2023年, 第47卷, 第3期　
刊出日期：2023-03-20

  

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综述
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  镁合金在大气环境中腐蚀行为及表面处理技术的研究进展

  邓迎诚, 秦卫华, 王飞, 徐新颖, 刘兰轩

  机械工程材料. 2023, 47(3): 1-6,54. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303001

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  镁合金是目前实际使用的密度最小的一种金属材料,具有比强度高、导电导热性能好、切削加工性好、生物相容性良好等特点,但由于其化学稳定性差且表面氧化膜疏松多孔,耐腐蚀性能差,导致其应用受到严重限制。综述了镁合金在大气环境中的腐蚀行为,总结了其常见的表面处理技术,如化学氧化、阳极氧化、微弧氧化、有机涂层等方法的研究现状,最后对镁合金在大气环境中的腐蚀行为及表面处理技术方面的研究方向进行了展望。
试验研究
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  等径角挤压道次对纯锡显微组织与力学性能的影响

  程桑, 张永皞, 杨川, 汪炳叔, 周保雪

  机械工程材料. 2023, 47(3): 7-11,18. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303002

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  在室温下对纯度为99.99%的锻态纯锡板进行不同道次(0~20道次)的等径角挤压(ECAP),研究ECAP道次对纯锡显微组织和力学性能的影响。结果表明:在ECAP的剧烈剪切作用下纯锡晶粒中产生孪晶,并发生孪晶诱导再结晶,晶粒显著细化,当ECAP道次超过12道次时,晶粒细化效果减弱;随着ECAP道次的增加,纯锡的织构强度和最大取向密度降低,硬度、强度和断后伸长率均增大;与锻态纯锡相比,经20道次ECAP后的硬度、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别提高了9.09%,5.14%,32.08%,144.19%;当ECAP道次数少于8道次时,纯锡的主要强化机制为加工硬化,而当ECAP道次数多于8道次时,主要强化机制为细晶强化。
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  新型定向凝固镍基高温合金DZ445中γ'相在高温下的演变规律

  牛倩, 张鹏, 李娇, 巩秀芳, 宋小龙

  机械工程材料. 2023, 47(3): 12-18. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303003

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  通过对新型定向凝固镍基高温合金DZ445进行800~900℃热暴露试验,研究了合金中γ'强化相在高温下的演变规律。结果表明:高温下γ'相的长大受基体元素扩散控制,长大动力学遵循Lifshitz-Slyozov-Wagner熟化规律,扩散激活能为305 kJ·mol^-1;合金组织稳定,即使是在900℃热暴露10 000 h,γ'相颗粒的平均尺寸也只增大至(928±14) nm,在800~900℃下热暴露10 000 h时γ'相体积分数保持在50%上下,未观察到拓扑密堆相析出;在850,900℃热暴露过程中,γ'相形貌由类球状向立方或四方块状转变,这种转变与颗粒尺寸和晶格错配度有关。
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  18CrNiMo7-6高铁齿轮钢的疲劳极限评定

  张军豪, 王文先, 闫志峰, 段德盛, 张红霞, 张锦文, 周峻

  机械工程材料. 2023, 47(3): 19-23,36. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303004

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  在不同最大循环应力(600~880 MPa)和应力比0.1下对18CrNiMo7-6高铁齿轮钢进行棘轮试验和疲劳试验,先通过对稳定阶段的棘轮应变差值和温升与最大循环应力进行拟合来预测疲劳极限,然后再基于由棘轮应变差值和温升计算的断裂疲劳熵来预测疲劳极限,并将不同方法的预测结果与试验结果进行对比。结果表明:由稳定阶段的棘轮应变差值和温升与最大循环应力的线性拟合得到的疲劳极限分别为664.9,681.4 MPa,与由疲劳试验得到的疲劳极限(689.0 MPa)的相对误差分别为1.11%,3.50%,说明用这2种方法预测疲劳极限的精度较高;当最大循环应力为673.2 MPa时,断裂疲劳熵值由0.1 MJ·m^-3·K^-1以下突变增至0.46 MJ·m^-3·K^-1,由此预测得到的疲劳极限为673.2 MPa,与疲劳试验结果的相对误差为2.3%,预测精度较高。
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  温度对S135钢和G105钢在CO₂/H₂S共存体系中腐蚀行为的影响

  高科超, 尚锁贵, 张智, 高强勇, 马金鑫, 刘婉颖

  机械工程材料. 2023, 47(3): 24-30. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303005

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  在气体分压分别为20,0.1 MPa的CO₂/H₂S共存模拟油田地层水中,利用高温高压釜在不同温度(室温、100℃、180℃)下对S135钢和G105钢进行腐蚀试验,研究了温度对2种钢腐蚀行为的影响。结果表明:100℃下S135钢和G105钢的腐蚀速率最大,分别为0.846 3 mm·a^-1和0.850 0 mm·a^-1,180℃下的腐蚀速率最小,分别为0.229 1 mm·a^-1和0.230 9 mm·a^-1;100℃下钢表面腐蚀产物主要为FeCO₃和FeS,此温度下CO₂为腐蚀主控因素,室温和180℃下的腐蚀产物主要为FeS,H₂S为腐蚀主控因素。
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  火烧温度和冷却方式对12Cr1MoV钢显微组织和力学性能的影响

  李小凯, 关凯书

  机械工程材料. 2023, 47(3): 31-36. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303006

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  将12Cr1MoV钢加热至不同温度(650,750,850,950,1 050,1 150℃)保温3 h并分别进行空冷和水冷来模拟火灾现场的火烧过程,采用金相检测、小冲杆试验、拉伸试验和硬度测试研究了火烧温度和冷却方式对试验钢显微组织和力学性能的影响。结果表明:当火烧温度不高于750℃时,空冷和水冷方式下试验钢的显微组织均主要为铁素体、珠光体和碳化物,强度、断后伸长率和硬度随火烧温度的变化很小;在空冷方式下,当火烧温度高于750℃时,随着火烧温度升高,试验钢的晶粒尺寸变大,珠光体含量增加,使得强度增大,断后伸长率降低;在水冷方式下,当火烧温度高于750℃时,试验钢组织中出现马氏体,随着火烧温度升高,马氏体含量增加,试验钢强度和硬度提高,断后伸长率降低。
新材料 新工艺
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  搅拌叶片表面原位合成TiC颗粒增强高锰钢复合层的制备及性能

  程军, 范明洋, 杨吉春, 胡宇

  机械工程材料. 2023, 47(3): 37-41,47. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303007

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  采用燃烧合成反应铸渗结合真空消失模铸造工艺,在ZG120Mn13Cr2高锰钢搅拌叶片表面制备原位合成TiC颗粒增强高锰钢复合层,研究了该复合层的显微组织、硬度以及在湿砂磨损条件下的耐磨性能,并与BTMCr20高铬铸铁和ZG120Mn13Cr2高锰钢的硬度和耐磨性能进行对比,测试了复合层叶片在稳定土条件下的现场使用寿命。结果表明:复合层与高锰钢基体呈冶金结合,其组织由原位合成的细小TiC颗粒、外加的粗大TiC颗粒和高锰钢基体相构成,原位合成的TiC颗粒呈圆球或近圆球状均匀分布在基体相中;复合层的平均硬度为58 HRC,高于高锰钢低于高铬铸铁,磨损质量损失略高于高铬铸铁但远低于高锰钢。复合层叶片的现场使用寿命为1 700 h,为高锰钢叶片的2倍以上,略高于高铬铸铁叶片。
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  镍基单晶高温合金熔炼工艺优化

  王誉程, 连利仙, 邓钥丹, 刘颖

  机械工程材料. 2023, 47(3): 42-47. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303008

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  采用中频感应熔炼和MgO坩埚制备镍基单晶高温合金,对比研究氩气保护和真空熔炼工艺下合金的氧、氮、硫含量和显微组织,分析了不同工艺的除杂效果,并讨论了真空熔炼过程中延长精炼时间、添加陶瓷过滤网、加入脱氧剂碳等措施对除杂效果的影响。结果表明:氩气保护熔炼镍基单晶高温合金中氧、硫、氮元素的质量分数均高于1×10^-5,且组织中存在粗大的氧化铝夹杂物;真空熔炼合金中杂质元素质量分数均小于1×10^-5,同时组织中未发现大尺寸夹杂物;与氩气保护熔炼相比,高真空熔炼有利于降低合金中氮元素的含量;延长精炼时间可促进合金成分均匀化,大功率电磁搅拌加速了氮的脱除速率;添加陶瓷过滤网滤除了合金中大尺寸夹杂物;利用脱氧剂碳和氧的反应来进一步脱氧和脱氮。
材料性能及应用
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  回火硬度对4Cr5Mo2V钢抗铝液熔损性能的影响

  楼通海, 左鹏鹏, 吴晓春

  机械工程材料. 2023, 47(3): 48-54. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303009

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  通过淬火和不同工艺的回火热处理得到不同回火硬度(41.2,45.0,49.3 HRC)的4Cr5Mo2V钢,采用试样在熔融铝合金中动态旋转的方法研究了回火硬度对该钢抗铝液熔损性能的影响。结果表明:随着回火硬度的升高,在相同熔损时间内试验钢的熔损质量损失降低;随着熔损时间的延长,试验钢迎铝面先形成细密点蚀坑,随后出现局部剥落以及局部严重腐蚀,最后发生全面腐蚀;界面层的金属间化合物由内层致密的η-Fe₂Al₅相和外层疏松多孔的α_H-Fe₂Al₈Si相组成;随着回火硬度的升高,背铝面界面层内层厚度增大,外层占比降低,基体中固溶铬元素增多,试验钢的抗铝液熔损性能提高。
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  大规格42CrMoS钢棒的横向冲击韧性及其主要影响因素

  赖承班, 张燕呢, 闵永安, 周坤

  机械工程材料. 2023, 47(3): 55-59,65. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303010

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  在直径为380 mm的锻态42CrMoS钢棒的不同部位处取样,进行850℃水冷淬火或风冷淬火以及相同工艺高温回火处理,研究了热处理后的显微组织、硫化物夹杂形貌和数量及其对横向冲击韧性的影响。结果表明:钢棒未出现严重的元素偏析;在水冷淬火和风冷淬火条件下不同部位的横向冲击吸收功分别在21.6～35.6 J和12.7～17.7 J;钢棒中硫化物的形貌比其数量对横向冲击韧性的影响更显著,细小、均匀分布的点状硫化物对横向冲击韧性的不利影响相对较小;在风冷淬火和高温回火试样中显微组织中每增加10%面积分数的贝氏体,其横向冲击功下降6%左右,回火索氏体组织对横向冲击韧性影响程度的权重大约是贝氏体组织的2.5倍。
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  20钢在油气田中CO₂与H₂S共存环境下的腐蚀行为及机理

  宋成立, 宋晓俊, 陈庆国, 李坤, 贾海东, 李广山

  机械工程材料. 2023, 47(3): 60-65. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303011

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  利用高温高压动态反应釜模拟油气田CO₂和H₂S共存环境的实际工况,通过腐蚀试验分析了20钢在不同CO₂分压(0.01,0.05,0.21,0.50 MPa)和H₂S分压(0.000 3,0.003,0.01,0.05 MPa)下的腐蚀行为以及CO₂和H₂S分压对均匀腐蚀和点蚀的影响程度。结果表明:在H₂S分压为0.003 MPa条件下,当CO₂分压为0.01,0.05 MPa时,20钢主要发生均匀腐蚀,随着CO₂分压的继续增大,点蚀越来越严重;在CO₂分压为0.05 MPa条件下,当H₂S分压为0.000 3 MPa时,20钢表面腐蚀轻微,随着H₂S分压的增大,腐蚀加剧,但仍主要发生均匀腐蚀;H₂S和CO₂分压对20钢的均匀腐蚀速率和点蚀速率均具有十分显著的影响,H₂S分压对均匀腐蚀的影响程度较大,而CO₂分压对点蚀的影响程度较大。
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  Ti₂AlC粉末粒径分布对TiC_0.5-Al₂O₃/Cu复合材料组织及性能的影响

  聂智超, 严仰先, 洪嘉婷, 廖航宇, 宋文龙, 邹金明, 张雪辉

  机械工程材料. 2023, 47(3): 66-71. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303012

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  通过不同时间的湿法球磨得到不同粒径分布的Ti₂AlC粉末,再与Cu₂O粉末和铜粉末混合,利用放电等离子烧结技术制备TiC_0.5-Al₂O₃/Cu复合材料,研究了Ti₂AlC粉末粒径分布对其组织和性能的影响。结果表明:随着Ti₂AlC粉末中亚微米级颗粒体积分数由0增加到70.27%,复合材料中增强相颗粒TiC_0.5和Al₂O₃在基体中分散更均匀,但是当亚微米级颗粒体积分数为98.07%时,增强相颗粒出现聚集现象;随着亚微米级颗粒体积分数的增加,复合材料的导电率与相对密度先减小后增大,硬度与屈服强度则先升后降,当亚微米级颗粒体积分数为70.27%时,复合材料综合性能最优异。
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  锡添加量对铸态Mg-3Al-0.5SiO₂合金显微组织和力学性能的影响

  李彩霞, 幸世文, 李超, 赵栖彤

  机械工程材料. 2023, 47(3): 72-77,84. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303013

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  以纯镁锭、纯铝锭、纯锡锭、纳米SiO₂粉末为原料熔炼铸造Mg-3Al-0.5SiO₂-xSn (x=0,1,3,5,7,10,质量分数/%)合金,研究了锡添加量对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:随着锡添加量的增加,粗大的Mg₂Si初生相逐渐转变为块状或针状相,Mg₂Sn相含量增加,当锡质量分数为5%时,Mg₂Sn相分布最均匀,尺寸最小;合金的强度和断后伸长率均随着锡添加量的增加呈先升高后降低的趋势,断裂方式先由脆性断裂向韧性断裂转变,再向脆性断裂转变;当锡质量分数为5%时,合金具有最佳的室温拉伸性能,其抗拉强度、屈服强度、断后伸长率分别为145.6 MPa,98.7 MPa,7.12%,断裂方式为韧性断裂。
物理模拟与数值模拟
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  基于多折叠单元理论的蜂窝纸板面外压缩数值模拟

  顾卓青, 王军

  机械工程材料. 2023, 47(3): 78-84. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303014

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  通过原纸拉伸试验获取蜂窝纸板的材料参数,建立蜂窝纸板的有限元简化模型(Y单元模型),采用有限元方法对该模型进行准静态加速压缩模拟,并与蜂窝纸板的面外准静态压缩试验结果进行对比;采用该模拟方法研究蜂窝孔边长、纸板厚度和胞壁厚度对Y单元折叠模式的影响。结果表明:Y单元模型经准静态加速压缩模拟得到的形貌与试验结果相吻合,压缩应力-应变曲线中平台应力的模拟结果与试验结果的相对误差为3.87%,验证了该模型的可靠性;不同规格的Y单元模型在压缩后共出现3种折叠模式,蜂窝孔边长和纸板厚度是影响Y单元折叠模式的2个关键因素。1/2蜂窝孔边长与一次折叠褶皱波长的比值会影响Y单元的一次折叠模式,而双层胞壁与单层胞壁的厚度差是导致多折叠模式发生的主要原因。
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  AM60镁合金Johnson-Cook本构方程的修正及冲压有限元模拟

  刘泽成, 郑小平, 李红斌, 田亚强, 陈连生

  机械工程材料. 2023, 47(3): 85-91. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303015

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  利用Gleeble-3500型热模拟机对AM60镁合金板进行热拉伸试验,研究了镁合金在变形温度200～350℃、应变速率0.01～0.1 s^-1下的热变形行为;对Johnson-Cook方程应变硬化部分进行修正并考虑应变速率和变形温度的耦合效应,基于热拉伸试验数据建立了修正Johnson-Cook本构方程,利用该方程进行冲压有限元模拟,并进行了试验验证。结果表明:AM60镁合金的流变应力与应变速率呈正相关,与变形温度呈负相关;采用修正Johnson-Cook本构模型预测得到AM60镁合金冲压真应力-真应变曲线与试验结果吻合较好,最大相对误差为18.28%,相比于未修正模型降低了57.61%;模拟得到200~350℃下冲压成形的筒形件成形良好,无表面缺陷,与试验结果一致。
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  基于Drucker-Prager/Cap模型的Ti-30Cu粉末轧制过程模拟

  孙振振, 彭文飞, MOLIAR Oleksandr, 李贺, 邵熠羽

  机械工程材料. 2023, 47(3): 92-97,102. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303016

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  对钛和铜质量比为7\:3的Ti-30Cu混合粉末进行单轴压缩、巴西圆盘和模压试验,获得该粉末Drucker-Prager/Cap本构参数与相对密度的关系;利用Abaqus软件建立粉末轧制模型,研究喂料高度对板料相对密度的影响,并进行了试验验证;采用该模型研究了辊缝宽度、轧速对Ti-30Cu合金板料相对密度的影响。结果表明:在辊缝宽度为1 mm、轧速为10 mm·s^-1条件下,随着喂料高度由150 mm增加到300 mm,板料的相对密度增大,模拟结果与试验结果基本吻合,最大相对误差为2.15%,验证了轧制模型的有效性;随着喂料高度的增加、辊缝宽度或轧速的减小,板料的相对密度增大。
失效分析
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  油田井控装置放喷管线的爆裂原因

  王帅, 曾江, 张志猛, 宋劼, 张庶鑫

  机械工程材料. 2023, 47(3): 98-102. https://doi.org/DOI: 10.11973/jxgccl202303017

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  某油田油井在实施侧钻过程中其井口放喷管线发生爆裂,通过宏观形貌观察、无损检测、化学成分分析、力学性能测试、断口形貌观察等方法以及爆裂放喷管线的抗内压强度校核,分析了该放喷管线发生爆裂的原因。结果表明:该放喷管线在本次使用前对存在轴向穿透裂纹的外壁进行过补焊处理,但补焊焊缝厚度很小,远小于管线壁厚,导致管线承压能力不足而在侧钻过程中发生爆裂失效,同时管线较差的韧性和冲击性能促进了脆性断裂的发生。