力学性能，分析了其强化机制。结果表明：设计试验钢的化学成分（质量分数/%）为0.16~0.20 C，0.40~0.50 Si，1.50~1.60 Mn，0.35~0.45 Cr，微量Nb+V，试验钢经精轧和空冷后的组织为铁素体+珠光体组织；当开轧温度控制在920~970℃，终轧温度控制在820~870℃时，试验钢的平均晶粒尺寸不大于7 μm，力学性能参数满足指标要求；试验钢固溶强化对屈服强度的贡献值约为240 MPa，细晶强化的贡献值为177~191 MPa，第二相析出强化的贡献值约为100 MPa。
材料性能及应用
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  汽轮机用3.5NiCrMoV钢和20Cr13钢的非对称应变疲劳行为与寿命预测

  吴海利

  机械工程材料. 2021, 45(9): 45-50. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109009

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  对汽轮机用3.5NiCrMoV贝氏体钢和20Cr13马氏体钢进行对称和非对称应变控制疲劳试验，对比研究其疲劳行为；采用基于对称应变疲劳参数的Morrow模型、SWT模型和Ellyin模型对非对称疲劳寿命进行预测，讨论模型的适用性。结果表明：3.5NiCrMoV钢的非对称疲劳寿命不高于对称疲劳寿命，20Cr13钢的非对称疲劳寿命高于对称疲劳寿命；3.5NiCrMoV钢的对称和非对称循环应力相差较大，而20Cr13钢的对称和非对称循环应力相近；平均应力下降是非对称应变控制疲劳的共同现象，塑性应变变化是影响非对称疲劳寿命的主要因素；Morrow模型预测精度取决于应变比对疲劳寿命的影响，SWT模型不适用于非对称与对称疲劳循环应力-应变曲线相差较大的3.5NiCrMoV钢疲劳寿命预测，Ellyin模型对非对称与对称循环硬化趋势相近的20Cr13钢的非对称疲劳寿命具有较好的预测效果。
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  激光功率和扫描速度对选区激光熔化成形TC4钛合金组织和性能的影响

  吴慧敏, 罗志强, 金胜然

  机械工程材料. 2021, 45(9): 51-57. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109010

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  采用选区激光熔化工艺成形TC4钛合金试样，研究了激光功率（50~300 W）和激光扫描速度（250~1 750 mm·s^-1）对试样组织和性能的影响。结果表明：随着扫描速度的降低或激光功率的增大，试样成形质量提高，表面粗糙度减小，纵截面硬度增大；试样组织中均存在针状α'相和纳米级β相，较高扫描速度下的α'相尺寸较小，β相含量较低；改变扫描速度或激光功率对试样抗拉强度影响不大，较低激光功率或较高扫描速度下的断后伸长率较高；当激光功率为200 W，扫描速度为1 150 mm·s^-1时试样可获得较好的强度和塑性匹配。
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  SiC增强Ni35合金激光熔覆层的组织和性能

  柴程, 李新梅, 王松臣, 王根

  机械工程材料. 2021, 45(9): 58-61,66. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109011

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  在45钢表面、不同激光功率（1 000~1 400 W）和扫描速度（6~10 mm·s^-1）下激光熔覆质量分数20% SiC增强Ni35合金熔覆层，根据熔覆层宏观形貌确定最佳工艺参数，研究了最佳参数下熔覆层的组织和性能。结果表明：该激光熔覆层的最佳工艺参数为激光功率1 000 W、扫描速度8 mm·s^-1，该参数下熔覆层的组织为树枝晶和等轴晶，物相包括SiC、Ni₄B₃、CrB、Ni₂Si和FeSi等硬质相；熔覆层的硬度约为45钢基体的3.5倍，在熔覆过程中激光淬火作用下热影响区的硬度高于基体的；熔覆层的磨损质量损失均明显小于基体的，且磨损质量损失随磨损时间延长的增幅较小，说明熔覆层耐磨性能较好；熔覆层磨损60 min时的磨损方式主要为黏着磨损，磨损120 min时为磨粒磨损。
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  溶液共混母胶法制备纳米石墨/氢化丁腈橡胶复合材料的性能

  吴克鹏, 文薄程, 周广武

  机械工程材料. 2021, 45(9): 62-66. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109012

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  采用溶液共混母胶法制备了纳米石墨/氢化丁腈橡胶（HNBR）复合材料，研究了其微观结构、硫化性能、力学性能、耐磨性能等，并将其与采用传统机械共混法制备得到的复合材料进行对比。结果表明：溶液共混母胶法可使纳米石墨更加均匀地分散在HNBR基体中；与传统机械共混法相比，用溶液共混母胶法制备的复合材料的硫化性能和力学性能更优，最大综合扭矩、弹性模量、交联程度、硫化速率分别提高了35%，44%，32%，46%，但该工艺对复合材料拉伸强度和耐磨性能的提高作用不明显。
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  AlSi7Mg铝合金表面激光熔覆WC增强镍基合金熔覆层的组织与性能

  吴孝泉, 尧登灿, 张道达, 闫洪, 胡志

  机械工程材料. 2021, 45(9): 67-72. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109013

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  在AlSi7Mg铝合金表面制备单道和多道WC增强镍基合金激光熔覆层，研究了熔覆层的显微组织、物相组成、稀释率和显微硬度。结果表明：当激光扫描速度由3.3 mm·s^-1增至6.0 mm·s^-1时，单道激光熔覆层中的气孔和裂纹变少；在扫描速度4.6 mm·s^-1、光斑直径1.0 mm、搭接率20%条件下，多道熔覆层中WC颗粒主要分布在熔覆区与过渡区界面处，裂纹和气孔分别位于搭接处和熔覆层底部；第1道熔覆层及最后1道（第5道）熔覆层的稀释率比第2~4道的高约10%；WC增强镍基合金熔覆层中生成了AlNi、Al₃Ni、M₇C₃、M₂₃C₃等析出相，其平均稀释率约45%，显微硬度约1 100 HV。
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  N80Q钢的低周疲劳特性及寿命预测

  崔璐, 吴鹏, 杨程晖, 康文泉, 李臻, 魏文澜, 王澎

  机械工程材料. 2021, 45(9): 73-78. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109014

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  在Instron 8862型疲劳试验机上对油井套管用N80Q钢进行完全对称循环载荷（平均应变为0）和非对称循环载荷（平均应变为0.5%和1.0%）下的低周疲劳试验，研究该钢的低周疲劳特性，并讨论了考虑不同因素的低周疲劳寿命模型的预测精度。结果表明：塑性应变能随应变幅的增大呈线性增长趋势，平均应变对塑性应变能几乎无影响；在对称载荷、不同应变幅（0.5%~2.0%）下以及非对称载荷、应变幅大于1.0%下，N80Q钢均无应力松弛行为，而在非对称载荷、应变幅小于1.0%时出现明显的应力松弛行为，且初始平均应力越大，应力松弛行为越明显；考虑最大应力、应力范围、应变范围以及平均应变影响的经验模型的预测精度较高，预测寿命主要分散在1.2倍分散带内。
物理模拟与数值模拟
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  套管极限挤毁强度的计算及有限元模拟

  刘洪涛, 徐蔼彦, 赵密锋, 姬丙寅, 周波, 史交齐, 胡芳婷

  机械工程材料. 2021, 45(9): 79-82. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109015

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  对110钢套管进行几何尺寸测量、拉伸试验以及残余应力测试，采用一次二阶矩法计算了套管的平均极限挤毁强度；对套管进行了挤毁试验，并采用有限元模型模拟了套管的极限挤毁强度；将极限挤毁强度的计算结果、模拟结果及试验结果进行了对比。结果表明：试验套管平均极限挤毁强度的计算结果高于目标置信水平，且与试验结果相近，该计算方法适用于试验套管极限挤毁强度的计算；各套管极限挤毁强度的有限元模拟结果与试验结果相近，相对误差不超过5.8%，有限元模拟准确。
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  高应变速率下SiC_p/Al复合材料的动态力学性能及其本构关系

  邬小萍, 吕琴丽, 杨宽, 杨中元, 纪红

  机械工程材料. 2021, 45(9): 83-87. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109016

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  利用分离式Hopkinson压杆试验装置对体积分数15% SiC_p/Al复合材料进行动态压缩试验，研究了该复合材料在500~2 000 s^-1高应变速率下的动态力学性能及其显微组织演变；基于试验数据，通过包含与应变速率和塑性应变相关的绝热温升软化项的Johnson-Cook本构模型对应力-应变曲线进行预测，并将模型预测结果与试验结果进行对比。结果表明：复合材料的应变速率强化效应不明显，但是该材料具有显著的应变强化效应；随着应变速率的增加，复合材料的变形类型由均匀变形向局部化变形转变，增强相颗粒破裂严重，绝热剪切带在局部区域形成并扩展；采用包含绝热温升软化项Johnson-Cook本构模型计算得到的应力-应变曲线与试验结果间的相对误差小于17%。
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  TC4钛合金蜂窝芯的扩散连接/拉伸成形工艺

  周贤军, 武永, 陈明和, 谢兰生, 秦中环

  机械工程材料. 2021, 45(9): 88-93. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109017

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  采用ABAQUS有限元仿真软件模拟了TC4钛合金蜂窝芯的扩散连接/拉伸成形过程，基于仿真结果获得最优的拉伸长度，通过扩散连接/拉伸成形试验，研究了蜂窝芯的胞体轮廓、壁厚分布以及扩散连接界面形貌。结果表明：在920℃/3 MPa/60 min参数下扩散连接得到层叠板，并在温度800℃、拉伸速度1 mm·s^-1下拉伸75 mm后得到蜂窝芯，该蜂窝芯中形成了规则的正六边形胞体，验证了扩散连接/拉伸成形工艺制备蜂窝芯的可行性；蜂窝芯中部胞体质量较好，尺寸精度较高，其平均高度为16.2 mm，平均宽度为21.5 mm，弯曲圆角为2.5 mm，最大减薄率为5.37%；层叠板扩散连接区域未出现明显孔洞缺陷，焊合率超过95%，经过拉伸后扩散连接区域未出现撕裂，弯曲圆角区域未出现裂纹。
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  ω型扣件弹条的非线性力学行为

  姜秀杰, 刘艳, 汤继新, 李秋彤, 赵威, 刘欢

  机械工程材料. 2021, 45(9): 94-102. https://doi.org/10.11973/jxgccl202109018

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  以Vossloh300-1型扣件系统中的ω型SKL15弹条为研究对象，采用有限元软件建立扣件系统仿真模型，在3种材料属性（线弹性模型、双线性模型、拉伸试验获取的弹塑性模型）和2种接触属性（绑定约束、非线性接触）下对弹条的力学行为进行模拟，通过疲劳试验验证模型的有效性，并研究了弹条材料属性以及弹条与嵌入块的接触属性对弹条非线性力学行为的影响。结果表明：在弹条与嵌入块的接触属性为非线性接触以及弹条本构模型为弹塑性模型的条件下，采用有限元模拟得到的弹条跟端最大主应变方向及最大主应变与试验结果相吻合，二者的相对误差分别为5%和3.4%，有限元模型有效。采用非线性接触以及弹塑性本构模型定义弹条材料得出的弹条力学行为与实际情况较接近。