2022年, 第46卷, 第12期　
刊出日期：2022-12-20

  

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  机械工程材料. 2022, 46(12): 0-0.

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综述
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  陶瓷材料抗热震性的研究进展

  赵婷婷, 范立坤, 黎阳

  机械工程材料. 2022, 46(12): 1-8. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212001

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  当陶瓷材料受到温度骤变时产生的热应力超过其强度时,材料会发生开裂、剥落甚至断裂,进而失效,因此研究陶瓷材料的抗热震性成为热点。简述了陶瓷材料抗热震性评价理论以及抗热震性的测试与表征方法,综述了提高抗热震性的方法,包括补强增韧、提高热导率、降低热膨胀系数、降低弹性模量等,总结了影响抗热震性的外部因素,提出了今后提高陶瓷材料抗热震性的发展方向。
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  核聚变堆钨/钢复合结构连接的研究现状

  杨宗辉, 沈以赴, 张旭, 李晓泉

  机械工程材料. 2022, 46(12): 9-17. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212002

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  核聚变堆中的面向等离子体材料钨需要和结构材料低活化钢形成高质量连接,以制造出可满足极端苛刻工作条件的钨/钢复合结构件。介绍了钨/钢复合结构连接的难点,详细阐述了钨/钢复合结构的连接技术、连接接头的热应力与降应力方法以及力学性能等方面的国内外研究现状。指出对钨/钢复合结构导热性、抗热疲劳性及高温与强辐射环境下工作的可靠性要进行系统测试与分析,并以此为基础不断改进连接技术与工艺,标准化测试方法,确定钨/钢复合结构关键性能的优先顺序及指标等是今后核聚变堆钨/钢复合结构连接研究的发展方向。
试验研究
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  双模板协同合成氮硫铁共掺杂分级多孔碳材料的电催化性能

  董雅倩, 张耀辉, 唐宾

  机械工程材料. 2022, 46(12): 18-23,42. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212003

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  通过MgO/ZnCl₂双模板协同作用和一步热解的方法制备氮硫铁共掺杂分级多孔碳材料,研究了该材料的氧还原反应电催化性能。结果表明:采用该方法成功合成了具有碳纳米片结构的氮硫铁共掺杂分级多孔碳材料,比表面积较大,为1140.31m²·g^-1;ZnCl₂模板促进了微孔的形成,有助于形成致密的活性位点;MgO模板促进了介孔的形成,有利于氧还原反应电催化过程的传质;该材料在碱性电解质中表现出优异的氧还原反应电催化活性、良好的电催化稳定性和持久性以及较快的电子转移速率,氧还原反应的起始电位为1.05V,半波电位为0.81V,电荷转移电阻为11Ω·cm²,经过13h极化后保留了原始电流密度的83%;用该材料组装的锌-空气电池的开路电位为1.42V,最大功率密度为182.1mW·cm^-2。
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  MoS₂添加量对MoS₂/Ni60A固体自润滑涂层显微组织和性能的影响

  张宇鹏, 王永东, 常萌阳, 王金宇

  机械工程材料. 2022, 46(12): 24-29,35. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212004

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  以Ni60A合金粉末和MoS₂粉末为熔覆材料,采用激光熔覆技术在35CrMnSi钢基体表面制备MoS₂/Ni60A固体自润滑涂层,研究了MoS₂添加量(质量分数1%,3%,5%,7%,9%)对涂层物相组成、显微组织、显微硬度和摩擦磨损性能的影响。结果表明:不同MoS₂添加量的涂层表面成形良好,均与基体达到冶金结合,涂层主要物相组成为MoS₂、γ-Ni、NiS、Cr₂B,其中,上部显微组织主要由短棒状、鱼骨状和放射状的树枝晶组成,底部与熔合线处的组织由平面晶和粒状晶组成。随着MoS₂添加量的增加,涂层的显微硬度降低,磨损质量损失增多,摩擦因数先降低后增大。当MoS₂添加量为3%时,涂层的摩擦因数最小,为0.43,磨损表面形成完整的固体自润滑膜,产生的犁沟较少,主要磨损机理为轻微的磨粒磨损。
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  钆含量对电弧增材制造成形Mg-Gd合金显微组织和力学性能的影响

  张新琦, 杨冬野, 田文琦, 司珂, 李九霄, 邹文兵

  机械工程材料. 2022, 46(12): 30-35. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212005

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  采用钨极惰性气体保护焊(TIG)电弧增材制造技术制备钆质量分数分别为2%,3%,10%的Mg-Gd合金,研究了钆含量对Mg-Gd合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:不同钆含量Mg-Gd合金的显微组织均由镁基体和第二相Mg₅Gd组成。随着钆含量的增加,沿晶界分布的第二相Mg₅Gd的数量和尺寸增加,形状由圆形颗粒状向长条状转变,合金中气孔数量及尺寸降低,镁晶粒从柱状晶向等轴晶转变,且晶粒尺寸先减小后增大,当钆质量分数为3%时达到最小。随着钆含量的增加,合金的强度增大,断后伸长率下降,断裂方式均为韧性断裂。
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  退火温度对NiCoCrMn高熵合金激光熔覆层组织与耐腐蚀性能的影响

  陈文涛, 马莉冰

  机械工程材料. 2022, 46(12): 36-42. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212006

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  采用激光熔覆技术在45钢表面制备NiCoCrMn高熵合金熔覆层,并进行不同温度(700,800,900,1000℃)退火处理,研究了退火温度对激光熔覆层显微组织与耐腐蚀性能的影响。结果表明:沉积态和退火态NiCoCrMn高熵合金熔覆层均呈单相面心立方固溶体结构,沉积态与700,800℃退火后熔覆层均由柱状晶组织组成,晶粒内部存在大量的胞状亚结构,并伴有凝固偏析现象,当退火温度超过900℃时凝固偏析现象开始消失,当退火温度升高至1000℃时,除凝固偏析消除外,还发生了组织回复与再结晶形成等轴晶组织。退火处理会提高熔覆层耐腐蚀性能,并且耐腐蚀性能随退火温度的升高而增强。
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  铌含量对H13钢枝晶偏析及碳化物组成和形貌的影响

  欧阳伟豪, 周健, 高鹏, 迟宏宵, 谢官利, 王文军

  机械工程材料. 2022, 46(12): 43-49. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212007

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  采用真空感应炉制备含有不同质量分数(0,0.17%,0.38%)铌的H13钢,研究了铌含量对该钢枝晶偏析及共晶碳化物组成和形貌的影响。结果表明:加入铌可以显著细化H13钢的组织,并降低枝晶间碳化物形成元素的偏析;随铌含量的增多,共晶碳化物数量和尺寸显著增加,其形貌由块状或长条状向层片状或鱼骨状转变;碳化物主要为M₇C₃、M₂₃C₆、M₆C及MC,随铌含量的增多,M₇C₃和M₂₃C₆型碳化物数量减少,M₆C和MC型碳化物数量增多,MC型碳化物由以VC为主转变为以NbC和VC为主,且MC型碳化物的析出温度显著提高。
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  钪、锆变质处理和脉冲磁场对Al-3Fe合金凝固组织及硬度的影响

  李志伟, 周全, 董建军, 陈乐平, 魏陈阳

  机械工程材料. 2022, 46(12): 50-54,59. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212008

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  以高纯铝和Al-10Fe中间合金为原料制备Al-3Fe合金,在熔炼过程中加入质量分数分别为0.3%和0.1%的钪和锆元素对熔体进行变质处理,在凝固过程施加不同电压(100,200,300V)、不同频率(2.5,5,10Hz)的脉冲磁场,研究了变质处理和脉冲磁场对Al-3Fe合金凝固组织和硬度的影响。结果表明:钪、锆变质处理,脉冲磁场(100V,5Hz)及二者复合处理均可以有效细化合金的凝固组织,其中复合处理的细化效果最好,Al₃Fe相由未处理时粗大的长针状变为细小的短棒状或短针状。复合处理条件下,随着脉冲电压的增加,Al₃Fe相长度先增加后减小;随着脉冲频率的增加,Al₃Fe相长度减小。变质+脉冲磁场复合处理后,合金的布氏硬度提高最明显。
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  长庆油田含硫化氢区块中J55钢套管的腐蚀机理

  朱广社, 张晓博, 杨学峰, 刘洋, 张立原, 赵春雨, 游家庆, 江丰, 刘曼, 刘思佳

  机械工程材料. 2022, 46(12): 55-59. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212009

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  采用能谱分析仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等对长庆油田含硫化氢区块中J55钢套管表面的腐蚀产物,及不同腐蚀环境(纯CO₂、纯H₂S、不同分压CO₂+H₂S环境)中J55钢试样表面腐蚀产物的组成及形貌进行了分析,计算了腐蚀速率,并研究了含硫化氢区块J55钢套管的腐蚀机理。结果表明:J55钢在纯CO₂环境中会形成粗粒径且致密性较差的FeCO₃腐蚀产物膜,其腐蚀速率较高;H₂S的加入使得J55钢在CO₂+H₂S环境中形成了细粒径致密性高的FeS腐蚀产物膜,对基体金属能起到一定的保护作用,从而显著降低了腐蚀速率;J55钢在长庆油田含硫区块的腐蚀机理为以H₂S腐蚀占主导的CO₂+H₂S腐蚀。
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  终轧温度对含锡铁素体不锈钢组织和耐腐蚀性能的影响

  花国祥, 刘秀婷, 高峰

  机械工程材料. 2022, 46(12): 60-66. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212010

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  对冶炼的含锡铁素体不锈钢进行热轧(开轧温度为1150℃,终轧温度分别为730,800,870,940℃)+退火(950℃×5min)处理,再进行冷轧+退火(900℃×2min)处理,研究了终轧温度对冷轧退火板显微组织、耐H₂SO₄和FeCl₃腐蚀性能和电化学性能的影响。结果表明:不同终轧温度热轧下,含锡铁素体不锈钢冷轧退火板的显微组织均由γ纤维再结晶织构组成。随着终轧温度的降低,含锡铁素体不锈钢冷轧退火板晶粒尺寸减小,当终轧温度为800℃时,晶粒尺寸为10~20μm,尺寸分布最均匀;耐H₂SO₄、FeCl₃腐蚀和电化学腐蚀速率均随终轧温度的降低呈先减小后增大的趋势,当终轧温度为800℃时达到最小。
材料性能及应用
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  药芯焊丝镍含量对25Cr2Ni4MoV高强钢焊接接头组织与性能的影响

  张敏, 张林, 王博玉, 贾芳, 夏拓

  机械工程材料. 2022, 46(12): 67-71. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212011

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  基于25Cr2Ni4MoV钢的化学成分,设计了3种不同镍质量分数(15%,19%,23%)的金属型药芯焊丝,对25Cr2Ni4MoV钢板进行熔化极活性气体保护电弧焊,研究了药芯焊丝中镍含量对接头组织与力学性能的影响。结果表明:接头焊缝组织均由板条马氏体、贝氏体及少量针状铁素体组成,随着药芯焊丝中镍含量的增加,焊缝中板条马氏体组织先细化后粗化,接头的断后伸长率和冲击吸收功增加,强度先升高后降低。当药芯焊丝中镍质量分数为19%时,接头的抗拉强度达到最高,为920MPa,冲击吸收功为48J,此时接头具有较好的强韧性匹配。
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  双相高熵陶瓷(La_0.2Eu_0.2Gd_0.2Y_0.2Yb_0.2)₂Zr₂O₇的制备与热物理性能

  杨宏波, 林广强, 李弘毅, 王文俊, 刘会军, 王源升, 曾潮流

  机械工程材料. 2022, 46(12): 72-78,84. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212012

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  以La₂O₃、Eu₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃和ZrO₂粉末为原料,采用高温固相反应法制备(La_0.2Eu_0.2Gd_0.2Y_0.2Yb_0.2)₂Zr₂O₇高熵陶瓷,确定了制备工艺,研究了其显微组织、物相组成以及热物理性能,分析其高温热稳定性。结果表明:在1500℃烧结5h炉冷条件下,能得到固溶反应完全的双相高熵陶瓷,其呈现烧绿石/萤石双相共存特征,晶粒尺寸在200~800nm,且元素分布均匀;其800℃下的热导率约为8YSZ陶瓷的50%,热膨胀系数与8YSZ陶瓷相当,并具有良好的高温热稳定性。
物理模拟与数值模拟
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  基于分形维数的预腐蚀铝合金疲劳寿命预测

  王勇刚, 郭一冰, 董逸君, 周松, 职山杰, 张景扩, 卢亚平, 李东亚, 王爽

  机械工程材料. 2022, 46(12): 79-84. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212013

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  通过数字图像处理技术对在质量分数为3.5%的NaCl溶液中预腐蚀处理不同时间的2xxx系铝合金试样表面腐蚀形貌进行分析,利用差分盒维数描述腐蚀三维形貌,分析了分形维数与腐蚀时间、疲劳寿命的关系,基于分形维数建立了疲劳寿命预测模型,并通过试验进行验证。结果表明:2xxx系铝合金的分形维数与腐蚀时间呈幂函数关系,与疲劳寿命呈线性关系;建立的寿命预测模型对低周疲劳寿命的预测结果较为保守,与试验值的相对误差在25%以内,对高周疲劳寿命的预测结果较为精准,与试验值的相对误差减小到15%以内;通过寿命预测模型计算得到的疲劳极限与试验值接近,相对误差在5%以内。
失效分析
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  某注气井3Cr钢油管腐蚀原因

  吉楠, 李长亮, 宋文文, 赵密锋, 龙岩, 谢俊峰

  机械工程材料. 2022, 46(12): 85-90,97. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212014

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  西部油田某注气井中3Cr钢油管出现腐蚀现象。通过宏观形貌分析、力学性能检测,扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射分析等方法查找了油管腐蚀原因。结果表明:在注氮气驱件下,油管的内外壁主要发生溶解氧腐蚀,外螺纹端面发生溶解氧腐蚀与缝隙腐蚀;油管腐蚀主要是由于注入氮气中含有氧气而在油管内外壁和端面形成氧腐蚀环境,造成油管材料性能与实际服役的腐蚀环境不匹配。
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  低压转子叶片叉型叶根销钉开裂原因

  邓辉, 吴文生, 吴旭良, 袁红玉, 谢照增

  机械工程材料. 2022, 46(12): 91-97. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212015

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  某滨海电厂660MW超超临界机中A、B低压转子末二级叶片叉型叶根销钉发生开裂,通过宏、微观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察及力学性能测试等方法分析了销钉的开裂原因。结果表明:销钉发生了应力腐蚀开裂。开裂销钉显微组织不均匀,且存在粗晶,其应力腐蚀敏感性较大;销钉孔内存在腐蚀介质,导致销钉表面形成腐蚀坑。在汽轮机高速转动过程中,销钉承受由叶片离心力引起的弯曲应力,在腐蚀坑处萌生微裂纹,发生应力腐蚀开裂。
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  某苯乙烯装置中Incoloy 800HT合金高温蒸汽管道主管对接接头开裂原因

  陈刚, 李志峰, 路宝玺, 杨利军

  机械工程材料. 2022, 46(12): 98-102. https://doi.org/10.11973/jxgccl202212016

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  某苯乙烯装置中已使用13a的Incoloy 800HT合金高温蒸汽管道在定期检验过程中在主管对接接头处发现裂纹,通过拉伸试验、弯曲试验、金相检验和微观形貌观察等方法分析了裂纹产生的原因。结果表明:主管接头在913℃长时服役后在熔合线上有大量析出相,析出相主要是由合金元素铬和钼形成的碳化物;碳化物相的析出导致合金高温力学性能的降低并产生应力集中,蠕变孔洞在析出相附近产生,长时间高温使用下演变为蠕变裂纹。