2022年, 第46卷, 第11期　
刊出日期：2022-11-20

  

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  机械工程材料. 2022, 46(11): 0-0.

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综述
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  磁流变液沉降稳定性的研究进展

  孙汝亭, 马然

  机械工程材料. 2022, 46(11): 1-8. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211001

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  磁流变液具有很高的可控性和连续性,广泛应用于半主动减震器、抛光装置和扭矩传递装置,其沉降稳定性是保证其性能的重要指标。对磁流变液沉降稳定性的检测方法进行了概述,并从磁性颗粒、添加剂和载液三方面介绍了改善磁流变液沉降稳定性的研究进展,结合磁流变液沉降稳定性研究中存在的问题对未来研究方向提出了一些观点。
试验研究
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  熔体过热处理对FGH4096镍基高温合金纯净化行为及凝固组织的影响

  张峰, 游小刚, 谭毅, 庄辛鹏, 崔弘阳, 王以霖, 常凯

  机械工程材料. 2022, 46(11): 9-19. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211002

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  在不同熔体过热温度(1 415,1 463,1 523℃)和过热时间(10,20,30 min)下对FGH4096镍基高温合金进行熔体过热处理,研究了熔体过热对合金纯净化行为及凝固组织的影响。结果表明:随着熔体过热温度的升高或过热时间的延长,二次枝晶间距逐渐减小;随着过热温度的升高,合金中元素的偏析程度降低,过热时间对元素偏析程度的影响不大;当过热温度为1 415~1 463℃时,熔体主要发生碳-氧反应,吸氮反应较弱,合金中氧含量和氮含量均较低;当熔体过热温度为1 463~1 523℃时,熔体主要发生MgO坩埚分解反应和吸氮反应,因此合金中的氧含量和氮含量均较高。
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  粉末球磨时间对Mo₂NiB₂金属陶瓷组织与性能的影响

  邓伟涛, 李文戈, 张杨杨, 张博文, 张士陶, 赵远涛

  机械工程材料. 2022, 46(11): 20-25. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211003

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  将钼粉、镍粉和硼粉进行球磨混合,压制成型,采用液相烧结工艺制备Mo₂NiB₂金属陶瓷,研究了粉末球磨时间(1,12,24,36,48 h)对Mo₂NiB₂金属陶瓷显微组织、硬度和耐电化学腐蚀性能的影响。结果表明:不同粉末球磨时间下Mo₂NiB₂金属陶瓷均主要由Mo₂NiB₂、MoB和MoNi相组成,当粉末球磨时间为24 h时,原料粉末混合最均匀,反应生成的Mo₂NiB₂相含量最高,金属陶瓷的相对密度最大;随着粉末球磨时间的延长,金属陶瓷的硬度先减小再增加后减小,自腐蚀电流密度先增大后降低再增大,当粉末球磨时间为24 h时硬度最高,自腐蚀电流密度最小,耐腐蚀性能最好,这与此时金属陶瓷内部孔隙最少减少了腐蚀介质扩散通道以及Mo₂NiB₂相含量较多促进阳极极化有关。
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  发动机活塞用ZL109铝合金表面等离子喷涂镍基合金涂层的耐磨性能

  杜伟, 韩冰源, 崔方方, 杭卫星, 丛孟启, 徐文文, 楚佳杰, 高祥涵, 吴海东

  机械工程材料. 2022, 46(11): 26-32. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211004

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  采用等离子喷涂技术在发动机活塞用ZL109铝合金表面制备Ni60CuMo合金涂层,研究了涂层的微观形貌、物相组成、显微硬度以及不同条件下的耐磨性能。结果表明:涂层由富铬区和富镍区交替重叠构成,与基体间的结合方式为机械结合;涂层的孔隙率为2.48%,平均显微硬度为792.91 HV,约为基体的6倍以上;随试验温度由25℃升高至450℃,涂层的摩擦因数和磨损质量损失均降低,450℃油润滑下涂层的平均摩擦因数为0.037,磨损质量损失为7.35 mg,仅为基体的1/4左右;随试验温度的升高,干摩擦下涂层的磨损机制由剥落失效转变为氧化磨损与黏着磨损,油润滑下由磨粒磨损转变为磨粒磨损和黏着磨损,最后转变为黏着磨损。
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  新型Ni₃Al基单晶高温合金的显微组织和拉伸性能

  赵乐, 刘丽荣, 田素贵

  机械工程材料. 2022, 46(11): 33-37. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211005

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  采用液态金属冷却(LMC)法制备了新型Ni₃Al基单晶高温合金并进行1 290℃×4 h固溶处理和1 000℃×4 h时效处理,研究了合金的显微组织与不同温度(23\~900℃)下的拉伸性能。结果表明:经固溶与时效处理后,试验合金组织中的γ'相呈规则的立方体形状,平均尺寸约为0.55 μm,体积分数约为72%;合金的抗拉强度与屈服强度随着温度升高先增大后减小,且均在800℃时达到峰值,分别为856,808 MPa;合金断后伸长率的变化规律与强度相反,在800℃达到最小值11%;在600℃及以下温度拉伸时合金的断裂模式为纯剪切型断裂,在760℃拉伸时为纯剪切断裂与微孔聚集型共存的混合型断裂,当拉伸温度在800~900℃范围内时为微孔聚集型断裂。
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  Q500qENH耐候桥梁钢锈层的稳定化处理及形成过程

  程丙贵, 韩丽梅, 李丽, 曲锦波

  机械工程材料. 2022, 46(11): 38-42. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211006

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  采用涂锈层稳定剂与水处理(84 d)相结合的技术对Q500qENH耐候桥梁钢试样进行锈层稳定化处理,研究了试样表面锈层的微观形貌、物相组成和形成机理。结果表明:涂锈层稳定剂的耐候桥梁钢试样在水处理初期其表面腐蚀均匀,后期形成的锈层致密性较好且内部无明显裂纹;经过84 d水处理后,涂锈层稳定剂和未涂锈层稳定剂的试样表面锈层主要均由α-FeOOH、γ-FeOOH和少量Fe₃O₄组成,α-FeOOH与γ-FeOOH的质量比分别为2.77和1.85,涂锈层稳定剂试样表面优先形成稳定锈层;锈层稳定剂可使耐候桥梁钢快速形成一层均匀的锈层,并加快锈层初始相γ-FeOOH的生成和转化,提高锈层稳定相α-FeOOH的含量,促进稳定锈层生成,缩短锈层稳定化周期。
新材料 新工艺
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  TiC含量对无压烧结TiC/ZrO₂导电陶瓷复合材料微观结构和性能的影响

  黄云涛, 张进, 岳新艳, 张翠萍, 茹红强

  机械工程材料. 2022, 46(11): 43-48. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211007

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  以ZrO₂、TiC、TiO₂和酚醛树脂为原料,结合碳热还原反应原位生成TiC,通过无压烧结工艺制备TiC/ZrO₂导电陶瓷复合材料,研究了TiC质量分数(25%~40%)对陶瓷复合材料相对密度、微观结构、力学性能及导电性能的影响。结果表明:陶瓷复合材料由TiC相和t-ZrO₂相组成;随着TiC含量的增加,ZrO₂基体中的TiC颗粒逐渐相互连接而形成连续的网状结构,陶瓷复合材料的抗弯强度先增大后减小,硬度先降低后升高,相对密度、断裂韧性和电阻率不断减小;当TiC质量分数为30%时,陶瓷复合材料的综合性能最佳,其相对密度、抗弯强度、维氏硬度、断裂韧度和电阻率分别为97.42%,571 MPa,12.1 GPa,3.43 MPa·m^1/2和3.10×10^-5Ω·m。
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  Ti(C,N)含量对无压烧结Ti(C,N)/ZrO₂陶瓷复合材料微观结构和性能的影响

  郭广晗, 刘佳琦, 黄云涛, 岳新艳, 张翠萍, 茹红强

  机械工程材料. 2022, 46(11): 49-54. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211008

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  以Y₂O₃稳定纳米ZrO₂粉、TiO₂粉、TiN粉、炭黑和水溶性酚醛树脂为原料,采用无压烧结方法制备Ti (C,N)/ZrO₂陶瓷复合材料,研究了Ti (C,N)质量分数(25%~40%)对其微观结构和性能的影响。结果表明:Ti (C,N)/ZrO₂陶瓷复合材料由t-ZrO₂和Ti (C,N)两相组成;随着Ti (C,N)含量的增加,Ti (C,N)颗粒逐渐出现团聚现象,但当Ti (C,N)质量分数增加至40%时,Ti (C,N)相分布又变得较均匀;随着Ti (C,N)含量的增加,陶瓷复合材料的开口气孔率先增大后减小,硬度、抗弯强度和断裂韧度先降低后升高;当Ti (C,N)质量分数为40%时,陶瓷复合材料的综合性能最好,其开口气孔率、硬度、抗弯强度、断裂韧度分别为0.73%,14.4 GPa,354 MPa,5.8 MPa·m^1/2。
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  烧结助剂Al₂O₃-Y₂O₃添加量对无压液相烧结TiC陶瓷结构与性能的影响

  赵义亮, 黄楠, 茹红强, 张翠萍, 岳新艳, 刘春明, 王伟

  机械工程材料. 2022, 46(11): 55-59. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211009

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  在1 850℃下采用无压液相烧结工艺制备TiC陶瓷,研究了烧结助剂Al₂O₃-Y₂O₃(二者物质的量比为1.5)质量分数(0,6%,8%,10%)对TiC陶瓷结构和性能的影响。结果表明:添加烧结助剂后TiC陶瓷中存在TiC相、YAM (Y₄Al₂O₉)相和YAG (Y₃Al₅O₁₂)相;随着烧结助剂质量分数由0增加到10%,陶瓷的相对密度由94.50%增加到97.86%,开口气孔率由0.77%下降到0.21%,YAM相与YAG相增多并逐渐发生聚集,断裂韧度、维氏硬度与抗弯强度均先升高后降低,当烧结助剂质量分数为6%时,断裂韧度和维氏硬度最大,分别为6.2 MPa·m^1/2和19 GPa,当烧结助剂质量分数为8%时,抗弯强度最大,为524 MPa;陶瓷的电阻率均在1.00×10^-6~2.00×10^-6 Ω·m,烧结助剂的添加对导电性能无明显影响。
材料性能及应用
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  锑和铝元素对耐候钢在模拟工业大气环境下耐腐蚀性能的影响

  崔凯禹, 李正荣, 徐接旺, 陈述, 汪创伟, 胡云凤, 熊雪刚

  机械工程材料. 2022, 46(11): 60-65. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211010

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  对自制的锑、铝复合添加Cr-Ni-Cu系耐候钢(1^#)、含铝Cr-Ni-Cu系耐候钢(2^#),市购S450AW含锑耐候钢、Q450EWR1高铬耐候钢以及Q355B低合金钢进行周期浸润腐蚀试验,对比研究了5种钢的耐腐蚀性能以及表面锈层的结构和物相组成,分析了锑和铝元素对耐腐蚀性能的影响。结果表明:4种耐候钢表面锈层均含有高含量α-FeOOH、Fe₃O₄和α-Fe₂O₃等具有保护作用的物相,耐腐蚀性能均优于Q355B低合金钢;1^#钢内锈层出现硅、铬、铜、锑、铝元素的富集,2^#钢内锈层出现硅、铝元素的富集,这些元素的富集提高了内锈层的耐腐蚀性能;1^#钢和2^#钢、S450AW钢的耐腐蚀性能相近,说明复合添加锑和铝可以在保证耐候钢良好耐腐蚀性能的同时减少铝、锑、铬元素的单独添加量。
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  增加回火工序对GCr15轴承钢套圈变形的影响

  王一博, 李淑欣, 舒建明, 陈银军

  机械工程材料. 2022, 46(11): 66-70. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211011

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  在GCr15轴承钢套圈原制造工艺(原材料锻造→退火→车削加工→淬火→回火→磨削→装配)磨削后增加一次回火工序(150℃×2 h回火+超精研磨),对比研究了增加回火工序前后轴承套圈的显微组织、残余应力和圆度,分析了增加回火工序对其变形的影响。结果表明:增加回火工序后,轴承套圈组织仍主要由板条马氏体、残余奥氏体和球形碳化物颗粒组成,相比于原工艺,细小碳化物颗粒数量增多,残余奥氏体含量减少;增加回火工序后,轴承套圈内外表面圆度分别减小了80%和60%,变形明显减小;增加回火工序后,套圈中的残余应力减小并趋于均匀分布,同时细小碳化物的进一步析出抑制了应变诱导马氏体相变,因此轴承套圈的变形减小,尺寸稳定性增强。
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  超音速火焰喷涂CoCrAlSiY合金涂层的摩擦磨损性能

  邓雯, 唐霖, 齐慧

  机械工程材料. 2022, 46(11): 71-77. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211012

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  采用超音速火焰喷涂技术制备CoCrAlSiY合金涂层,研究了该涂层的微观结构、力学性能,以及在不同载荷(2,5,8 N)下的摩擦磨损性能。结果表明:CoCrAlSiY合金涂层主要由CoCr₂O₄、CoAl和α-Al₂O₃相组成,各物相分布均匀,涂层致密;涂层的硬度为(7.41±0.16) GPa,与其他同类合金涂层硬度相近;在2,5,8 N载荷下摩擦磨损时,CoCrAlSiY合金涂层的平均摩擦因数分别为0.33,0.24,0.22,对应的磨损率分别为3.52×10^-5,4.85×10^-5,5.58×10^-5 mm³·N^-1·m^-1;低载荷(2 N)下的磨损机制主要是黏着磨损和磨粒磨损,高载荷(5,8 N)下涂层发生脆性断裂而大块剥落;在摩擦磨损过程中涂层表面形成氧化物,特别是在5 N和8 N载荷下,磨损表面出现大量α-Al₂O₃和CoCr₂O₄等氧化物。
物理模拟与数值模拟
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  双峰结构纳米晶铜的力学行为

  张烽, 汤巧云, 蔡淇星, 支有冉, 马银忠

  机械工程材料. 2022, 46(11): 78-85. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211013

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  通过分子动力学模拟、黏塑性本构模型和纳米压痕试验验证相结合的研究方法,系统研究了双峰结构(晶粒尺寸服从统计学中双峰分布)纳米晶铜的变形机理与力学性能。结果表明:在塑性变形过程中位错首先在纳米晶铜的细晶区形核和扩展,且方向互相平行;而粗晶区的位错滑移方向相互交叉,且粗晶尺寸越大,越容易发生位错缠绕和交滑移。双峰结构纳米晶铜的流变应力随着粗晶尺寸的增大而增大,硬度随着粗晶体积分数的增大而减小。由黏塑性本构方程计算得到的应力变化规律与由经验公式和分子动力学模拟得到的结果一致,且本构方程计算得到的流变应力和经验公式所得结果的相对误差小于5%。
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  60钢热压缩变形行为及其变参数Arrhenius本构方程

  赵劲松, 周昌磊, 黄素霞, 李河宗

  机械工程材料. 2022, 46(11): 86-91. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211014

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  采用Gleeble-1500型热模拟试验机对60钢进行不同温度(730,750,800,850,900,1 000℃)和不同应变速率(0.01,0.1,1,5,10 s^-1)的热压缩试验,总真应变为0.8,分析了60钢在热压缩过程中的变形行为;引入变参数Arrhenius模型,采用五阶多项式对模型中各参数随应变的变化关系进行拟合,构建出60钢高温变形本构方程,并对方程的精确性进行了评估。结果表明:变形温度越高,应变速率越低,60钢的流变应力越小;在较低温度和较高应变速率下,60钢热压缩变形的软化机制主要为动态回复,在较高温度和较低应变速率下则主要为动态再结晶;建立的变参数Arrhenius本构方程对流变应力的预测值与试验值的拟合相关系数达到0.994 597,说明该本构方程可以较好地描述60钢的高温变形行为。
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  基于压痕应变的不锈钢材料拉伸性能参数计算方法

  薛河, 路景智, 贾宇磊, 王双, 王正

  机械工程材料. 2022, 46(11): 92-96. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211015

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  建立连续球压痕试验三维有限元模型,通过单一变量法模拟了残余压痕应变与不同材料拉伸性能参数(弹性模量90~210 GPa、屈服强度180~300 MPa、应变硬化指数0.1~0.3)的关系;在125组拉伸性能参数组合下进行连续球压痕试验有限元模拟,得到基于残余压痕应变的材料拉伸性能参数计算公式并进行了试验验证。结果表明:残余压痕应变分别与弹性模量和屈服强度存在对数线性关系,其对数与应变硬化指数之间存在幂律关系;将连续球压痕试验测得的316L不锈钢的残余压痕应变代入材料拉伸性能参数计算公式,反演计算得到的弹性模量、屈服强度和应变硬化指数与拉伸试验结果的相对误差分别为1.50%,1.57%,0.22%,说明基于残余压痕应变的不锈钢材料拉伸性能参数计算方法可以满足工程需要。
失效分析
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  全井筒试压时140V钢级油层套管管体爆裂原因

  赵金兰, 仝珂, 李虹, 郭军, 刘剑雄, 刘青

  机械工程材料. 2022, 46(11): 97-101. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211016

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  140V钢级油层套管在进行全井筒试压时管体爆裂,采用宏观形貌分析、几何尺寸测量、力学试验、金相检测、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了该套管管体爆裂原因。结果表明:该失效套管显微组织、几何尺寸、力学性能及抗内压强度等均符合标准要求,其管体爆裂模式为韧性断裂,爆裂的主要原因是管体内部压力超过了管体自身承压强度,导致发生过载断裂。
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  700L钢制挂车车架大梁开裂原因及改善措施

  周松, 冯毅, 高翔, 孙岱, 申娟, 王彬花

  机械工程材料. 2022, 46(11): 102-110. https://doi.org/10.11973/jxgccl202211017

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  某企业700L钢制挂车车架大梁产品在较低服役寿命下出现开裂现象,对开裂大梁的断口形貌、化学成分、显微组织、力学性能、疲劳性能、服役性能等进行检验,并与未开裂大梁进行对比,分析大梁开裂的原因,并提出了相应的改进措施。结果表明:开裂700L钢制挂车车架大梁组织中存在一定的混晶现象,导致韧性和疲劳极限偏低,且在交变载荷的作用下,大梁板簧支架与梁下翼面加强板的位置及鞍板与梁连接处出现应力集中,微裂纹在应力集中位置萌生与扩展,最终导致车架大梁发生疲劳断裂;为降低开裂风险,应略微降低终轧温度,同时在大梁靠近鹅颈下翼面内侧增加C形加强板,减少大梁在服役条件下的应力集中现象。