机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2023年第12期

• 高居里点BaTiO3基无铅正温度系数热敏陶瓷的研究进展

  李诗恒, 岳宇昕, 张永丽, 曾江涛, 杜刚, 张伟, 沈十林, 曾涛

  正温度系数(PTC)热敏材料是一种对温度十分敏感的半导体材料,其中BaTiO3基PTC热敏陶瓷应用最为广泛。为满足高温使用需求与无铅化绿色环保要求,高居里点BaTiO3基无铅PTC热敏陶瓷受到了极大的关注。介绍了几种常见的高居里点BaTiO3基无铅PTC热敏陶瓷体系,综述了其改性方法,包括施主掺杂、受主掺杂、工艺改进等,阐述了该材料目前的不足,并对其今后的发展方向进行了展望。

• 钪含量和固溶工艺对Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金组织和性能的影响

  张维, 朱必武, 肖罡, 刘筱, 詹海鸿, 杨钦文

  设计了钪质量分数分别为0.02%,0.07%,0.12%的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金,研究了钪含量以及固溶温度(450~490 ℃)和时间(0.5~5 h)对铸态合金组织和性能的影响。结果表明:随着钪含量的增加,合金的晶粒细化,晶界处的粗大第二相增多,硬度降低。经470 ℃×1 h固溶后,含质量分数0.02%钪的合金的硬度最高;继续提高固溶温度或延长固溶时间会导致晶粒尺寸增大,同时延长固溶时间还会导致晶界处聚集块状第二相,因此硬度降低。

• 应变速率对Q460钢及其埋弧焊接头拉伸行为的影响

  赵卓, 贺玉伟, 王磊, 刘杨

  利用埋弧焊技术对Q460钢进行焊接,研究了应变速率(0.001~100 s-1)对母材及焊接接头拉伸性能和断口形貌的影响。结果表明:焊接接头的室温准静态(应变速率为0.001 s-1)屈服强度、抗拉强度与母材均接近,但断后伸长率明显减小;随应变速率增大,母材屈服强度和抗拉强度的增大,对应变速率敏感;当应变速率在0.01~0.1 s-1时,焊接接头的屈服强度和抗拉强度与准静态相当,当应变速率在1~100 s-1时,强度明显提高,即强度对高应变速率敏感;母材、焊接接头的断后伸长率均先降低后增大,最小值分别出现在应变速率为0.01,0.1 s-1,焊接接头变化幅度很小;应变速率的增加使焊接接头拉伸断口中的韧窝先变小变浅随后变大变深,但未改变微观断裂机制,接头均为韧性断裂。

• 轧制方式与速度对ZK60镁合金热轧板显微组织和力学性能的影响

  刘华燊, 孙有平, 何江美, 罗国健, 方德俊

  在不同轧制速度(512,768,1 024 mm·s-1)下对均匀化退火态ZK60镁合金板进行4道次热轧,分别采用单向(4道次方向相同)和交叉(1,3道次方向与2,4道次方向垂直)2种轧制方式,研究了轧制方式和速度对镁合金板组织和力学性能的影响。结果表明:与单向轧制相比,交叉轧制镁合金板的组织均匀性和综合力学性能较好;随着轧制速度的增加,动态再结晶晶粒尺寸先减小后增大,抗拉强度先升后降,断后伸长率增大。在交叉轧制和768 mm·s-1的轧制速度下,ZK60镁合金板可获得良好的组织和力学性能,此时镁合金板已基本发生完全再结晶,晶粒细小均匀,抗拉强度为322.4 MPa,断后伸长率为15.7%。

• WC添加量对等离子喷涂Mo2FeB2金属陶瓷涂层组织和耐腐蚀性能的影响

  夏雨, 张士陶, 张博文, 上官福军, 刘福康, 邓伟涛, 李文戈, 赵远涛

  采用等离子喷涂法在Q235钢表面制备不同质量分数(0,10%,15%,20%,25%)WC改性Mo2FeB2金属陶瓷涂层,研究了WC添加量对涂层物相组成、显微组织和耐腐蚀性能的影响。结果表明:WC改性Mo2FeB2金属陶瓷涂层均主要由Mo2FeB2、WC、W2C、铁和铁的氧化物相组成;当WC质量分数由0增加至15%时,金属陶瓷涂层的Mo2FeB2和WC双硬质相数量增多,尺寸减小,分布趋于均匀,当WC质量分数超过15%时,双硬质相发生聚集,孔隙率增大,涂层致密性下降;当WC质量分数为15%时,涂层组织最均匀致密,耐腐蚀性能最好。

• 碳氮共渗对马氏体钢轴承内圈接触疲劳寿命和失效机理的影响

  程安生, 李淑欣, 鲁思渊, 陈银军, 金永生

  对GCr15马氏体钢轴承内圈分别进行常规热处理和碳氮共渗+深冷+回火处理(简称碳氮共渗处理),通过对比研究了碳氮共渗对试验钢接触疲劳寿命及失效机理的影响。结果表明:碳氮共渗处理内圈试样中的碳化物比起常规热处理内圈试样更加均匀、弥散、细化,表面显微硬度和残余应力均显著提高;碳氮共渗处理内圈试样的额定寿命L10,特征寿命L63.2和中值寿命L50分别约为常规热处理内圈试样的5.3倍,6.7倍和6.6倍;常规热处理和碳氮共渗处理内圈试样的接触疲劳失效损伤机理均为剥落,碳氮共渗处理后的亚表面裂纹萌生位置更深,亚表面二次裂纹的萌生与主裂纹的扩展得到抑制,抗接触疲劳性能得到提升。

• 凝固冷却速率对55Al-Zn-1.6Si合金镀层组织和力学性能的影响

  黄全新, 王银军

  在0~0.5 ℃·s-1凝固冷却速率下制备55Al-Zn-1.6Si合金铸锭,在常规冷却和强冷(凝固冷却速率分别为5~10,15~30 ℃·s-1)DC51D+AZ镀层钢板上取样,对比研究了凝固冷却速率对合金镀层显微组织、物相组成和力学性能的影响。结果表明:3种凝固冷却速率下的55Al-Zn-1.6Si合金均由α(Al)、β(Zn)以及少量沿α(Al)晶界析出的针状富硅相组成;随着凝固冷却速率增大,组织细化,枝晶由接近平衡态的空间生长转化为非平衡态的平面生长,镀层中形成六角形锌花,且强冷镀层中的锌花最小;铸锭、常规冷却镀层和强冷镀层的硬度分别为123,106,125 HV;强冷镀层的屈服强度(287 MPa)高于常规冷却镀层(273 MPa),低于铸锭(330 MPa),常规冷却镀层和强冷镀层的规定总延伸强度分别为389,406 MPa;常规冷却工艺和强冷工艺下镀层钢板拉伸性能相差不大。

• 钒添加量对冷硬铸铁组织及耐磨性的影响

  高杰, 郭克星, 支泽林, 陈思思, 孙亚云, 张银

  采用金属型铸造制备了添加不同质量分数(0~2.0%)钒的冷硬铸铁,研究了钒含量对冷硬铸铁显微组织以及抗冲击磨粒磨损和摩擦磨损性能的影响。结果表明:随着钒质量分数的增加,冷硬铸铁的显微组织发生细化,碳化物分布更加均匀,碳化物由网状变为长条状,但当钒质量分数高于1.2%时碳化物长大聚集;随钒质量分数增加,冲击磨粒磨损试验后冷硬铸铁的磨损质量损失先下降后略微升高,当钒质量分数为1.2%时,抗冲击磨粒磨损性能最佳;添加质量分数0,1.2%钒的冷硬铸铁在1 J冲击功下的冲击磨粒磨损机理分别以微观切削和塑性疲劳为主;钒的添加降低了冷硬铸铁与45钢对磨时的摩擦因数,提高了冷硬铸铁的摩擦磨损性能;添加质量分数0,1.2%钒的冷硬铸铁在6.9 N载荷下的摩擦磨损机理分别为微观切削和疲劳磨损,9.8 N载荷下为磨粒磨损和疲劳磨损。

• 冷拔变形量对高铌奥氏体不锈钢中初生碳化物形貌和分布的影响

  宋欣澎, 张舒展, 商宁波, 史显波, 严伟, 管建军

  对热锻态高铌奥氏体不锈钢进行不同变形量(0,0.45,0.71,1.02)的冷拔+固溶处理,研究了冷拔变形量对试验钢中初生碳化物形貌和分布的影响,并分析了其影响机理。结果表明:试验钢组织为奥氏体+粗大NbC,冷拔变形可以有效破碎NbC;提高冷拔变形量有利于NbC细化,弥散性增强,但变化幅度减小;相同冷拔变形量下,试验钢边部的NbC比心部的尺寸更小,弥散性更强;冷拔细化NbC的机理主要是NbC塑性与奥氏体基体相差较大,导致变形无法保持一致,在应力集中和位错滑移的共同作用下,沿冷拔方向产生机械破碎。

• B10铜镍合金的室温压缩变形加工硬化行为

  苑伟, 潘一帆, 郁炎, 李冲, 韩广, 周振亚

  在应变速率为0.01 s-1下对B10铜镍合金进行室温压缩变形试验,最大变形量为50%,研究了其显微组织演变和加工硬化行为,利用修正的Ludwik模型描述了试验合金真应力-真应变曲线。结果表明:试验合金在压缩过程中发生加工硬化,其加工硬化率随真应变增加持续降低,但下降速率变缓;随着变形量增加,试验合金的晶粒拉长,晶粒内部出现变形带和高密度位错,孪晶数量增加,塑性变形机制由位错强化机制逐渐转化为位错强化和变形孪晶的综合强化机制;修正的Ludwik模型σ=Kεm+nlnε可以准确描述试验合金的真应力-真应变曲线,相关系数为0.98。

• 添加不同固体润滑剂橡胶复合材料的力学及摩擦磨损性能

  陈少华, 尹彩流, 蒙洁丽, 陈玲, 王秀飞, 伊春强, 梁世龙

  制备了添加不同固体润滑剂(鳞片石墨、超高分子量聚四氟乙烯、尼龙6、硅脂、白色减摩剂)的纤维增强丁腈橡胶/丁苯橡胶/复合材料,研究了橡胶复合材料的硫化性能、力学性能和摩擦磨损性能。结果表明:添加超高分子量聚四氟乙烯润滑剂的橡胶复合材料的综合硫化性能最佳;润滑剂为鳞片石墨时,复合材料邵氏硬度,拉伸强度最大;润滑剂为超高分子量聚四氟乙烯时,复合材料的动摩擦因数、动摩擦因数稳定度波动幅度、磨损率、干/湿环境下动摩擦因数差值最低,分别为0.27~0.29、2%、1.4×10-7 g·J-1、0.01,耐磨性能和干湿环境交替稳定性最佳。

• 干湿交替与水饱和条件下轮南壤土中X80钢焊管的腐蚀行为

  陈龙, 韩华刚, 张辉, 徐超, 张根, 杨兴

  选择取自轮南油田的壤土作为腐蚀介质,在干湿交替和水饱和条件下对X80钢焊管进行室内模拟腐蚀试验,对比研究了母材和焊缝试样的腐蚀速率、腐蚀形貌和腐蚀产物。结果表明:试验钢在干湿交替条件下的腐蚀速率是水饱和条件下的2~48倍,且母材比焊缝更耐蚀;母材和焊缝试样在水饱和环境下均以轻微的全面腐蚀为主,在干湿交替条件下呈现土壤板结形貌,存在大量腐蚀坑;水饱和条件下,母材表面腐蚀产物内层薄且致密,外层分散出现龟裂,焊缝表面腐蚀产物内层已出现龟裂;干湿交替条件下,母材和焊缝表面腐蚀产物均存在裂缝。

• 焊接顺序对TC4钛合金TIG焊T型接头残余应力和变形的影响

  陈凤林, 侯春明

  建立了TC4钛合金钨极惰性气体保护焊(TIG焊)T型接头的有限元模型并进行热源验证,研究了双侧同时同向(方案1)、单侧顺序同向(方案2)和单侧顺序反向(方案3)这3种焊接顺序对T型接头残余应力和变形的影响。结果表明:模拟得到焊接热循环曲线与试验曲线基本吻合,峰值温度相对误差小于5%,证明模型准确;3种焊接顺序所得T型接头的纵向残余应力在靠近焊缝处均表现为拉应力,远离焊缝处均表现为压应力,方案1接头位置残余应力变化梯度最小;方案1所得接头的变形最小,焊后翼板垂直度最优,因此双侧同时同向焊接更适用于需要严格控制构件焊接整体变形的场合。

• 基于响应曲面法优化2205双相不锈钢层等离子弧熔覆工艺

  杜道忠, 张超, 谢鹏, 饶嘉威

  采用等离子弧熔覆技术在Q345钢表面制备2205双相不锈钢层,采用响应曲面法研究了熔覆速度(3~7 mm·s-1)、熔覆电流(83~117 A)和送丝速度(43~77 mm·s-1)及其交互作用对熔覆层稀释率与宽高比的影响,得到优化的等离子弧熔覆工艺。结果表明:为获得稀释率低的熔覆层,需采用小熔覆电流和高送丝速度,为获得宽高比大的熔覆层,需采用大熔覆电流和低送丝速度,熔覆速度对稀释率和宽高比的影响均小;预测得到优化工艺参数为熔覆电流99 A、熔覆速度6 mm·s-1、送丝速度50 mm·s-1,熔覆层的稀释率和宽高比分别为14.8%和4.36,与试验值的相对误差分别为2.9%和2.3%,说明采用响应曲面法建立的二次数学模型可靠。优化工艺下制备的熔覆层成型较好。

• 低温环境下TC4ELI钛合金三维疲劳裂纹扩展模型

  周如江, 于培师, 吴连生, 韦朋余, 赵宇翔, 赵军华

  利用疲劳试验机及扫描电镜研究了不同温度(20,-20,-40,-60 ℃)下不同厚度(12.5,9.0,6.0,3.0 mm)TC4ELI钛合金的疲劳裂纹扩展行为,建立低温环境下该合金的三维疲劳裂纹扩展模型。结果表明:由于闭合效应,减小厚度或降低温度均会减缓试验合金的疲劳裂纹扩展速率,Paris二维公式中的材料参数C和n并非常数;而在三维疲劳裂纹扩展理论框架下,修正后的Paris三维公式中的材料参数Ceff和neff均为常数,建立的三维疲劳裂纹扩展模型可以对不同温度下不同厚度试验合金的疲劳裂纹扩展行为进行归一化描述。

• 压力容器碟形封头焊接结构应力数值计算及安全评定

  代文广, 周广涛, 余作恒

  采用埋弧焊焊接制备SA-240M 304不锈钢碟形封头,建立简易有限元模型,采用刚体面偏置约束模拟碟形封头在工况条件下的应力场,并对危险区域的Mises等效应力进行计算和安全评定。结果表明:有限元模拟得到碟形封头长圆孔右侧圆弧中间区域的Mises等效应力最大,为危险区域,与由实测应变计算得到应力的相对误差仅为4.7%,验证模型准确;对危险区域沿应力分类线的法向应力进行等效线性化处理后得到一次薄膜应力、一次弯曲应力、峰值应力、二次弯曲应力分别为135.19,3.54,0.774,42.83 MPa,根据ASME VIII-2评定为安全。

• 涡轴发动机燃气涡轮叶片断裂原因

  刘丽玉, 金向明, 陈俊, 高翔宇

  某涡轴发动机在厂内试验运行至656.4 h时,一件燃气涡轮叶片在榫头伸根段断裂。通过研究叶片裂纹分布、断口宏观和微观形貌以及开裂部位的应力状态,分析了该叶片断裂原因。结果表明:叶片失效性质为疲劳,疲劳裂纹起源于榫头伸根段排气侧内部第1冷却腔内表面;该型叶片榫头冷却结构设计未考虑应力集中,冷却通道出现较大转角,产生较高水平应力,最终导致叶片断裂和开裂。