2022年, 第46卷, 第9期　
刊出日期：2022-09-20

  

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  机械工程材料. 2022, 46(9): 0-0.

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综述
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  耐热钢应变诱导析出模型及其应用研究进展

  姜丙亚, 曹铁山, 程从前, 赵杰

  机械工程材料. 2022, 46(9): 1-10. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209001

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  耐热钢是火电、核电、化工等领域中服役于高温条件下的关键材料,在服役过程中析出相的存在对耐热钢热强性、韧性、组织稳定性及抗高温氧化性等具有重要影响,而应变使基体中产生大量位错,对于析出相形核有促进作用。对耐热钢的主要合金元素和析出相进行了介绍,从应变诱导形核、应变诱导析出相长大和粗化、应变诱导析出模型的工程应用3个方面对耐热钢应变诱导析出模型的研究进展进行了综述,并对应变诱导析出模型的未来研究方向进行了展望。
试验研究
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  不同渗氮时间下二段式真空渗氮后PCrNi3Mo钢表层的显微组织与性能

  李振, 杨丽, 沈统, 冯凌宵

  机械工程材料. 2022, 46(9): 11-15. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209002

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  采用二段式真空渗氮工艺对调质态PCrNi3Mo钢进行表面改性处理,在渗氮温度及氮势相同的条件下,对比研究了强渗阶段和扩散阶段时间均为6 h以及强渗阶段时间为4 h和扩散阶段时间为8 h条件下试验钢表层的组织、物相组成、硬度及耐磨性能。结果表明:渗氮后试验钢表层物相为ε-Fe_2-3N相,2种渗氮时间下渗氮层的厚度分别为0.6,0.7 mm左右,表面硬度分别为660.3,581.3 HV,显著高于基体的360 HV;前者渗氮时间下渗氮层中化合物层致密性较差,微孔较多,渗氮层硬度过渡良好,在距表面距离大于0.3 mm时的硬度较高,渗氮层的摩擦因数和磨损量较低,磨损表面犁沟较浅,耐磨性能较好。
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  3种成分中碳合金钢的显微组织及在含Cl^-环境下的耐腐蚀性能

  王丹, 钟庆东, 杨健, 章书剑

  机械工程材料. 2022, 46(9): 16-23. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209003

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  基于40Cr钢成分,设计出3种成分(质量分数/%)分别为0.35C,0.9Mn,3.5Cr,0.6Si,0.3V,0.05Ti (编号N1),0.35C,1.2Mn,2.0Cr,0.8Si,0.4V,0.11Ti (编号N2)以及0.40C,0.6Mn,3.5Cr,0.8Si,0.1V,0.23Ti (编号为N3)的试验钢,研究了试验钢的显微组织以及在质量分数3.5% NaCl溶液中的电化学性能和耐腐蚀性能。结果表明:N3试验钢的晶粒最细小且马氏体板条束最窄,N1试验钢次之,N2试验钢最大;N1试验钢的开路电位最高,自腐蚀电位最高,自腐蚀电流密度最低,最大相位角绝对值最大,容抗弧半径最大;在NaCl溶液中浸泡24 h后,N1和N3试验钢表面发生局部点蚀,N2试验钢发生均匀腐蚀;N1试验钢中铬含量高,晶粒尺寸适中,表面腐蚀产物致密性最高,耐腐蚀性能最好。
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  镍掺杂量对烧结制备Ni/FeCr₂O₄复合材料组织与性能的影响

  马振强, 李元元, 程晓敏, 刘华臣

  机械工程材料. 2022, 46(9): 24-28. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209004

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  以镍粉、Fe₂O₃、Cr₂O₃、聚乙烯醇为原料,采用粉末烧结法制备了不同镍掺杂量(20%,25%,40%,质量分数) Ni/FeCr₂O₄尖晶石结构复合材料,采用X射线衍射仪、红外光谱仪、扫描电子显微镜和力学试验机等研究了镍掺杂量对复合材料组织与性能的影响。结果表明:随着镍掺杂量的增加,复合材料组织变得更加致密,体积收缩率与密度增大,抗弯强度显著提高,当镍掺杂量为40%时,密度与抗弯强度相比于无镍掺杂时分别提高17.3%和22.5%;镍掺杂改善了FeCr₂O₄尖晶石在波长1 000 nm附近的发射率,略微降低了在250~700 nm和1 200~1 600 nm波长范围的发射率,但这两个波段的发射率仍高于0.9。
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  高温高压烧结制备PCBN陶瓷的微观结构与性能

  苏君, 冯佩佩

  机械工程材料. 2022, 46(9): 29-33. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209005

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  以ZrO₂、Al₂O₃和铝粉作为结合剂,通过六面顶压机在高温(1 300~1 600℃)高压(5.5 GPa)条件下烧结制备聚晶立方氮化硼(PCBN)陶瓷,研究了烧结温度对陶瓷物相组成、力学性能以及加工离心铸铁时切削性能的影响。结果表明:不同温度烧结PCBN陶瓷的主晶相均为cBN、m-ZrO₂、t-ZrO₂、Al₂O₃、AlN和ZrN,结合相颗粒均匀地分散在cBN基体上;随着烧结温度的升高,cBN与结合相的结合更加紧密,陶瓷的相对密度、硬度、抗弯强度和断裂韧度增大;当烧结温度为1 600℃时,陶瓷的综合力学性能最好,硬度、抗弯强度和断裂韧度分别达到32.87 GPa,850.3 MPa,5.1 MPa·m^1/2;当烧结温度为1 400℃和1 500℃时,PCBN陶瓷刀具在切削离心铸铁棒总长度为10 km时,其后刀面磨损量仅分别为171,166 μm,切削性能较好。
材料性能及应用
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  TC4合金表面双阴极等离子溅射沉积NbTiN₂涂层的摩擦磨损性能

  史昆玉, 庄琛琪, 吴伟进, 张博, 于传浩

  机械工程材料. 2022, 46(9): 34-39. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209006

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  采用双阴极等离子溅射沉积技术在TC4合金表面制备了NbTiN₂涂层,研究了涂层的物相组成、微观形貌、硬度、与基体的结合情况以及摩擦磨损性能。结果表明:NbTiN₂涂层具有很强的(220)晶面择优取向特点;涂层表面质量良好,无明显缺陷,厚度约为10 μm,平均硬度为2 478.46 HV,约为基体的6倍,涂层划痕试验的临界载荷为68.5 N,涂层与基体结合良好;在2~5 N载荷、室温下涂层的摩擦因数低于基体,磨痕比基体窄,磨损率比基体低一个数量级,涂层的主要磨损机制是疲劳磨损;500℃下涂层的摩擦因数较室温高,磨痕更窄更浅,磨损率较低,磨损机制为黏着磨损和氧化磨损,涂层表现出更好的耐磨性能。
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  电热处理对Ti-55511合金黑斑组织演变及拉伸性能的影响

  邵晖, 单迪, 张慧, 张赛飞, 孙峰, 赵小花, 王凯旋, 孙利星, 邹军涛

  机械工程材料. 2022, 46(9): 40-45. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209007

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  对固溶态Ti-55511合金进行905℃不同保温时间(10~60 s)的电热处理,研究了黑斑组织演变及合金拉伸性能。结果表明:固溶态合金的黑斑组织β相具有典型Goss和Cube织构取向,随着电热处理时间从10 s延长到40 s,β晶粒发生再结晶,黑斑组织含量减少;当电热处理60 s时,再结晶晶粒长大至平均尺寸为27.3 μm,黑斑组织面积分数减少为2.1%。与固溶态合金相比,电热处理后合金的抗拉强度下降,断后伸长率提高;随电热处理时间延长,电热处理合金的抗拉强度基本不变,断后伸长率先增大后降低,在电热处理40 s时达到最大值20.8%;不同时间电热处理后合金的拉伸断口均呈现韧窝和准解理断裂的复合形貌。
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  双淬火+深冷处理工艺对Cr12Mo1V1模具钢组织和性能的影响

  邹春雷, 于航, 任慧远, 谷金波, 周健, 迟宏宵

  机械工程材料. 2022, 46(9): 46-51. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209008

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  对退火态Cr12Mo1V1模具钢分别进行一次淬火+回火、双淬火+回火、一次淬火+深冷+回火、双淬火+深冷+回火等工艺处理,其中一次淬火工艺为1 030℃×0.5 h油淬,双淬火工艺为1 050℃×0.5 h油淬+1 030℃×0.5 h油淬,深冷处理工艺为-60℃×1 h+-120℃×1 h,对比研究了双淬火+深冷处理对试验钢显微组织和力学性能的影响。结果表明:与一次淬火+回火工艺相比,双淬火+回火工艺可以改善共晶碳化物分布均匀性,使碳化物形态趋于球状;增加深冷处理对改善共晶碳化物形态和均匀度的效果不明显,但可降低残余奥氏体含量。双淬火+回火工艺处理后试验钢的硬度与一次淬火+回火处理后相近,但冲击吸收能量和抗弯强度分别提升22%和12%;增加深冷处理对试验钢硬度、冲击韧性和抗弯强度影响不大。
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  添加纳米SnO₂颗粒纳米润滑油的摩擦学性能

  吴帆, 王丙旭, 胡明, 杨金林, 胡子瑞, 崔威威, 张宇

  机械工程材料. 2022, 46(9): 52-56. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209009

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  将等质量分数(1%,2%,3%)纳米SnO₂颗粒和油酸加入到聚α-烯烃(PAO₆)基础油中制备纳米润滑油,采用往复滑动摩擦磨损试验研究了纳米润滑油在钢球-黄铜块摩擦副中的摩擦学性能,并与非纳米润滑油进行了对比,探讨了其减摩抗磨机理。结果表明:当使用含质量分数不低于2%纳米SnO₂颗粒的纳米润滑油润滑时,摩擦副的平均摩擦因数、黄铜表面磨痕宽度和深度均低于对应未添加纳米SnO₂颗粒润滑油润滑时;当纳米SnO₂颗粒的质量分数为2%时,纳米润滑油具有最佳的减摩抗磨性能,相比于PAO₆基础油润滑,摩擦副的平均摩擦因数、黄铜表面磨痕宽度和深度分别降低了31%,42%,50%;纳米润滑油优异的减摩抗磨性能归因于油酸形成的润滑膜和纳米SnO₂颗粒形成的保护层。
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  扭转变形与退火处理对再生铜杆显微组织和性能的影响

  陈燕飞, 朱政强, 杨群义

  机械工程材料. 2022, 46(9): 57-63. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209010

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  对采用火法精炼高导电(FRHC)废杂铜精炼工艺+连铸连轧工艺制备的直径8 mm再生铜杆进行720℃扭转变形和500℃×60 min退火处理,研究了扭转变形和退火处理对其显微组织、力学性能和导电性能的影响。结果表明:在连铸连轧过程中再生铜杆组织中产生孪晶,扭转变形导致的孪晶交叉、孪晶与位错等的交互作用使得晶粒发生细化;扭转变形后再生铜杆的抗拉强度由未扭转变形的215 MPa提高到273 MPa,但断后伸长率由40%降低到21%,硬度增大,导电率由99.37% IACS降低至86.78% IACS;再进行退火处理后,再生铜杆组织形成尺寸更均匀的等轴晶,抗拉强度降至208 MPa,断后伸长率提高到55%,硬度降低,导电率增至98.21% IACS。
物理模拟与数值模拟
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  大高径比K417镍基高温合金锭二次缩孔缺陷的数值模拟

  谭庆彪, 王博, 董鸿志, 汪东红, 祝国梁

  机械工程材料. 2022, 46(9): 64-69. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209011

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  利用ProCAST有限元分析软件对大高径比K417镍基高温合金铸锭充型及凝固过程进行数值模拟,模拟研究了合金锭在凝固过程中其二次缩孔缺陷形成位置、数量和成因,及浇注温度和浇注速度对二次缩孔缺陷的影响,并进行了试验验证。结果表明:数值模拟得到的合金缩孔缺陷分布与实际生产的合金锭缺陷分布趋势一致,证明了数值模拟结果的准确性。提高浇注温度、降低浇注速度能在一定程度上抑制合金锭二次缩孔缺陷的形成,但无法完全消除缺陷,在1 530℃、浇注速度1.40 kg·s^-1条件下,合金锭的缩孔缺陷最少。
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  连续球压痕试验检测金属材料应变硬化指数方法的修正

  张云涛, 邓小伟, 吴益文, 于洪洁, 余征跃

  机械工程材料. 2022, 46(9): 70-75. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209012

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  采用连续球压痕试验获取金属材料压入载荷-深度曲线,将该曲线计算转化为表征应力-应变数据并拟合即可得到应变硬化指数n;通过采用材料塑性拓展指数确定材料完全塑性变形区间,采用迭代算法对塑性约束因子进行修正以及考虑压痕堆积效应获得真实接触深度对连续球压痕试验测定n值方法进行修正。采用修正方法得到6061铝合金、6063铝合金、45钢、ST钢、AIF1合金、X52钢、X60钢、SK3钢等8种材料的n值,并与单轴拉伸试验结果进行对比。结果表明:未修正方法得到的n值与拉伸试验结果的相对误差均在10%以上,采用3种方法修正后相对误差减小,除X60钢的相对误差为8.6%外,其他均在5%以下。
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  不同交联密度下硫化丁腈橡胶摩擦特性的分子动力学模拟

  黄飞洪, 王钢明, 许一伟, 黄海波, 李超, 裴家庆

  机械工程材料. 2022, 46(9): 76-81. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209013

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  建立了不同交联密度(0.4,0.8,1.2,1.6)硫化丁腈橡胶-铁基板分子动力学摩擦模型,分析了在剪切摩擦过程中交联密度对摩擦因数、相对原子浓度、摩擦界面温度和橡胶分子均方位移的影响,并对模型的准确性进行了试验验证。结果表明:硫化丁腈橡胶-铁基板摩擦副的摩擦因数随交联密度的增加而增大,该变化趋势与试验结果一致。硫化交联可以有效提高橡胶分子之间的刚度,限制分子链发生移动,导致摩擦界面相对原子浓度和橡胶分子均方位移减小;橡胶分子刚度增加,使得橡胶基体与铁基板的相对位移增大,铁基板移动需要克服更多的原子性黏结,即黏附摩擦力增加,导致摩擦界面摩擦因数增大;而相对位移增大也导致更多的能量损耗,使摩擦界面产生更多的热量,摩擦界面温度上升。
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  Fe-10Mn-2Al-0.1C中锰钢的本构模型与热加工图

  吴翼铭, 王焱, 张明赫, 冯运莉

  机械工程材料. 2022, 46(9): 82-88. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209014

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  使用Gleeble-1500型热机械模拟机在变形温度900~1 100℃、应变速率0.01~10 s^-1下对Fe-10Mn-2Al-0.1C (质量分数/%)中锰钢进行热压缩试验,根据试验数据,采用应变补偿法建立试验钢Zener-Hollomon本构模型并进行了试验验证;基于动态材料模型(DMM)建立试验钢在真应变0.2,0.4,0.6,0.8下的热加工图。结果表明:由建立的本构模型预测得到的流动应力与实测应力的相关系数为0.987,说明该模型可用来描述试验钢的热变形行为;由本构模型计算得到当真应变从0.1增加到0.8时,试验钢的热变形激活能从476 kJ·mol^-1降低到342 kJ·mol^-1;根据热加工图确定试验钢的最佳热加工工艺条件为变形温度900~940℃、应变速率0.01~0.03 s^-1和变形温度1 070~1 100℃、应变速率0.1~0.56 s^-1,该条件下的功率耗散效率在32%~38%。
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  不同工艺下GH4169镍基高温合金电弧增材制造热力场数值模拟

  白少昀, 吕彦明, 赵鹏, 潘宇, 刘昊程, 黄强

  机械工程材料. 2022, 46(9): 89-95. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209015

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  采用Simufact Welding软件建立电弧增材制造GH4169镍基高温合金的有限元模型,对该模型进行了试验验证,模拟分析了不同沉积路径(单向沉积、往复沉积)和不同层间冷却时间(0,60,120 s)下多层单道成形过程中的热力场及变形量。结果表明:模拟得到电弧增材制造过程中的热循环曲线和残余应力与试验结果相吻合,相对误差分别小于9%和3%,验证了该模型的准确性;与单向沉积路径相比,往复沉积路径可以改善成形件热分布和应力场分布的均匀性,应力场和热积累的影响范围较小,温度和残余应力较低,变形对称性较好;随着层间冷却时间的延长,热积累、残余应力和变形量均降低,但降低幅度逐渐减小。采用往复沉积路径且层间冷却60 s时,电弧增材制造GH4169镍基高温合金的成形质量较好。
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  Ti-10V-2Cr-3Al钛合金的高温压缩变形行为及本构关系

  李聪, 丁智力, 陈荐, 周幸

  机械工程材料. 2022, 46(9): 96-105. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209016

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  在应变速率0.1~0.001 s^-1、变形温度730~880℃下对Ti-10V-2Cr-3Al钛合金进行热压缩试验,研究了该合金的热变形行为和显微组织;利用唯象Arrhenius方程中指数方程及双曲正弦方程描述流动应力与变形温度、应变速率之间的关系,构建了应变补偿修正的本构方程并进行了验证。结果表明:在试验条件下合金的真应力随着应变速率的增加或变形温度的降低而增大;当应变速率为0.01 s^-1时,在α+β相区(730,790℃)压缩后试验合金中出现球状和短棒状α相,软化机制为动态球化和动态再结晶,在β相区(820,880℃)压缩后出现再结晶β晶粒,软化机制为动态再结晶;当应变速率在0.1~0.05 s^-1和0.01~0.001 s^-1范围时,可分别使用修正后的指数方程和双曲正弦方程来描述试验合金的流变行为,流动应力预测值与试验值的平均相对误差为5.36%,这说明修正后的方程具有良好的预测能力。
失效分析
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  高温过热器出口集箱管座焊接接头开裂原因

  朱海宝, 陈卓婷, 白佳, 郭延军, 刘明, 田力男, 乔立捷

  机械工程材料. 2022, 46(9): 106-109. https://doi.org/10.11973/jxgccl202209017

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  在检修期间对某电厂高温过热器出口集箱管座焊接接头进行磁粉探伤时,发现存在裂纹缺陷,采用应力分布模拟、显微组织观察、硬度测试等方法,对该管座焊接接头进行了失效分析。结果表明:在长期高温服役过程中,高温过热器出口集箱管座焊接接头热影响区粗晶区组织老化严重,老化等级达到4.5级,高温力学性能明显下降;同时现场安装强力对口等施工不当造成管屏附加二次应力集中,在附加二次应力的作用下,裂纹在管座焊接接头上半圈热影响区粗晶区应力集中处萌生;随着服役时间的延长,裂纹内基体组织脱碳,焊接接头发生高温蠕变开裂。