2022年, 第46卷, 第8期　
刊出日期：2022-08-20

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试验研究
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  激光增材制造成形316L不锈钢的研究进展

  李超

  机械工程材料. 2022, 46(8): 1-7. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208001

  摘要 ( 224 ) PDF全文 ( 395 )   可视化   收藏

  激光增材制造技术具有快速成形复杂形状零件的优势,近年来得到广泛关注。介绍了定向能量沉积和选区激光熔化2种激光增材制造技术,从常见缺陷、组织及织构、力学性能等方面综述了激光增材制造成形316L不锈钢的研究进展,分析了当前激光增材制造成形316L不锈钢存在的问题,并对其发展前景进行了展望。
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  不同含量Al₂O₃微粒改性环氧树脂复合材料的导热和导电特性

  杨佳, 高志鹏, 刘艺, 刘倩, 熊政伟

  机械工程材料. 2022, 46(8): 8-14. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208002

  摘要 ( 124 ) PDF全文 ( 478 )   可视化   收藏

  利用溶液共混法制备不同质量分数(10%~40%)微米级Al₂O₃颗粒改性环氧树脂复合材料,研究了Al₂O₃微粒含量对复合材料导热和导电特性的影响。结果表明:当Al₂O₃微粒质量分数为10%和20%时,微粒在基体中分散良好,随着Al₂O₃微粒含量增加,微粒相互接触并出现团聚结块现象;随着Al₂O₃微粒质量分数由10%增加到40%,复合材料在室温下的热导率由0.30 W·m^-1·K^-1增加到1.11 W·m^-1·K^-1,玻璃化转变温度由115.44℃升高到122.89℃,线膨胀系数由56.86×10^-6 K^-1降至34.86×10^-6 K^-1,电阻率由4.27×10¹⁰ Ω·cm降至3.01×10¹⁰ Ω·cm,50 Hz下的介电常数由7.97增大至10.36,在大于100 Hz高频率下的介电损耗因子基本不变。
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  铼含量对第四代镍基单晶高温合金凝固组织的影响

  王磊, 刘杨, 宋秀, 孙世鑫, 刘世忠, 李嘉荣

  机械工程材料. 2022, 46(8): 15-21,27. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208003

  摘要 ( 168 ) PDF全文 ( 301 )   可视化   收藏

  以第四代镍基单晶高温合金DD15为基础,将其铼含量(质量分数)分别调整为5%,6%,7%制备单晶高温合金,研究了铼含量对合金凝固组织特征与元素分布的影响。结果表明:随铼含量的增加,试验合金的γ'相析出温度、溶解温度升高,固相线温度略微下降,液相线温度无明显变化;增加铼含量,合金一次枝晶间距与二次枝晶间距均增大,(γ+γ')共晶组织含量增多,γ'相尺寸减小,体积分数降低;铼含量的增加使得合金组织中负偏析元素铼、钨、钼、铬、钴的偏析程度降低,但正偏析元素钽的偏析程度增大。
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  退火温度对纳米晶铜微观结构和力学性能的影响

  刘林波, 陈佳文, 沈喜训

  机械工程材料. 2022, 46(8): 22-27. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208004

  摘要 ( 166 ) PDF全文 ( 410 )   可视化   收藏

  采用电沉积法制备得到厚度约600 μm的块体纳米晶铜,并在100~250℃下进行退火处理,研究了退火温度对纳米晶铜微观结构和力学性能的影响。结果表明:未退火及退火后纳米晶铜均呈现面心立方结构;随着退火温度从100℃增加至250℃,纳米晶铜(200)晶面的衍射峰强度逐渐增强。随着退火温度的升高,纳米晶铜的抗拉强度逐渐减小,断后伸长率先增大后减小,表面拉伸变形带和拉伸断口上大而深的韧窝数量均增加;200℃退火后纳米晶铜的拉伸性能较佳,抗拉强度高约500 MPa,断后伸长率近30.5%。
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  9Ni钢焊接接头的力学性能与失效评定曲线

  刘长军, 龚伟忠, 曾鑫, 徐秀清, 刘俊杰, 谈建平

  机械工程材料. 2022, 46(8): 28-32,39. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208005

  摘要 ( 202 ) PDF全文 ( 204 )   可视化   收藏

  通过试验获得9Ni钢焊接接头、母材和焊缝在室温20℃和低温-158℃下的拉伸和断裂性能,对比分析了温度对性能的影响;建立了母材和焊缝的近似R6选择2失效评定曲线(FAC)以及9Ni钢焊接接头的FAC,并进行了对比。结果表明:低温下母材的拉伸和断裂性能以及接头和焊缝的拉伸性能均高于室温下,焊缝的断裂韧度几乎不随温度改变;不同温度下焊缝的屈服强度和断裂韧度均低于母材,焊缝是9Ni钢焊接接头的薄弱区域。由室温拉伸性能构建的近似选择2 FAC包络面积均略小于采用低温拉伸性能构建的FAC,故可用室温拉伸性能构建近似选择2 FAC对9Ni钢焊接接头进行安全评定;分段选取室温下母材和焊缝的近似选择2 FAC构建的焊接接头FAC能最保守地对低温9Ni钢含缺陷结构进行安全评定。
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  液化天然气储罐低温镍基合金焊缝射线探伤底片中不明影像产生的原因

  蔡啸涛, 齐彦昌, 魏金山, 马成勇

  机械工程材料. 2022, 46(8): 33-39. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208006

  摘要 ( 138 ) PDF全文 ( 278 )   可视化   收藏

  在大型液化天然气储罐建造过程中,采用ENiCrMo-6镍基合金焊条焊接的06Ni9DR钢焊缝射线探伤底片上常发现点状与絮状不明影像,采用显微组织观察、能谱分析、硬度测试、低温冲击试验及热力学计算等方法,分析了不明影像的产生原因,并研究了不明影像对焊缝力学性能的影响。结果表明:点状与絮状影像主要由大尺寸富钨夹杂物及富铌、钼析出相团簇造成;这些夹杂物和析出相团簇区域的平均显微硬度分别为456,288 HV,均高于基体的平均硬度,二者对焊接接头的强度和低温冲击韧性的稳定性造成了不良影响;更换焊条批次后,焊缝中不明影像出现的概率显著降低,不明影像的产生与镍基合金焊条生产过程中药皮组分混合不均匀或者药粉颗粒度不均匀,造成焊缝金属中合金元素的异常偏聚有关。
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  后处理工艺对激光选区熔化成形Hastelloy-X合金显微组织和低周疲劳性能的影响

  潘敏, 张宏琦, 谈芦益

  机械工程材料. 2022, 46(8): 40-45,52. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208007

  摘要 ( 118 ) PDF全文 ( 15 )   可视化   收藏

  采用激光选区熔化(SLM)技术制备Hastelloy-X合金,研究了不同的后处理工艺(1 175℃×2 h固溶处理、1 175℃/150 MPa×1 h或1 175℃/150 MPa×2 h热等静压处理)对合金显微组织和低周疲劳性能的影响。结果表明:SLM成形合金具备典型的熔池边界形貌和由细小树枝晶构成的柱状晶组织,同时存在微裂纹、气孔、孔洞等冶金缺陷;固溶处理消除了合金熔池边界,且晶粒由柱状晶向等轴晶转变,热等静压处理则能进一步闭合合金中的裂纹和气孔,同时沿晶界析出不连续的细小M₆C型碳化物;相比于固溶态合金,热等静压态合金具有更好的低周疲劳性能,其中2 h热等静压时间下得到的合金低周疲劳寿命略高;固溶处理态合金的疲劳裂纹以穿晶形式扩展,而热等静压态合金以穿晶+沿晶混合模式扩展。
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  基于连续小波变换的超声衰减法评估薄壁304L钢焊管晶粒尺寸

  侯怀书, 李金好, 陆顶, 夏帅军, 辛健龙

  机械工程材料. 2022, 46(8): 46-52. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208008

  摘要 ( 116 ) PDF全文 ( 215 )   可视化   收藏

  基于试验统计经不同温度(800~1 350℃)固溶处理后薄壁304L奥氏体不锈钢焊管母材与焊缝的晶粒尺寸,利用基于连续小波变换的超声衰减法对母材和焊缝超声信号进行三层小波分解后提取特征能量,研究超声衰减法评估焊管晶粒尺寸的可行性。结果表明:随着固溶温度的升高,母材晶粒尺寸与对应的特征能量均呈减小趋势,实际检测中可设置超声信号的相对特征能量阈值在600~1 000之间,此时晶粒度在7~8.5之间,晶粒尺寸合格;随着固溶温度的升高,焊缝的晶粒尺寸增大,特征能量先升高后降低再升高,并在1 050℃附近达到最大值,实际检测中可设置超声信号的相对特征能量阈值在140~180之间,此时晶粒度为8.5~9,晶粒尺寸合格。超声衰减法可实现薄壁304L奥氏体不锈钢焊管晶粒尺寸的快速无损评估。
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  轧制与镦制工艺生产磷铜球的显微组织和硬度对比

  杨勇, 王佳欣, 王斌, 姚宇茏

  机械工程材料. 2022, 46(8): 53-57,67. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208009

  摘要 ( 139 ) PDF全文 ( 304 )   可视化   收藏

  对比研究了轧制和镦制2种工艺生产得到直径25 mm磷铜球的显微组织、硬度以及生产结束时的表面温度。结果表明:与轧制工艺相比,镦制工艺得到磷铜球表面更光滑,晶粒明显细化,晶界清晰,元素分布均匀,晶粒主要为等轴晶,柱状晶数量较少;采用镦制工艺生产结束时远离与接近出口槽处磷铜球的表面最高温度均低于轧制工艺;镦制工艺生产磷铜球的心部硬度明显比轧制工艺制备的磷铜球高,且表面的硬度波动较小。相比轧制工艺,镦制工艺生产的磷铜球具有质量好、环保、耗能低等技术优势。
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  钽的添加对Ni-5Al和Ni-10Al合金高温抗氧化机理的影响

  王慧聪, 刘景叶, 李伟洲, 解传滨, 李浩, 张修海

  机械工程材料. 2022, 46(8): 58-67. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208010

  摘要 ( 118 ) PDF全文 ( 18 )   可视化   收藏

  采用粉末冶金方法制备了添加不同质量分数(0~7%)钽的Ni-5Al和Ni-10Al镍基高温合金,通过1 100℃×100 h的高温氧化试验研究了钽的添加对这2种合金高温抗氧化机理的影响。结果表明:添加相同含量钽的Ni-10Al合金单位面积氧化质量增量高于Ni-5Al合金;钽的添加促进了Ni-5Al合金氧化膜中NiO的长大和NiTa₂O₆的生成,随着氧化过程进行,Al₂O₃和NiAl₂O₄组成的氧化层在NiO/基体界面处生成,阻碍了合金的进一步氧化;添加钽的Ni-10Al合金表面氧化膜包括外侧致密NiO氧化层以及内侧疏松的由NiO、Al₂O₃、NiAl₂O₄和NiTa₂O₆组成的氧化层,内氧化层中存在细小孔洞,该合金较差的高温抗氧化性与疏松的氧化膜以及氧化膜内缺陷和NiTa₂O₆的形成有关。
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  激光能量密度对选区激光熔化成形Al₄SiC₄/AlSi10Mg复合材料显微组织的影响

  孙靖, 吴俊, 朱忠良, 杨帅, 李富中, 闫大鹏, 赵维刚, 王联凤

  机械工程材料. 2022, 46(8): 68-74. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208011

  摘要 ( 113 ) PDF全文 ( 328 )   可视化   收藏

  以SiC和AlSi10Mg球磨混合粉为原料,采用选区激光熔化成形工艺成形Al₄SiC₄增强AlSi10Mg复合材料,研究了激光能量密度(76.2,80.0,91.5 J·mm^-3)对复合材料显微组织的影响。结果表明:通过激光与复合粉体的相互作用可原位生成亚微米尺度的Al₄SiC₄增强相,该相呈针状形貌,围绕原SiC颗粒呈团簇状或平行排列分布;随着激光能量密度的提升,熔池内Marangoni对流作用增强,促进增强相Al₄SiC₄的生成,原增强相SiC逐渐转变为Al₄SiC₄,且Al₄SiC₄相由针状形貌演变为团簇状或平行排列的片状形貌。
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  不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理

  唐雄辉, 贺冠强, 曾祥浩, 吴书舟, 王玉斌, 唐振恒, 陈宇强

  机械工程材料. 2022, 46(8): 75-82. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208012

  摘要 ( 89 ) PDF全文 ( 232 )   可视化   收藏

  采用疲劳裂纹扩展试验、扫描电镜准原位观察等方法,研究了不同粉尘(扬尘和煤尘)颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理。结果表明:在应力比0.1、应力强度因子范围小于18 MPa·m^1/2的裂纹扩展阶段,扬尘和煤尘颗粒环境下铝合金的疲劳裂纹扩展速率明显低于空气环境下,且煤尘颗粒环境下的裂纹扩展速率最低,这是由于煤尘颗粒的尺寸明显大于扬尘颗粒,加剧裂纹闭合效应所致;随着应力比增至0.5后,粉尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率与空气环境下的差异减小,这与裂纹闭合效应随应力比增加而弱化有关;粉尘颗粒增加了裂纹闭合间隙,促进裂纹闭合效应,同时导致裂纹尖端产生大量的滑移带以及微裂纹,极大消耗扩展能量,从而降低裂纹扩展速率。
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  45钢激光碳硼合金化工艺优化及最优工艺下合金化层的组织与性能

  李海涛, 程景甜, 樊帅奇, 徐金富

  机械工程材料. 2022, 46(8): 83-88. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208013

  摘要 ( 115 ) PDF全文 ( 209 )   可视化   收藏

  采用激光合金化法在45钢表面制备了碳硼二元合金化层,通过正交试验对其工艺进行优化,并研究了最优工艺下合金化层的组织与性能。结果表明:正交试验得到最优工艺为激光功率2.2 kW,扫描速度500 mm·min^-1,搭接率40%,硼、碳粉末质量比6.0:3.5;最优工艺下制备的合金化层由Fe₃C、Fe₂B、FeB、γ-(Fe,C)相组成,包括合金化区和热影响区;合金化区组织以柱状晶和胞状晶为主,其厚度约为600 μm,平均硬度为879 HV,热影响区组织由针状马氏体和残余奥氏体组成,其晶粒尺寸由基体向合金化区逐渐变小,热影响区厚度约为450 μm,硬度在220~768 HV间呈梯度分布;合金化试样的摩擦因数约为0.466 6,磨损率为0.455 3×10^-14 m³·N^-1·m^-1,与45钢基体试样相比,耐磨性能得到大幅提高。
材料性能及应用
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  变质处理对Al-0.4Mn合金导电性能的影响机制

  郭加林, 刘静, 罗干, 杜军, 周明君

  机械工程材料. 2022, 46(8): 89-93,99. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208014

  摘要 ( 100 ) PDF全文 ( 157 )   可视化   收藏

  采用硼和稀土元素钇、钐、铈对Al-0.4Mn合金进行变质处理,研究了变质处理对合金导电性能的影响机制。结果表明:单一元素变质时,适量硼或钇元素对Al-0.4Mn合金具有良好的变质效果,合金的最高电导率分别达26.13,25.32 MS·m^-1,比未变质合金分别提高了6.80%和3.47%,铈和钐元素则会降低合金的电导率;质量分数0.3%硼+0.5%钇复合变质对合金电导率的提升效果更佳,其电导率为26.64 MS·m^-1,比未变质合金提高了8.90%;当质量分数0.3%硼+0.5%钇复合变质时,因硼化作用析出的AlB₂同时吸附锰和钇,促进掺杂型硼化物和Al-Mn-Y相的析出,部分钇形成的Al₃Y对锰有一定的吸附作用,二者共同作用进一步降低锰在铝中的固溶量以及基体的晶格畸变程度,从而显著提高合金的导电性能。
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  淬火冷却速率对Zr-4合金显微组织和耐腐蚀性能的影响

  陈雷, 苏斌, 孙巧艳, 朱波, 白新房

  机械工程材料. 2022, 46(8): 94-99. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208015

  摘要 ( 120 ) PDF全文 ( 186 )   可视化   收藏

  将Zr-4合金加热至1 000℃保温5 min后分别以200,20,2,0.2,0.02℃·s^-1的速率冷却到室温,研究淬火冷却速率对合金显微组织以及在360℃/18.6 MPa水中腐蚀行为的影响。结果表明:随着冷却速率由200℃·s^-1降至0.02℃·s^-1,合金中α相板条的平均宽度由1.4 μm增加到28.0 μm,第二相颗粒平均粒径由38 nm增大到580 nm;当冷却速率为200,20,2℃·s^-1时,第二相颗粒主要分布在α相板条晶界处,而当冷却速率为0.2,0.02℃·s^-1时,在α相板条晶界和晶内均有分布;当冷却速率由200℃·s^-1降到0.2℃·s^-1时,第二相颗粒尺寸的增大有助于释放氧化膜中的压应力,提高合金的耐腐蚀性能;当冷却速率为0.02℃·s^-1时,第二相颗粒周围萌生大量微裂纹,耐腐蚀性能降低。0.2℃·s^-1冷却速率下的耐腐蚀性能最好,氧化膜断口中的ZrO₂晶粒主要为结构致密的柱状晶。
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  工艺参数对激光选区熔化成形Ti6Al4V合金致密性的影响

  赵金猛, 卢林, 王静荣, 张亮, 吴文恒

  机械工程材料. 2022, 46(8): 100-104. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208016

  摘要 ( 103 ) PDF全文 ( 182 )   可视化   收藏

  采用激光选区熔化技术制备Ti6Al4V合金,通过正交试验方法研究了激光功率、扫描间距和铺粉厚度对合金致密性的影响,并探讨了孔隙缺陷的形成机理。结果表明:铺粉厚度对成形合金相对密度的影响最大,扫描间距次之,激光功率的影响最小;合金的相对密度随激光功率的增加先增大后趋于稳定,随扫描间距和铺粉厚度的增加而减小,随体能量密度的增加而增大;最优工艺为激光功率200 W、扫描间距0.10 mm、铺粉厚度0.03 mm,此时合金的相对密度为99.24%;合金内部存在气孔和匙孔两种孔隙,前者主要由熔池内部较高的温度梯度造成设备内部的惰性气体、粉末蒸气等未及时逸出所导致,后者主要由工艺参数不当,熔池发生球化效应以及皱缩效应所引起。
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  Ni-Mo黏结剂含量对放电等离子烧结TiC_0.7N_0.3基金属陶瓷力学性能的影响

  黄梓键, 罗展鹏, 张展, 张岩, 郭伟明, 林华泰

  机械工程材料. 2022, 46(8): 105-108. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208017

  摘要 ( 115 ) PDF全文 ( 80 )   可视化   收藏

  以TiC_0.7N_0.3、WC、碳、镍和钼粉为原料,通过放电等离子烧结技术制备了含质量分数0,2％(Ni-Mo),10％(Ni-Mo)黏结剂的TiC_0.7N_0.3基金属陶瓷,研究了黏结剂含量对金属陶瓷微观结构和力学性能的影响。结果表明:TiC_0.7N_0.3基金属陶瓷具有典型的黑芯-灰环结构,随着Ni-Mo黏结剂含量的增加,金属陶瓷的相对密度增大,芯相TiC_0.7N_0.3比例降低,环相(Ti,W,Mo)(C,N)比例增加,TiC_0.7N_0.3颗粒尺寸减小,断裂韧度增大,硬度先升高后基本不变。含质量分数10％(Ni-Mo)黏结剂的金属陶瓷具有优异的综合力学性能,其硬度达到17.14 GPa,断裂韧度达到6.76 MPa·m^1/2。
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  焊前和焊后淬回火对SDDVA钢堆焊层回火稳定性和 抗热熔损性能的影响

  吴少君, 郭鹏, 李玲, 左鹏鹏, 吴晓春

  机械工程材料. 2022, 46(8): 109-116. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208018

  摘要 ( 99 ) PDF全文 ( 343 )   可视化   收藏

  对SDDVA钢进行钨极氩弧堆焊和淬回火处理,研究了焊前和焊后淬回火工艺对堆焊层回火稳定性和抗热熔损性能的影响。结果表明:2种工艺下堆焊层的组织均为回火马氏体,但是焊后淬回火工艺下堆焊层中析出了更多弥散分布的碳化物且组织更细小,马氏体组织更稳定;焊后淬回火工艺下堆焊层经600℃×48 h回火后的硬度降低幅度仅为10.2%,小于焊前淬回火工艺的30.4%;在700℃铝液熔损试验中,焊前淬回火工艺下堆焊层的熔损质量损失大于焊后淬回火工艺,界面层的厚度较大,堆焊层与铝液的反应更加剧烈;焊后淬回火工艺下堆焊层具有更优异的回火稳定性和抗热熔损性能。
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  表面涂层和镀层受损后涂装电镀钢板的耐海洋大气腐蚀性能

  龚利华, 潘峰

  机械工程材料. 2022, 46(8): 117-121,126. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208019

  摘要 ( 79 ) PDF全文 ( 132 )   可视化   收藏

  采用划痕破坏表面涂层和镀层后,将涂装电镀锌钢板和电镀锌镍合金钢板在海洋大气环境中暴露2 a,研究了划痕附近的腐蚀产物微观形貌和元素分布,探讨了涂装电镀钢板表面涂层和镀层受损后的耐海洋大气腐蚀性能,并与原始电镀锌钢板和电镀锌镍合金钢板进行对比。结果表明:原始电镀锌镍合金钢板的耐海洋大气腐蚀性能比电镀锌钢板差,这与电镀时电镀锌镍合金钢板镀层中产生的裂纹有关;涂装后,虽然锌镍合金镀层中仍然存在裂纹,但划痕附近的腐蚀宽度小于电镀锌钢板,说明划痕破坏后的涂装电镀锌镍合金钢板的耐海洋大气腐蚀性能优于电镀锌钢板,这与涂装前磷化处理所形成的磷酸盐堵塞裂纹,同时涂层的存在使腐蚀介质只能通过划痕侧面和涂层缺陷处到达镀层,而使镀层中的镍发挥出提高热力学稳定性的优势有关。
失效分析
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  外加厚P110钢级油管的断裂原因

  王尚卫, 罗有刚, 赵鹏玉, 陈晓丽, 李德君

  机械工程材料. 2022, 46(8): 122-126. https://doi.org/10.11973/jxgccl202208020

  摘要 ( 69 ) PDF全文 ( 213 )   可视化   收藏

  某致密砂岩气井中规格为ϕ73.02 mm×5.51 mm的外加厚P110钢级油管发生断裂,通过宏/微观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察以及力学性能测试等方法分析了油管断裂原因。结果表明:断裂外加厚油管位于油管柱上部,承受较高的轴向拉应力,且其材料对硫化物应力腐蚀开裂敏感性较高,而气井采出气中存在的H₂S为油管提供了硫化物腐蚀环境,使得外加厚油管发生硫化物应力腐蚀开裂;油管的硬度较高,且组织内存在较大的硫化物夹杂,促使油管的断裂。