2022年, 第46卷, 第7期　
刊出日期：2022-07-20

  

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  机械工程材料. 2022, 46(7): 0-0.

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试验研究
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  磁控溅射制备Al-Cu合金薄膜的纳米压痕力学性能与强化机制

  上官福军, 尚海龙, 马冰洋, 李文戈, 赵远涛, 刘福康, 于大一

  机械工程材料. 2022, 46(7): 1-5,10. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207001

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  采用磁控溅射方法在不锈钢表面制备了铜原子分数在0~11.8%的Al-Cu合金薄膜，研究了铜含量对薄膜微观结构、纳米压痕力学性能和强化机制的影响。结果表明：纯铝薄膜呈现面心立方结构，铜原子分数在2.2%~6.5%时Al-Cu合金薄膜均形成过饱和固溶体相，当铜原子分数超过6.5%后，薄膜中生成了AlCu化合物。随铜含量的增加，薄膜的晶粒尺寸减小，硬度和弹性模量增加，当铜原子分数增至11.8%时，晶粒尺寸为34.7 nm，硬度和弹性模量分别比纯铝薄膜提高了212.5%，2.2%；当铜原子分数在0~6.5%时薄膜的强化主要来自于细晶强化和固溶强化，当铜原子分数超过6.5%后，薄膜的强化是细晶强化、固溶强化和第二相强化共同作用的结果。
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  锻造温度对TA15钛合金显微组织及抗拉强度各向异性的影响

  王哲, 冉兴, 刘程程, 王欣

  机械工程材料. 2022, 46(7): 6-10. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207002

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  在（α+β）相区对TA15钛合金棒进行锻造，研究了t_β-15℃、t_β-30℃和t_β-50℃（t_β为β相变温度）3种锻造温度对合金显微组织和抗拉强度各向异性的影响。结果表明：随着锻造温度降低，TA15钛合金中初生α_p相含量增加，片层状α相含量减少，厚度和长宽比减小，抗拉强度提高；TA15钛合金在t_β-50℃温度锻造后沿流线方向的抗拉强度可达973 MPa，3个方向抗拉强度的极差随锻造温度的降低而减小；TA15钛合金锻造后的拉伸断口均为韧性断口，锻造温度越低，初生α_p相含量越高，断口韧窝越深，而含有较多较细长片层状α相时，断口韧窝较浅。
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  0.6Zr3Mo钛合金在含不同浓度盐酸胶凝酸中的腐蚀疲劳行为

  黎玉泽, 李臻, 何石磊, 魏文澜, 金丹丹, 崔璐, 程嘉瑞

  机械工程材料. 2022, 46(7): 11-15,22. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207003

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  通过应力幅550 MPa和应力比-1的疲劳试验，研究了0.6Zr3Mo钛合金在含不同质量分数（1%~20%）盐酸的胶凝酸中的腐蚀疲劳行为。结果表明：随着胶凝酸中盐酸浓度的增加，钛合金的腐蚀疲劳寿命线性降低，且其分散性明显增大；钛合金在含质量分数1%盐酸胶凝酸中的腐蚀疲劳断口形貌与在大气环境中相似，裂纹源为单一裂纹源，裂纹扩展区存在解理面，钛合金发生断裂的主要原因是循环应力作用；当胶凝酸中盐酸质量分数为10%和15%时，裂纹源区存在大量点蚀坑，裂纹呈多源萌生，裂纹扩展区包括解理面、主裂纹以及大量二次裂纹，循环载荷和盐酸的共同作用加速了裂纹扩展，降低了钛合金的腐蚀疲劳寿命；在裂纹扩展区裂纹尖端的局部盐酸浓度差异造成了局部较深的二次裂纹，这是腐蚀疲劳寿命分散性显著的主要原因。
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  超精细抛光处理对硬质合金铣刀耐磨性能的影响

  史建猛, 董卫萍, 成书民, 关艳英, 刘珍, 王俊斌, 史海兰, 刘道新

  机械工程材料. 2022, 46(7): 16-22. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207004

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  在硬质合金铣刀表面离子镀TiAlN涂层前后进行超精细抛光处理（MST），采用划痕试验、磨损量测定、粗糙度测试、形貌观察、成分分析等方法分析了MST对刀具磨损行为及磨损机理的影响。结果表明：在制备涂层后进行MST不会影响涂层的结合强度，并且可以降低刀具的表面粗糙度，从而减小切削阻力，因此MST刀具的耐磨性能明显优于未进行MST的刀具；先进行MST再制备涂层虽然也能降低刀具表面粗糙度，但是劣化了涂层的结合性能，影响了涂层对刀具的有效保护，因此MST刀具的耐磨性能劣于未进行MST的刀具；硬质合金刀具均发生黏着磨损和氧化磨损，制备涂层后进行MST可以抑制黏着磨损和氧化磨损。
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  微量铬添加与快速凝固对Sn-9Zn合金钎料及钎料/铜焊点界面特性的影响

  傅田, 赵国际

  机械工程材料. 2022, 46(7): 23-26. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207005

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  通过真空熔炼制备Sn-9Zn和Sn-9Zn-0.1Cr （质量分数/%）合金钎料，并利用单辊法得到快速凝固态Sn-9Zn-0.1Cr合金钎料，研究了微量铬添加和快速凝固对钎料显微组织、润湿性能、耐腐蚀性能，以及钎料/铜焊点界面金属间化合物（IMC）层在85℃时效过程中生长动力学的影响。结果表明：添加质量分数0.1%铬能够抑制Sn-9Zn合金钎料中富锌相的聚集并细化共晶组织，提高合金钎料的最大润湿力并缩短润湿时间，抑制钎料/铜焊点界面IMC层的生成以及在时效过程中的过度生长；快速凝固态Sn-9Zn-0.1Cr合金钎料中富锌相呈颗粒状弥散分布于β-Sn枝晶中，组织更加细小均匀，耐腐蚀性能显著改善，但界面IMC层在85℃时效过程中的生长速率相比于熔炼态合金钎料略有增大。
新材料 新工艺
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  热障涂层用新型复合氧化物的制备及其热物理性能

  冉书明

  机械工程材料. 2022, 46(7): 27-31,37. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207006

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  以高纯度La₂O₃、MgO、SrCO₃、CeO₂和Ta₂O₅为原材料，采用多步高温固相烧结法制备了Sr₃La₃Ce₇Ta₂O_26.5和Mg₃La₃Ce₇Ta₂O_26.5氧化物，研究了其晶体结构、微观形貌和热物理性能。结果表明：所合成的氧化物具有单一焦绿石结构，其显微组织致密，晶界清晰，元素种类和原子比与化学式基本一致；Sr₃La₃Ce₇Ta₂O_26.5的热膨胀系数大于Mg₃La₃Ce₇Ta₂O_26.5，二者在1 000℃时的热膨胀系数分别是11.6×10^-6，11.37×10^-6 K^-1，明显大于7YSZ的9×10^-6 K，并且二者在高温下均具有良好的晶体结构稳定性；Sr₃La₃Ce₇Ta₂O_26.5和Mg₃La₃Ce₇Ta₂O_26.5在1 200℃时的热导率分别为1.68，1.87 W·m^-1·K^-1，均低于7YSZ的2 W·m^-1·K^-1；Sr²⁺较大的离子半径和原子质量导致Sr₃La₃Ce₇Ta₂O_26.5的热导率低于Mg₃La₃Ce₇Ta₂O_26.5；合成氧化物的热导率和热膨胀系数均满足热障涂层的要求。
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  多尺度复合结构多孔芯热管的制备及其传热特性

  蒋雪微, 连利仙, 唐海, 刘颖

  机械工程材料. 2022, 46(7): 32-37. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207007

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  根据热管各部分的功能差异，以纳米多孔铜粉和不规则铜粉为原料，设计并制备了一种新型多尺度复合结构多孔芯热管；该热管蒸发段多孔芯为两层结构，管壁侧为由纳米多孔铜粉烧结而成的小孔隙层，工质腔侧为由不规则铜粉烧结而成的大孔隙层，绝热段和冷凝段多孔芯则均为由不规则铜粉烧结而成的大孔隙层。采用自组装的传热性能测试装置研究了热管的传热性能。结果表明：多尺度复合结构多孔芯的小孔隙层可以提供较高的毛细力，大孔隙层可以提供较大的工质流动通道，从而提升热管传热能力；与单层均匀多孔芯热管相比，多尺度复合结构多孔芯热管表现出了更高的抗重力传热能力，在完全抗重力条件下（倾斜角度为90°）的传热极限功率高达90 W，比由纳米多孔铜粉和不规则铜粉烧结而成的单层均匀多孔芯热管分别提升了2.9倍和2.3倍。
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  金属有机骨架衍生NiCo₂O₄/rGO复合材料的制备及其超级电容性能

  石中婷, 缪天宇, 赵斌

  机械工程材料. 2022, 46(7): 38-46. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207008

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  采用溶剂热法，按照镍和钴金属盐与氧化石墨稀（GO）质量比分别为1：0.05，1：0.07，1：0.09的配比制备镍钴金属有机骨架（Ni-Co-MOF）/GO前驱体，并将其超声喷涂在加热的泡沫镍基底上制备NiCo₂O₄/rGO （还原氧化石墨烯）复合电极材料，研究了该复合材料的微观结构和电化学性能。结果表明：NiCo₂O₄/rGO复合材料由褶皱石墨烯及其表面均匀分布的NiCo₂O₄纳米颗粒构成；在2 A·g^-1电流密度下，盐与GO质量比为1：0.07时复合材料的比电容高达991 F·g^-1，在20 A·g^-1电流密度下充放电30 000次后，初始电容保持率仍高达126％。组装而成的NiCo₂O₄/rGO//AC非对称超级电容器的能量密度可达到41 W·h·kg^-1，对应的功率密度为1 604 W·kg^-1，在20 A·g^-1的电流密度下经过25 000次充电/放电循环后仍可实现100％以上的电容保持率，表现出超长的循环寿命。
材料性能及应用
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  高强韧中锰钢CO₂气体保护焊接头的疲劳性能

  齐祥羽, 严玲, 杜林秀, 李广龙, 张鹏, 王晓航

  机械工程材料. 2022, 46(7): 47-50,56. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207009

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  采用CO₂气体保护焊对30 mm厚高强韧中锰钢板进行对焊试验，通过圆棒拉压疲劳试验获得中锰钢焊接接头的应力幅-寿命曲线，测定了其高周疲劳极限并观察其断口形貌。结果表明：在应力比为-1、循环次数为10⁷周次条件下，中锰钢焊接接头的高周疲劳极限为353 MPa；当中锰钢焊接接头焊缝中存在明显的焊接缺陷时，疲劳裂纹萌生于微观缺陷处，而当焊缝中无焊接缺陷时，疲劳裂纹萌生于试样表面熔合线位置，疲劳裂纹扩展区表面粗糙，存在着明显的二次裂纹，瞬断区表面存在大量均匀细小的韧窝。
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  等温淬火时间对铁道机车用SAE8620轴承钢接触疲劳性能的影响

  张文凯, 杨贞, 王克成

  机械工程材料. 2022, 46(7): 51-56. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207010

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  将表面渗碳处理的SAE8620轴承钢在855℃奥氏体化后，在225℃盐浴中进行等温淬火处理，再在225℃下进行回火处理，研究了等温淬火时间（7，21 h）对试验钢显微组织、物相组成、硬度和接触疲劳性能的影响。结果表明：等温淬火7 h时试验钢表层组织为贝氏体铁素体、残余奥氏体、马氏体和碳化物，等温淬火21 h后表层组织中的马氏体消失，贝氏体板条平均宽度增加，针状贝氏体铁素体含量增加，残余奥氏体含量减少；与等温淬火21 h相比等温淬火7 h试验钢的表层硬度更大，接触疲劳寿命也更长，这主要与其表层残余奥氏体含量更高、贝氏体板条平均宽度更小、表层硬度更大，可以更好地抵抗塑性变形有关。
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  机械搅拌和超声处理对纳米SiC_p/Zn-Al复合材料显微组织与摩擦学性能的影响

  刘升, 方子皓, 邹佩, 彭田

  机械工程材料. 2022, 46(7): 57-63. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207011

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  采用直接熔炼以及在熔炼时分别施加机械搅拌、超声处理、机械搅拌和超声处理等4种方式制备质量分数0.1%纳米SiC_p/Zn-Al复合材料，研究了熔炼工艺对其显微组织、显微硬度和摩擦磨损性能的影响。结果表明：不同熔炼工艺所得试样的组织均主要由α（Al，Zn）富铝相和η（Al，Zn）富锌相组成，显微硬度相差不大；直接熔炼以及施加机械搅拌、超声处理、机械搅拌和超声处理熔炼后，试样内部SiC_p的分散效果依次增强，晶粒大小依次变得更加均匀，且其平均摩擦因数分别为0.38，0.33，0.32，0.31；小载荷低频率、小载荷高频率、中载荷高频率和大载荷高频率条件下，同时施加机械搅拌和超声处理熔炼所得试样的磨损量比直接熔炼分别降低77.4%，52.9%，43.3%，52.5%，磨损机制均为黏着磨损。
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  新型SP2215奥氏体耐热钢的室温变形行为

  宋利

  机械工程材料. 2022, 46(7): 64-69,75. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207012

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  对SP2215奥氏体耐热钢分别进行室温压缩（变形量10%~50%）、拉伸（变形量10%~40%）和弯曲（弯曲角度20°~180°）变形试验，研究了室温变形后的显微组织、显微硬度和强度。结果表明：SP2215钢在室温变形过程中不发生马氏体相变，具有较高的奥氏体组织稳定性，位错滑移始终参与变形；室温变形可大幅度提高SP2215钢的加工硬化程度，从而提高抗拉强度和硬度，并成倍提高其屈服强度。
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  钒含量对4Cr5Mo2V钢显微组织与力学性能的影响

  黄山, 吴日铭, 陈蒙, 胡涛, 董锦桦

  机械工程材料. 2022, 46(7): 70-75. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207013

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  以4Cr5Mo2V钢的化学成分为基础，制备了钒质量分数分别为0.15%，0.55%，1.25%的试验钢，并进行了1 040℃真空淬火和不同温度（540，620℃）回火处理，研究了钒含量对试验钢显微组织、硬度和冲击韧性的影响。结果表明：随着钒含量增加，回火处理后试验钢组织中的晶粒均发生细化，析出的VC型碳化物数量增加，晶粒细化和析出强化作用增强，导致硬度提高；650℃回火时的析出碳化物数量较多，导致基体发生软化，硬度相比于540℃回火有所下降。540℃回火后，钒含量为0.15%，0.55%试验钢发生韧性断裂，后者的冲击韧性更好，冲击吸收功达到265 J；当钒含量增至1.25%时试验钢发生脆性断裂，冲击吸收功仅为26 J。620℃回火后，3种试验钢均发生韧性断裂，冲击吸收功均在200 J以上。
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  微量锆对AlSn6Cu合金组织和力学性能的影响

  翟雍, 赵俊, 孙绍波, 韩新占

  机械工程材料. 2022, 46(7): 76-81. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207014

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  以添加Al-5Zr中间合金的方式在铸态AlSn6Cu合金中引入微量锆元素，研究了锆含量（0~0.25%，质量分数）对合金组织和力学性能的影响。结果表明：锆元素的添加能明显细化晶粒，添加0.25%锆可以将晶粒尺寸从1 450 μm细化到280 μm；随着锆含量的增加，合金的显微组织经历了从树枝状到退化枝晶状或花瓣状，再到近球形的转变，β-Sn相经历了从颗粒状到蠕虫状，再到网状的转变；添加锆元素后合金的抗拉强度均低于未添加锆元素合金，但随着锆含量增加，添加锆元素合金的抗拉强度逐渐升高最后趋于稳定，该变化趋势是细晶强化和β-Sn相的晶界弱化相互竞争的结果；随着锆含量增加，合金硬度先增大后降低。
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  服役期间T91/TP347H异种钢接头TP347H钢侧热影响区沿晶开裂分析

  李勇

  机械工程材料. 2022, 46(7): 82-89. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207015

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  某电厂锅炉屏式过热器在运行8万h后，其T91/TP347H异种钢接头出现沿晶裂纹，裂纹位于TP347H奥氏体钢侧热影响区。通过显微组织观察、硬度测试和拉伸试验分析了沿晶开裂的特征、形成原因及其对力学性能的影响。结果表明：沿晶裂纹出现在TP347H钢侧熔合线处，为晶间腐蚀裂纹，裂纹深3~4个晶粒尺度，内部有氧化物填充；存在沿晶裂纹的屏式过热器管接头的硬度和抗拉强度符合标准要求，但塑性较差；粗大的晶粒和焊后较快的冷速使得屏式过热器管接头TP347H钢侧热影响区在高温服役过程中易发生晶界贫铬，引发晶间腐蚀，TP347H钢侧熔合线附近较高的硬度梯度导致应力易在此处集中，从而加速晶间腐蚀裂纹的产生。
物理模拟与数值模拟
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  X65级含铜管线钢的高温塑性

  李禹辰, 史显波, 严伟, 单以银, 任毅, 沈明钢, 王一雍

  机械工程材料. 2022, 46(7): 90-94. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207016

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  采用Gleeble-3800型热模拟试验机对含质量分数1.8%铜和1.0%镍的X65级低碳低镍含铜管线钢进行高温拉伸试验，研究不同温度（850~1 300℃）下的高温塑性。结果表明：含铜管线钢的抗拉强度随着试验温度的升高整体呈下降趋势，在850℃拉伸时抗拉强度达到105 MPa，而在1 300℃时的抗拉强度降至约30 MPa；随着试验温度的升高，含铜管线钢的断面收缩率整体呈增大趋势，当试验温度高于1 050℃时，断面收缩率均在80%以上，表现出较好的高温塑性，850~1 000℃区间断面收缩率在60%左右，应避免在850~1 000℃区间对该管线钢进行大变形量变形；在试验温度高于1 050℃时，含铜管线钢高温塑性的提高与动态再结晶有关；在连铸温度范围（1 100~1 250℃），含铜管线钢具备优异的高温塑性，可以保证连铸坯的冶金质量。
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  铝-镁异种合金搅拌摩擦搭接焊残余应力数值模拟

  吴晓虎, 曹丽杰, 苗臣怀, 王仪

  机械工程材料. 2022, 46(7): 95-102. https://doi.org/10.11973/jxgccl202207017

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  采用顺序热力耦合的方法建模，通过正交试验，利用ABAQUS软件分析了铝-镁异种合金搅拌摩擦搭接焊中焊接速度、搭接量、搅拌头转速对残余应力的影响，获得最优的工艺参数，通过试验验证模拟结果的准确性，并研究焊接速度、搭接量对残余应力的影响规律。结果表明：搅拌摩擦搭接焊的最优参数为焊接速度60 mm·min^-1、搭接量60 mm、搅拌头转速1 400 r·min^-1；在不同焊接工艺下，热循环曲线和残余应力的模拟结果与试验结果相吻合，相对误差分别小于7.5%和8.4%，验证了数值模拟结果的准确性；最大残余应力出现在焊缝末端的搭接面处，最优焊接工艺下的最大残余应力为137.7 MPa；与搅拌头转速相比，焊接速度与搭接量对残余应力的影响较大，随着焊接速度的增大，纵向残余压应力峰值升高，压应力作用范围变窄，而随着搭接量的增加，纵向残余压应力峰值降低，压应力作用范围变宽。