2023年, 第47卷, 第7期　
刊出日期：2023-07-20

  

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  机械工程材料. 2023, 47(7): 0-0.

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综述
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  金属陶瓷表面硬质涂层的制备及其与基体结合强度研究现状

  周琼, 杜俊龙, 张而耕, 黄彪, 梁丹丹, 陈强

  机械工程材料. 2023, 47(7): 1-6,36. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307001

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  金属陶瓷因既具备金属材料优异的强度、高温导热性和热稳定性,又具备陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀等特性而广泛用于制造切削刀具。金属陶瓷耐磨性和硬度不足的问题限制了其应用范围,在其表面制备硬质涂层可以解决这一问题,但是涂层的结合强度弱,易剥落。介绍了硬质涂层的制备方法、涂层与基体结合强度的影响因素,阐述了提高硬质涂层结合强度的方法,最后对金属陶瓷表面硬质涂层的制备技术及结合强度的提高进行了展望。
试验研究
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  连续挤压与拉拔对Cu-2Ag-0.04La合金组织及性能的影响

  郭伟, 余琪, 陈岩, 胡延波, 宋鸿武, 王松伟, 杨国富

  机械工程材料. 2023, 47(7): 7-13. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307002

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  采用下引连铸定向凝固技术制备直径为14 mm的Cu-2Ag-0.04La合金棒,再经过连续挤压获得直径为7 mm的合金丝,最后经过6道次拉拔获得直径为2 mm的合金线,研究了连续挤压及拉拔对合金组织和性能的影响。结果表明:铸态合金在连续挤压时,{001}〈100〉织构减弱并形成少量的{111}〈112〉和{110}〈112〉织构,经过拉拔后,{001}〈100〉织构基本消失,{111}〈112〉和{110}〈112〉织构增强。连续挤压态合金的抗拉强度、断后伸长率、硬度、导电率分别为270.0 MPa,31.2%,84.3 HV,93.2%IACS,拉拔后分别为566.1 MPa,4.6%,151.6 HV,88.9%IACS。
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  镜像铣和化学铣切对2A12铝合金表面完整性与疲劳行为的影响

  史建猛, 张海宝, 张月玲, 贾天一, 王新磊, 陈奕志, 刘道新

  机械工程材料. 2023, 47(7): 14-21,30. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307003

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  对比研究了金刚石刀具和硬质合金刀具镜像铣,以及化学铣切2A12-T4铝合金试样的表面形貌、表面粗糙度、残余应力、硬度和疲劳性能。结果表明:镜像铣等厚度平板试样(一面硬质合金刀具加工,一面金刚石刀具加工)的细节疲劳额定强度比化学铣切试样提高了4.27%,而金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度则提高了22.46%;金刚石刀具镜像铣试样获得了比硬质合金刀具镜像铣试样以及化学铣切试样更高的疲劳抗力。金刚石刀具镜像铣在试样表面引入了残余压应力,提高了表面硬度,降低了表面粗糙度,并未使表层组织受到破坏,因此裂纹萌生和扩展阻力提高。化学铣切试样表面存在的点蚀坑、晶间腐蚀缺陷及残余拉应力,以及硬质合金刀具镜像铣试样表面存在的较深刀痕沟槽和残余拉应力均促进了裂纹的萌生。
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  激光功率对铝/钢激光对接熔钎焊接头组织与性能的影响

  周勇, 孙有平, 何江美, 李旺珍, 谢梓文

  机械工程材料. 2023, 47(7): 22-30. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307004

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  以Er2319焊丝为钎料,在不同激光功率(1.0~1.4 kW)下对6061-T6铝合金和Q235A镀锌钢进行激光对接熔钎焊,研究了激光功率对接头显微组织和拉伸性能的影响。结果表明:在1.1~1.3 kW激光功率下均可实现铝合金和钢的有效连接,激光功率为1.2 kW时的成形质量最好;1.1,1.2 kW激光功率下焊缝区组织为大量的等轴晶以及少量的破碎枝晶,1.3 kW激光功率下则以粗大的针状晶为主;1.2 kW激光功率下接头界面处的金属间化合物层厚度小于1.1 kW激光功率下;接头的抗拉强度随着激光功率的增加呈先升后降的趋势,1.2 kW激光功率下的抗拉强度最大,为107.42 MPa,断裂类型为韧脆混合断裂。
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  核电厂水池覆面用不锈钢结构件在含SO^2-₄及Cl^-硼酸溶液中的腐蚀行为

  雷欣, 杨天野, 陈婉琦, 郑越

  机械工程材料. 2023, 47(7): 31-36. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307005

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  将核电厂水池覆面用S30403、S32101和S32205不锈钢焊接结构件在含SO^2-₄及Cl^-的硼酸溶液中腐蚀6个月,对比研究了3种不锈钢结构件的耐腐蚀性能并分析了腐蚀机理。结果表明:S32205不锈钢结构件发生均匀腐蚀,表面腐蚀产物较少,腐蚀程度较轻;S32101不锈钢结构件发生选择性腐蚀,出现较深的点蚀坑,点蚀坑内存在蓝绿色腐蚀产物;S30403不锈钢结构件发生应力腐蚀开裂,裂纹断口呈现解理断裂形貌,腐蚀最为严重。S32101不锈钢结构件由于铁素体相和奥氏体相的电位差以及铁素体中铬含量偏低等因素而发生铁素体相的选择性腐蚀;单相奥氏体S30403不锈钢结构件由于对Cl^-敏感并存在较高残余应力,因此无法形成两相协同作用而导致应力腐蚀开裂以及裂纹的快速扩展。
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  硝酸镧改性无铬达克罗涂层的腐蚀行为与防腐机理

  李红玲, 章艳玲

  机械工程材料. 2023, 47(7): 37-42. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307006

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  以锌粉、铝粉为原料,硝酸镧为添加剂,制备了硝酸镧改性无铬达克罗涂层,研究了改性涂层在质量分数5% NaCl溶液中浸泡后的腐蚀产物物相组成和微观形貌,探究了涂层的腐蚀行为和防腐机理。结果表明:在NaCl溶液中浸泡10 d后,涂层中部分富锌相优先腐蚀形成Zn₅(OH)₈Cl₂·H₂O,表面呈蜂窝状形貌;浸泡30 d后,腐蚀产物增多,生成Zn₅(OH)₆(CO₃)₂,表面呈海绵状结构;浸泡60 d后,腐蚀产物逐渐溶解、剥落,表面呈三维多孔网络结构。涂层的防腐机理包括腐蚀产物和稀土钝化膜的自修复作用、有机硅烷钝化膜和片状锌铝粉分层堆叠的物理屏蔽作用、锌和铝金属的牺牲阳极作用以及稀土钝化作用和缓蚀剂的缓释作用。
新材料 新工艺
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  三唑环含氟芳香烃改性纳米ZnO的制备及其在防污涂层中的应用

  杨宇, 雷龙林, 曹黎颖, 王林, 汪国庆

  机械工程材料. 2023, 47(7): 43-49,61. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307007

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  以Cu⁺催化叠氮炔环偶极加成点击化学反应,在不同催化剂(CuBr/五甲基二乙烯三胺或CuSO₄·5H₂O/抗坏血酸钠)和反应温度(55,65,75 ℃)下制备三唑环基含氟芳香烃改性纳米氧化锌(ZnO-sTRF),研究了不同ZnO-sTRF的化学结构和元素组成;将表面接枝量最高的ZnO-sTRF与聚氨酯(PU)复合制备ZnO-sTRF/PU涂层,研究了该涂层的疏水性能、抗菌性能以及防污性能。结果表明:当催化剂为CuSO₄·5H₂O/抗坏血酸钠,反应温度为75 ℃时,改性纳米ZnO表面接枝量最高,制备的ZnO-sTRF/PU涂层表面水接触角可达105.4°,表面大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和假交替单胞菌的死菌面积覆盖率是ZnO/PU涂层和3-氨丙基三乙氧基硅烷改性ZnO/PU涂层的10倍以上;在实际海洋环境中浸没120 d后,涂层表面无明显硬质生物的附着。
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  选区激光熔化成形CoCrFeNiCuAl_0.8高熵合金的组织与性能

  杨启云, 陶杰, 吴文恒

  机械工程材料. 2023, 47(7): 50-54,84. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307008

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  采用选区激光熔化成形(SLM)技术制备CoCrFeNiCuAl_0.8高熵合金,研究了不同激光热输入(0.06~0.36 J·mm^-1)下合金的成形质量和密度,确定最优成形工艺参数,并分析了在最优成形工艺参数下合金的显微组织和拉伸性能。结果表明:随着热输入的增加,SLM成形合金的密度先增大,当热输入大于0.15 J·mm^-1时,密度基本保持不变;当热输入为0.34 J·mm^-1时,密度最大,为7.5 g·cm^-3,最优工艺参数为激光功率270 W、扫描速度800 mm·s^-1。SLM成形合金具有由无序体心立方相(A2相)和有序体心立方相(B2相)组成的双相结构,显微组织由柱状晶和等轴晶组成,屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率分别为651 MPa,840 MPa,22%,23%,断裂机制为韧性断裂。
材料性能及应用
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  DZ411定向凝固镍基合金蠕变性能的快速评估方法

  曹铁山, 陈巧, 王威, 迟庆新, 程从前, 赵杰

  机械工程材料. 2023, 47(7): 55-61. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307009

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  研究了预应变(0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%)、加载应变速率(4.0×10^-5,1.2×10^-4,4.0×10^-4 s^-1)和连续温度应力松弛试验的初始温度(750,900 ℃)对DZ411定向凝固镍基合金应力松弛行为的影响;基于加工硬化和回复软化动态平衡的稳态变形,假设稳态松弛应变速率与传统蠕变持久试验的最小蠕变速率随应力的变化规律一致,通过短时应力松弛试验对最小蠕变速率进行预测,并进行验证。结果表明:试验合金在加工硬化和回复软化动态平衡时开始松弛,当预应变不低于1.0%时能快速达到稳态松弛;初始温度对稳态松弛行为的影响较小;加载应变速率会影响起始松弛应变速率,但对稳态松弛应变速率随应力变化的影响较小;通过稳态松弛应变速率主曲线可以预测不同温度、应力下的最小蠕变速率,蠕变持久试验结果均落在稳态松弛应变速率主曲线的99%可靠度曲线内。
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  轧制预变形和奥氏体化温度对贝氏体钢显微组织与拉伸性能的影响

  赵秋红, 王庆芬, 马到原

  机械工程材料. 2023, 47(7): 62-66. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307010

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  对Fe-0.9C-1.4Si-1.6Mn-0.8Cr-0.2Mo-0.25Al钢锭分别进行冷轧与热轧变形处理,再进行850~1 100 ℃奥氏体化处理和300 ℃等温处理,研究了轧制预变形和奥氏体化温度对显微组织和拉伸性能的影响。结果表明:经950 ℃奥氏体化后,冷轧预变形钢主要由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成,热轧预变形钢则由贝氏体和残余奥氏体组成,相比于未预变形钢,残余奥氏体含量减少;冷轧变形可同时提高钢的抗拉强度和断后伸长率,热轧变形则会降低断后伸长率。当奥氏体化温度在850~1 050 ℃时,冷轧预变形钢的残余奥氏体含量变化不大,当奥氏体化温度为1 100 ℃时,残余奥氏体含量减少并出现片状魏氏体铁素体;随着奥氏体化温度升高,冷轧预变形钢的抗拉强度和断后伸长率先略微增大后减小,当奥氏体化温度为950 ℃时达到最大。
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  短时间焊后热处理对S32101双相不锈钢板激光焊焊缝组织和性能的影响

  王保军, 白露, 陈龙, 沈鑫珺

  机械工程材料. 2023, 47(7): 67-71. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307011

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  对厚度为6.5 mm的S32101双相不锈钢板进行激光焊接,并进行不同温度(800~1 100 ℃)和不同保温时间(0~180 s)的焊后热处理,研究了焊后热处理对焊缝显微组织和性能的影响。结果表明:热处理后焊缝中奥氏体含量高于焊态焊缝,并且其含量随保温时间的延长整体呈增大的趋势,随热处理温度的升高整体呈先增大后减小的趋势;在1 000~1 100 ℃下保温0~180 s后焊缝中的奥氏体体积分数均超过30%,热处理温度为1 075 ℃时奥氏体体积分数最高;热处理后焊缝的平均显微硬度低于焊态焊缝,与母材相近;在热处理温度为1 075 ℃,保温时间为0下,焊缝的自腐蚀电位与焊态焊缝相近,当保温时间延长至180 s时,自腐蚀电位提高,腐蚀倾向降低。
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  锰含量和层流冷却空冷时间对热轧DP600双相钢组织和强度的影响

  熊雪刚, 张开华, 陈述, 李正荣, 崔凯禹, 汪创伟

  机械工程材料. 2023, 47(7): 72-76. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307012

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  设计了不同锰含量的DP600钢,在不同层流冷却空冷时间下对该钢进行工业试生产,研究了锰质量分数(0.65%~1.25%)和空冷时间(8~11 s)对其显微组织和强度的影响。结果表明:随着锰含量的增加或者层流冷却空冷时间的缩短,DP600钢的平均晶粒尺寸降低,马氏体含量增加,屈服强度、抗拉强度增大;随着锰含量增加,马氏体形态由弥散分布变为线链状分布;当锰质量分数为0.85%,层流冷却空冷时间为8~9 s时,DP600钢具有良好的拉伸性能,屈服强度为441~462 MPa,抗拉强度为614~618 MPa,此时组织中的马氏体面积分数低于20 %。
物理模拟与数值模拟
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  铝合金三明治板面外承载特性的有限元模拟和试验研究

  张超锋, 张大军, 何彪

  机械工程材料. 2023, 47(7): 77-84. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307013

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  通过有限元模拟方法研究了点/面载荷作用下不同长宽比和宽厚比铝合金三明治板的面外屈曲特性,并进行试验验证;通过试验研究了不同尺寸参数铝合金三明治板的面外承载特性。结果表明:模拟得到点/面载荷下三明治板的载荷-位移曲线与试验结果基本吻合,平均相对误差小于5%,证明了有限元模拟的可靠性;三明治板在点载荷下发生整体刺穿破坏,在面载荷下发生芯板压缩破坏。在点载荷下,当宽厚比为13.6时,随着长宽比由0.7增大到1.9,三明治板的破坏载荷先升高后趋于平稳,而当宽厚比为21.4时,随着长宽比由0.4增加到1.2,破坏载荷基本不变,宽厚比21.4的破坏载荷大于宽厚比13.6。在面载荷作用下,随着长宽比增大,屈服载荷降低,宽厚比13.6的屈服载荷大于宽厚比21.4。以3 mm为面外屈曲变形临界值时,点/面载荷作用下三明治板的临界屈曲比均为0.093。
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  基于热循环曲线法的低合金高强钢对接接头焊接残余应力数值模拟

  廖娟, 程鹏, 冯芳, 蒋鸿

  机械工程材料. 2023, 47(7): 85-90. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307014

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  以Q345低合金高强钢对接接头为研究对象,建立热-冶金-力学耦合的三维有限元模型,在考虑相变情况下采用三维双椭球体热源模型对单道焊的焊接温度场进行数值模拟,再基于提取的热循环曲线(TCC)对该热源模型进行简化。分别采用三维双椭球体热源模型和基于TCC简化的热源模型对单道焊和多道焊对接接头的残余应力进行计算,并进行了试验验证。结果表明:根据温度场模拟得到的单焊道焊缝TCC与试验结果吻合良好,相对误差小于2.34%,验证了提取的TCC的准确性;采用三维双椭球体热源模型和基于TCC简化热源模型模拟得到的接头残余应力与试验结果吻合良好,其中单焊道接头纵向残余应力相对误差分别小于11.38%,4.34%,验证了2种模拟方法的准确性;与三维双椭球体热源模型相比,基于TCC简化热源模型的计算效率提高32%以上。
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  新型高强轴承钢的热压缩变形行为与热加工图

  程海洲, 罗志辉, 许婄鑫

  机械工程材料. 2023, 47(7): 91-96. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307015

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  以自行开发的贝氏体轴承钢为研究对象,采用热模拟试验机在变形温度900~1 200 ℃、应变速率0.01~5 s^-1条件下进行单道次热压缩试验,研究了该钢的热压缩变形行为,基于真应力、真应变数据,建立热变形本构方程,并绘制热加工图。结果表明:当变形温度不低于1 000 ℃、应变速率低于0.1 s^-1时,试验钢在热压缩过程中的动态再结晶较明显。在相同应变速率下,变形温度越高,峰值应力越小,到达峰值应力的真应变也越小;在相同变形温度下,应变速率越大,峰值应力越大,达到峰值应力的真应变也越大。试验钢的变形激活能为479.119 kJ·mol^-1,明显大于传统GCr15马氏体轴承钢,说明在相同变形温度下试验钢更难以变形。试验钢适宜的热加工区间为变形温度900~1 100 ℃、应变速率1.4~2 s^-1。
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  Inconel625合金激光熔覆过程中显微组织演变的数值模拟

  李继红, 郭钊, 李保铃, 张敏, 郭宇飞, 苟川东

  机械工程材料. 2023, 47(7): 97-103. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307016

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  基于MATLAB模拟平台并结合晶粒的形核与生长理论,采用元胞自动机-有限差分方法构建了Inconel625合金激光熔覆层显微组织演变的数值计算模型,利用该模型对单道激光熔覆过程中合金的显微组织演变进行了模拟,并进行了试验验证,同时研究了激光热输入和异质形核数量对熔覆层晶粒形貌的影响。结果表明:采用建立的模型模拟得到熔覆层内部由柱状晶以及分布在柱状晶之间的亚晶粒组成,靠近熔合线区域由胞状晶组成,与试验结果相吻合;模拟和试验得到柱状晶的平均宽度分别为2.817,2.743 μm,相对误差仅为2.69%,验证了计算模型的可靠性;随着激光热输入的减小或异质形核数量的增大,熔覆层组织逐渐细化,晶粒数量增多,柱状晶宽度减小。
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  NiMnGa合金/环氧树脂复合材料力磁耦合细观模型的建立及应力-应变关系模拟

  刘辉, 薛立军, 陈江旭

  机械工程材料. 2023, 47(7): 104-110. https://doi.org/10.11973/jxgccl202307017

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  基于热力学理论和等效夹杂原理建立了包含机械能、化学自由能、磁晶各向异性能、Zeeman能和再取向过程硬化函数的NiMnGa合金/环氧树脂(NiMnGa/ER)复合材料的力磁耦合细观模型,模拟了零场下复合材料的应力-应变曲线,并与试验结果进行对比,最后预测了不同磁场强度(0~1.8 T)和磁场角度(与应力方向的夹角,0°,45°)下复合材料的应力-应变曲线。结果表明:模拟得到复合材料中马氏体变体再取向和逆再取向的临界应力分别为39.2,41.8 MPa,与试验结果的相对误差均不大于1.2%,验证了模型的准确性。磁场角度为45°下复合材料的应力-应变迟滞环比磁场角度0°下更大;当磁场角度为0°时,磁场强度越大,应力-应变迟滞环越大。