2023年, 第47卷, 第4期　
刊出日期：2023-04-20

  

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试验研究
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  超声冲击对30CrMnSiNi2A钢补焊接头显微组织和性能的影响

  张敏, 张志强, 雷龙宇, 杜明科, 王新宝, 李毅

  机械工程材料. 2023, 47(4): 1-6,39. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304001

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  对30CrMnSiNi2A钢3次补焊接头焊趾区域进行超声冲击处理,通过组织观察、拉伸试验、硬度测试和残余应力测试等方法研究了超声冲击对补焊接头显微组织、力学性能和残余应力的影响。结果表明:超声冲击使得在距离补焊接头表面约100 μm区域产生晶粒细化和塑性变形;由于超声冲击影响层的厚度与补焊件相比较小,因此超声冲击对补焊接头拉伸性能的影响不大;超声冲击使得补焊接头表面的显微硬度显著提高,这与补焊接头表面产生的晶粒细化和位错运动阻力增大有关;超声冲击可将补焊接头在多次补焊过程中累积的残余拉应力转化为残余压应力。
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  VC添加量对激光熔覆Fe₅₀Mn₃₀Cr₁₀Co₁₀高熵合金涂层组织和性能的影响

  聂辉文, 曾松盛, 聂俊红, 赖春明

  机械工程材料. 2023, 47(4): 7-11,27. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304002

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  采用激光熔覆工艺在Q235钢板表面制备Fe_50-xMn₃₀Cr₁₀Co₁₀(VC)_x(x=0,1,3,原子分数/%)高熵合金涂层,研究了VC添加量对涂层微观形貌、物相组成、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明:3种VC添加量的高熵合金涂层与基体均结合良好,涂层中仅存在较少的孔洞等缺陷,其物相均为面心立方结构的固溶相;随着VC添加量的增加,高熵合金涂层的组织发生细化,显微硬度增大;VC的添加能同时提高Fe₅₀Mn₃₀Cr₁₀Co₁₀高熵合金涂层的耐磨性能和耐腐蚀性能,并且VC添加量越多,耐磨性能和耐腐蚀性能越好。
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  回火温度对Ti₂₈Co₁₄Ni_37.12Zr_20.88高熵合金显微组织和力学性能的影响

  武俊霞, 孟凡莹, 董洪峰, 张薇, 王琳, 王永善, 李培友

  机械工程材料. 2023, 47(4): 12-17. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304003

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  对铸态Ti₂₈Co₁₄Ni_37.12Zr_20.88高熵合金在不同温度(673,723 K)下进行回火热处理,研究了回火温度对高熵合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:铸态、673 K回火态、723 K回火态合金的显微组织均由体心立方结构TiNi基体相和少量面心立方结构Ti₂Ni第二相组成;随着回火温度升高,TiNi相晶粒和Ti₂Ni相颗粒得到细化;铸态合金经过回火热处理后,其弹性极限和屈服强度增大;673 K回火态合金的抗压强度低于铸态合金,但回火温度升高至723 K后,抗压强度提升,高于铸态合金;铸态高熵合金的断裂机制以解理断裂为主,沿晶断裂和韧性断裂为辅;673 K和723 K回火态高熵合金的断裂机制以解理断裂为主,沿晶断裂为辅。
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  CeO₂添加量对铁基粉末冶金材料表面渗硼层组织与摩擦磨损性能的影响

  于庆萍, 张光胜, 夏莲森, 方慧敏

  机械工程材料. 2023, 47(4): 18-22,32. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304004

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  在渗硼剂中添加CeO₂,采用固体粉末渗硼法对Fe-2%Cu-0.4%C铁基粉末冶金材料进行950 ℃×5 h渗硼处理,研究了CeO₂添加量(0,2%,4%,质量分数)对渗硼层显微组织和摩擦磨损性能的影响。结果表明:不同CeO₂添加量下的渗硼层均形成单一Fe₂B相;随着CeO₂添加量的增加,渗硼层的表面粗糙度增大,厚度、硬度及耐磨性能呈先增大后减小趋势;当CeO₂添加质量分数为2%时,渗硼层的厚度和硬度均最大,分别约为144 μm和58.0 HRC,此时渗硼层的表面完整性相对较好,磨损量最小,约为0.008 g,耐磨性能最佳。
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  下压量对7N01铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响

  周平, 戴启雷, 周林, 姚君豪

  机械工程材料. 2023, 47(4): 23-27. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304005

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  在不同下压量(0.3,0.7,1.0 mm)下对7N01铝合金进行搅拌摩擦焊,研究了下压量对接头截面形貌、拉伸性能、抗撕裂性能及疲劳性能的影响。结果表明:下压量对7N01铝合金搅拌摩擦焊接头的拉伸性能影响不大;当下压量为0.7,1.0 mm时,接头的启裂能、裂纹扩展能及撕裂强度均相近,但当下压量为0.3 mm时,接头焊缝区域的启裂能、裂纹扩展能及撕裂强度均显著降低;随着下压量的增加,焊接接头疲劳强度增大;当下压量为1.0 mm时焊接接头的疲劳性能及抗裂纹扩展性能最优。
新材料 新工艺
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  α-FeOOH和α-Fe₂O₃纳米棒的制备及其对高氯酸铵热分解的催化作用

  陈丽娟, 黄惠

  机械工程材料. 2023, 47(4): 28-32. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304006

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  以FeSO₄·7H₂O和CH₃COONa·3H₂O为原料,采用水热方法制备α-FeOOH纳米棒,将所得α-FeOOH纳米棒于250 ℃烧结2 h制备α-Fe₂O₃纳米棒,采用差热-热重分析法研究了制备的α-FeOOH和α-Fe₂O₃纳米棒对高氯酸铵热分解的催化性能。结果表明:在100 ℃水热反应6 h可制备得到平均直径为18 nm的纯相α-FeOOH纳米棒,再于250 ℃烧结2 h后获得平均直径为16 nm的纯六方相α-Fe₂O₃纳米棒;α-Fe₂O₃和α-FeOOH纳米棒对高氯酸铵热分解的催化效果显著,添加质量分数2%的α-Fe₂O₃纳米棒和α-FeOOH纳米棒可使高氯酸铵的结束分解温度分别降低40,54 ℃,高温分解峰值温度分别降低51.1,61.6 ℃;当α-Fe₂O₃纳米棒添加质量分数达到10%时,高氯酸铵的高温分解峰值温度降低约90.9 ℃。
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  锂离子电池负极用一维ZnMn₂O₄纳米束材料的制备及电化学性能

  张耀辉, 余宗传, 董雅倩, 钟晓斌

  机械工程材料. 2023, 47(4): 33-39. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304007

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  以乙酸锌、乙酸锰和碳酸氢铵为原料,以酒石酸钾钠为结构导向剂,通过200 ℃溶剂热反应制备纳米束前驱体,根据前驱体形貌确定较优的酒石酸钾钠添加量和溶剂热反应时间;将前驱体分别在250,350 ℃高温焙烧2 h制备锂离子电池负极用ZnMn₂O₄纳米束,研究了ZnMn₂O₄纳米束的组织结构及电化学性能。结果表明:当外加酒石酸钾钠为1 mmol,溶剂热反应时间为12 h时,可得到结构完整的一维纳米束;2种焙烧温度均可以得到结构完整的ZnMn₂O₄纳米束,但350 ℃焙烧得到的ZnMn₂O₄纳米束表现出更优异的电化学性能,在100 mA·g^-1的电流密度下循环60次后,其比容量仍可维持在892 mA·h·g^-1,在2 A·g^-1的大电流密度下,其比容量依然能够达到416.2 mA·h·g^-1。
材料性能及应用
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  回火和冲击试验温度对套管钻井钢冲击韧性及断裂机理的影响

  许天旱, 张燚, 毕柳涵

  机械工程材料. 2023, 47(4): 40-44,60. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304008

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  对以铁素体+珠光体组织为主的钢材进行910 ℃淬火+不同温度回火(500,550,600 ℃)热处理,获得超高强度级套管钻井钢,并在不同温度(-60~20 ℃)下进行冲击试验,研究了回火和冲击试验温度对套管钻井钢冲击韧性和断裂机理的影响。结果表明:随着回火温度的升高,套管钻井钢的马氏体逐渐消失,形成回火索氏体组织,室温冲击时消耗的冲击能增大,最大冲击载荷减小;不同温度回火钢的冲击断口宏观形貌均为纤维区和剪切唇,断裂机理均为韧性断裂;550 ℃回火套管钻井钢的韧脆转变温度为-33.64 ℃,随着冲击试验温度的降低,其冲击能逐渐减小,宏观断口形貌由完全纤维区转变为近完全放射区,微观断口形貌由完全韧窝形貌转变为包含局部韧窝结构的准解理结构。
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  卷取温度与冷却速率对含铌热轧双相钢显微组织与拉伸性能的影响

  李秋鹤, 应传涛, 孟贺, 贺亮, 蒋福泰

  机械工程材料. 2023, 47(4): 45-49,96. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304009

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  将含铌双相钢在相同工艺参数下进行热轧并分别以冷却速率60 ℃·s^-1一次水冷至610 ℃或不同冷却速率两段式水冷至461,434,410 ℃后进行卷取,分析了卷取温度和冷却速率对热轧双相钢显微组织和拉伸性能的影响。结果表明:4种工艺下热轧双相钢组织均主要由铁素体和马氏体构成,在卷取温度为461 ℃以下时还出现了贝氏体;随着卷取温度的降低,马氏体含量降低,贝氏体依次呈分散颗粒状、聚集颗粒状和板条状,热轧双相钢的屈服强度增大,抗拉强度先减小后增大,屈强比增大,断后伸长率先增大后减小;当以一次和二次冷却速率分别为53,79 ℃·s^-1两段式水冷至461 ℃进行卷取后,热轧双相钢的拉伸性能最佳,平均屈服强度、平均抗拉强度、平均断后伸长率分别为459 MPa,591 MPa,35.63%。
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  Al₂O₃-13%TiO₂/铁基非晶合金复合涂层的室温摩擦磨损行为

  刘军, 邓文兴, 张春月, 褚振华, 张隶新

  机械工程材料. 2023, 47(4): 50-55,66. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304010

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  利用等离子喷涂技术制备含质量分数15% Al₂O₃-13%TiO₂陶瓷相的Fe₄₅Cr₁₆Mo₁₆C₁₈B₅铁基非晶合金复合涂层并进行销盘式摩擦磨损试验,通过与铁基非晶合金涂层进行对比,研究了复合涂层在不同载荷(20,30,50 N)和销轴转速(300,500,800 r·min^-1)下的摩擦磨损行为,分析了其磨损机制。结果表明:当销轴转速为300 r·min^-1时,不同载荷下复合涂层的磨损率较铁基非晶合金涂层降低近50%,复合涂层的磨损机制随着载荷的增大由磨粒磨损转变为疲劳磨损;当载荷为30 N时,复合涂层的磨痕深度与磨损率随销轴转速的增加先增大后减小,均在转速为500 r·min^-1达到最大,在销轴转速为500 r·min^-1和800 r·min^-1时复合涂层均表现为黏着磨损。
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  铟含量对Sn-Bi-In钎料性能及钎焊界面组织的影响

  孙云龙, 王敬泽, 吴石, 尹佳庆, 常晶

  机械工程材料. 2023, 47(4): 56-60. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304011

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  制备了Sn-(20-x)Bi-xIn(x=0,1,2,3,4,5,质量分数/%)钎料,分析了其熔化性能和润湿性能,并在铜基体上进行了钎焊试验,研究了铟含量对钎焊界面显微组织的影响。结果表明:随着铟含量的增加,钎料的熔点降低,当铟质量分数为5%时钎料中几乎不形成共晶组织;钎料的润湿角随铟含量增加先减小后增大,润湿面积先增大后减小,当铟质量分数为4%时钎料的润湿性最好;随着铟含量增加,钎焊界面金属间化合物层的厚度增大,金属间化合物由Cu₆Sn₅转变为Cu₆Sn₅和Cu₆(InSn)₅。
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  原料粉体粒径对NiCuZn软磁铁氧体微观结构和磁性能的影响

  陈川, 张强, 曹正锋

  机械工程材料. 2023, 47(4): 61-66. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304012

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  通过改变二次球磨时间(1~6 h)调控原料粉体粒径,采用固相烧结法制备NiCuZn软磁铁氧体,研究了原料粉体粒径对软磁铁氧体微观结构和磁性能的影响。结果表明:粉体粒径随着二次球磨时间的延长而减小,尺寸分布逐渐集中;制备的软磁铁氧体晶粒尺寸的均匀性先变好后变差,晶界先变清晰后变模糊;随着粉体粒径的减小,NiCuZn软磁铁氧体的起始磁导率、饱和磁感应强度、相对密度及电阻率均先增大后减小,功率损耗先减小后增大;当二次球磨时间为3 h时,粉体粒径主要集中在2.5~3.5 μm,平均粒径为3.237 μm,烧结制备的软磁铁氧体的晶界较为清晰,晶粒尺寸均匀,起始磁导率、饱和磁感应强度最大,分别为1 385 H·m^-1和360 mT,功率损耗最小,为284 kW·m^-3。
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  淬火温度和回火工艺对4Cr5Mo2V钢高温耐磨性能的影响

  周百航, 左鹏鹏, 吴晓春

  机械工程材料. 2023, 47(4): 67-73. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304013

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  将4Cr5Mo2V钢在1 000~1 090 ℃下淬火,并通过不同温度2次回火处理将相同淬火温度下试验钢的回火硬度分别调整至55,52 HRC,研究了淬火温度和回火工艺对显微组织、冲击韧性和高温(350 ℃)耐磨性能的影响。结果表明:回火硬度相同时,淬火温度过高或过低均会降低试验钢的韧性而加剧磨损表面材料剥落,从而降低耐磨性能;相同回火硬度下,1 030 ℃淬火条件下试验钢的韧性和高温耐磨性能最好,1 090 ℃淬火条件下最差;淬火温度相同时,较低温度回火试验钢因具有较高回火硬度,能够起到支撑表面氧化层的作用,其耐磨性能比较高温度回火时好;4Cr5Mo2V钢的推荐热处理工艺为1 030 ℃×30 min油淬+560 ℃×2 h×2次回火。
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  氟化改性对N80钢耐腐蚀和防垢性能的影响

  李鹏飞, 赵智猛, 卿周长, 王山林

  机械工程材料. 2023, 47(4): 74-82. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304014

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  先将N80钢片进行抛光处理,再用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷进行氟化改性处理,研究了氟化改性对试验钢在质量分数3.5%的NaCl溶液中的耐腐蚀性能和在模拟海水中防垢性能的影响。结果表明:在NaCl溶液中浸泡7 d后,氟化改性试样的表面腐蚀程度最为轻微,其低频(0.01 Hz)阻抗模值为450 Ω·cm²,远大于未抛光和抛光试样;经7次快速蒸发结垢试验后,氟化改性试样的结垢量相比于未抛光和抛光试样分别下降约42.55%和37.00%;经35 d多场耦合结垢试验后,氟化改性试样无明显结垢现象,结垢量接近0;氟化改性可提高N80钢的耐腐蚀性能和防垢性能。
物理模拟与数值模拟
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  考虑载荷相互作用的高低周复合疲劳寿命预测模型

  侯军, 王晓玮

  机械工程材料. 2023, 47(4): 83-87,102. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304015

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  通过研究高周疲劳与低周疲劳的损伤等效关系,在Manson-Halford模型的基础上引入影响因子以反映高周疲劳与低周疲劳载荷之间相互作用的影响,建立了一种修正的高低周复合疲劳寿命预测模型,通过TC11钛合金、LY12-CZ铝合金、45钢和GH4033镍基合金4种材料的试验数据对该修正模型进行验证。结果表明:修正模型对TC11钛合金、LY12-CZ铝合金和GH4033镍基合金疲劳寿命的预测结果均在2倍误差范围内,对45钢疲劳寿命的预测结果有78%左右的数据处于2倍误差范围内;建立的修正模型有较高的预测精度,适用于高低周复合疲劳寿命预测。
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  电子束精炼及层覆凝固Inconel 718合金的流变行为及本构方程

  赵龙海, 谭毅, 白如圣, 游小刚, 庄辛鹏, 崔弘阳

  机械工程材料. 2023, 47(4): 88-96. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304016

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  对电子束层覆凝固Inconel 718合金(EBLS 718合金)和电子束精炼Inconel 718合金(EBS 718合金)进行等温压缩试验,变形温度分别为1 010,1 050,1 100,1 140℃,应变速率分别为0.001,0.01,0.1,1 s^-1,对比研究了2种合金的热变形流变行为,基于Arrhenius本构方程建立了2种合金的本构方程。结果表明:2种合金在不同变形温度和应变速率下的流变行为相似;流变应力均随着应变速率的增加而增大,随着变形温度升高而降低;由于存在层覆界面,EBLS 718合金在热压缩变形过程中在更低温度下出现了屈服下降现象,变形激活能更低,动态软化效应更加明显;2种合金变形机制均主要为晶格自扩散引起的高温攀移机制。
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  GH4169高温合金电弧增材制造焊道成形尺寸预测

  潘宇, 吕彦明, 赵鹏, 白少昀, 黄强, 刘昊程

  机械工程材料. 2023, 47(4): 97-102. https://doi.org/10.11973/jxgccl202304017

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  采用GH4169高温合金焊丝进行钨极惰性气体保护焊电弧增材制造,采用二次回归通用旋转组合方案建立了焊接电流、焊接速度、送丝速度与单道多层焊道层宽、层高尺寸关系的预测模型,并对计算结果进行了试验验证。结果表明:单道多层焊道层宽和层高预测模型的最大相对误差分别为5.22%,5.82%,表明所建立的预测模型具有较高的可靠性;焊接速度、焊接电流和送丝速度对单道多层焊道成形尺寸的影响是相互耦合的,对单道多层焊道层宽影响最大的因素为焊接电流,对层高影响最大的因素为送丝速度。