机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2023年第5期

• Ni-Mn-In基磁制冷合金的研究进展

  刘紫莉, 高丽, 廖华玉, 胡少辉

  基于磁热效应的新型固体磁制冷技术因具有节能高效、稳定可靠的优点而备受关注,该技术利用磁性材料在磁相变过程中与外界环境之间的热交换作用而产生制冷效果。Ni-Mn-In基磁制冷合金在磁场诱导下可以产生逆磁热效应,具有较大的磁熵变。介绍了Ni-Mn-In基磁制冷合金的晶体结构和相变行为,重点综述了晶粒尺寸、化学成分、热处理工艺等因素对Ni-Mn-In基磁制冷合金磁热效应的影响,以及通过微合金化提高合金力学性能的研究进展。对未来该系列合金的研究方向进行了展望。

• 重熔处理对火焰喷涂Ni55A合金涂层组织和性能的影响

  王学朋, 马军, 赵文宝, 徐喜龙, 杨树华, 邓德伟

  采用火焰喷涂技术在316L不锈钢表面制备Ni55A合金涂层,对涂层分别进行火焰重熔和真空重熔处理,分析了重熔处理对涂层微观形貌、硬度分布和孔隙率的影响。结果表明:火焰重熔和真空重熔可将火焰喷涂涂层的孔隙率从4.2%分别降低到0.34%和0.86%,并将基体与涂层界面处的结合状态由机械结合变为冶金结合;与火焰重熔相比,真空重熔后涂层与基体界面处的扩散层厚度更大,组织更粗大,孔隙形状更加不规则;火焰重熔和真空重熔后涂层的平均硬度分别提高了60,15 HV,火焰重熔后涂层的硬度较高且硬度波动较小。

• 国产核电主管道用316LN钢的低周疲劳性能评估

  侍克献, 田根起, 王苗苗, 杨昌顺, 王延峰

  对CAP1400核电机组国产主管道用316LN钢开展室温(25 ℃)、服役温度(350 ℃)、500 ℃和600 ℃下的低周疲劳试验,得到该钢的循环应力响应特性和迟滞回线,基于Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型拟合稳定循环应力幅-应变幅曲线和应变幅-失效反向数曲线,采用ASME锅炉及压力容器规范最佳拟合疲劳曲线和设计疲劳曲线对该钢的低周疲劳性能进行评估。结果表明:316LN钢的循环应力响应过程包含循环硬化、循环软化、稳定循环和最终失效4个阶段;500,600 ℃下316LN钢发生显著的动态应变时效,350 ℃下动态应变时效特征不明显,室温下不存在动态应变时效现象;Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型可以较好地描述316LN钢的稳定循环应力幅-应变幅和应变幅-失效反向数关系;在室温和350 ℃条件下316LN钢的疲劳试验数据均高于修订后的最佳拟合疲劳曲线,应变调整系数取2或疲劳寿命调整系数取12的试验数据均高于设计疲劳曲线,低周疲劳性能满足ASME规范要求。

• 多元热流体注采用N80钢管柱的腐蚀行为

  刘金璐, 李军, 李丽, 李甫, 李辉, 杨宏伟, 连威

  通过多元热流体注采现场井下挂环表面腐蚀产物形貌和成分的分析,提出了N80钢管柱的腐蚀机理,并通过现场失效管柱的成分分析进行验证;用实验室模拟腐蚀试验研究了多元热流体温度(120~280 ℃)、CO2分压(2~18 MPa)和O2分压(0~1 MPa)对管柱腐蚀行为的影响。结果表明:管柱的腐蚀反应分为CO2腐蚀、O2腐蚀和氢腐蚀3类,现场失效管柱碳含量低于标准要求,验证了腐蚀机理的正确性。随着温度升高,管柱的腐蚀速率先增大后减小再增大;随着CO2分压增大,腐蚀速率先基本不变后增大再趋于稳定;随着O2分压增大,腐蚀速率先急剧增大后趋于稳定。

• 动车与拖车ER8钢车轮轮毂表面的微动损伤行为

  何成刚, 邹港, 叶榕伟, 翟玉江, 李鹏, 付斌, 刘吉华

  以在我国西北风沙环境下运行1.73×106 km的动车组动车和拖车ER8钢车轮轮毂为研究对象,通过硬度测试、表面和截面损伤形貌观察等方法,分析了动车和拖车车轮轮毂表面的微动损伤行为。结果表明:动车车轮轮毂表面平均硬度约为335 HV,硬化层深度约为300 μm,最大塑性变形层厚度约为29 μm,均大于拖车车轮轮毂(310 HV,250 μm,25 μm);拖车车轮轮毂表面损伤以相互交错的浅犁沟为主,同时存在较多连片的剥落坑和疲劳裂纹,并发生氧化磨损,截面损伤以剥落为主,部分区域还存在小角度的长裂纹;动车车轮轮毂表面损伤主要为方向一致的深犁沟和少量大剥落坑,表面疲劳裂纹较少,截面损伤以小角度长裂纹为主,部分区域表层存在沿塑性变形线向内部扩展的裂纹。

• 电解水用Co5Ni1Ox/碳布双功能电催化剂的制备及其电化学性能

  张耀辉, 郑文静, 石青, 董雅倩

  通过水热法合成了Co5Ni1Ox/碳布(CC)电催化剂,研究了其微观结构、析氧反应/析氢反应电催化性能和电解水性能,并与Co6Ox/CC、Ni6Ox/CC以及商业RuO2和Pt/C电催化剂进行对比。结果表明:Co5Ni1Ox/CC试样中的Co5Ni1Ox纳米棒负载于碳布表面;在电流密度为10 mA·cm-2时,Co5Ni1Ox/CC试样发生析氧反应的过电位为289 mV,明显低于Co6Ox/CC试样、Ni6Ox/CC试样和RuO2电催化剂(342,405,422 mV),发生析氢反应的过电位为200 mV,低于Co6Ox/CC试样和Ni6Ox/CC试样(252,364 mV),更接近Pt/C电催化剂(44 mV);Co5Ni1Ox/CC试样组装的电解水槽电压为1.69 V,低于分别由Co6Ox/CC和Ni6Ox/CC试样组装的电解水槽电压(1.78,1.85 V),与RuO2和Pt/C电催化剂分别作为阳极与阴极组装的电解水槽电压相近(1.70 V)。

• (MgCoNiCuZn)O高熵氧化物陶瓷涂层的制备及性能

  惠俊杰, 贾均红, 白甘雨, 岳瑞芳, 张心怡, 李金鑫

  通过高温固相反应烧结法在不同烧结温度(700~1 000 ℃)下制备(MgCoNiCuZn)O高熵氧化物陶瓷粉体,并采用大气等离子喷涂技术在Inconel 718合金基体表面制备了陶瓷涂层,研究了陶瓷涂层的微观结构和性能。结果表明:在900,1 000 ℃烧结温度下均合成了具有单一岩盐相结构的(MgCoNiCuZn)O高熵氧化物陶瓷粉体;用这2种温度烧结陶瓷粉体制备的陶瓷涂层的硬度为5.42~5.94 GPa,结合强度为45.4~48.5 MPa,用1 000 ℃烧结粉体制备的陶瓷涂层的结合强度和硬度较高。陶瓷涂层与氧化铝球对磨时的摩擦因数为0.59~0.69,磨损率为2.59×10-5~4.13×10-5 mm3·N-1·m-1,主要磨损机理为磨粒磨损和疲劳剥落,用1 000 ℃烧结粉体制备的陶瓷涂层的摩擦因数与磨损率较低,磨损表面犁沟细而浅,剥落坑小而少。

• 基于Al(OH)3的熔盐法制备片状α-Al2O3工艺参数优化

  龙开琳, 刘风坤, 黄毅, 崔博文, 朱化强, 郎咸忠

  以Al(OH)3为前驱体,采用熔盐法制备片状α-Al2O3,通过正交试验结合单因素方法研究了Al(OH)3与熔盐(NaCl+Na2SO4)的质量比(1:1,1:2,1:3)、添加剂Na3PO4质量分数(0.1%,1%,2%)、添加剂TiOSO4质量分数(0.5%,1%,3%)、烧结温度(900,1 050,1 200 ℃)以及保温时间(1,3,5 h)对Al2O3形貌的影响,获得最优工艺参数。结果表明:由正交试验得到对片状α-Al2O3形貌的影响由大到小依次为烧结温度、Al(OH)3与熔盐质量比、Na3PO4含量、保温时间,结合单因素方法得到最优工艺参数为烧结温度1 050 ℃、Al(OH)3与熔盐质量比1:2、Na3PO4质量分数1%、TiOSO4质量分数1%、保温时间3 h;在优化工艺条件下获得平均直径为15.413 μm、厚度为0.765 μm、径厚比为20.147的形状规则的片状α-Al2O3,且Al2O3纯净、无杂质。

• 316L不锈钢液控管线在稠油热采服役环境下的应力腐蚀行为

  白健华, 王通, 于法浩, 勾字文, 范鹏成, 李海, 陈龙俊, 柳伟

  采用Ansys Workbench有限元分析软件模拟316L不锈钢液控管线在200~350 ℃下的热应力分布,结合高温腐蚀模拟试验,研究了稠油热采服役环境下液控管线的应力腐蚀行为。结果表明:模拟得到液控管线在200～350 ℃温度范围内的最大热应力出现在接近油管接箍侧区域,其数值随温度的升高而增大。高温腐蚀模拟后,应力加载状态下液控管线的受拉伸区域出现多条径向裂纹,而无应力加载状态下局部位置存在点蚀坑。液控管线在稠油热采环境中的失效机理是在热应力和腐蚀介质共同作用下,点蚀坑处发生阳极溶解并发展为应力腐蚀裂纹。

• Fe-0.1C-5Mn中锰钢在双道次热压缩变形期间的静态再结晶行为

  王魏军, 岑琼瑛, 张梅, 汪杨

  通过Gleeble-3500型热/力模拟试验机对Fe-0.1C-5Mn钢进行双道次热压缩试验,研究了变形温度(850,900,950,1 000 ℃)、道次间隔时间(1,5,10,20,50,100 s)、应变速率(0.01,0.1,1 s-1)对该钢在热变形期间静态再结晶行为的影响,并基于应力、应变数据,绘制功率耗散效率图。结果表明:提高变形温度、延长道次间隔时间、增加应变速率有助于试验钢在双道次热压缩变形期间发生静态再结晶,其静态再结晶激活能为210 kJ·mol-1;试验钢的稳定变形区分布于短道次间隔时间(1,10 s)的高应变速率区域(0.2~1 s-1),以及长道次间隔时间(100 s)的低温低应变速率区域(850~925 ℃/0.01~0.2 s-1)。

• 某合成氨甲烷化装置脱硫槽焊接接头开裂原因

  汤鹏杰, 梁斌

  某合成氨甲烷化装置中的15CrMoR钢脱硫槽在运行10万h后,其焊接接头发生开裂导致泄漏。采用宏观形貌观察、化学成分测试、力学性能试验、显微组织观察和断口分析等方法,对接头开裂原因进行分析。结果表明:氢脆是脱硫槽接头开裂失效的主要原因。相比于母材,焊缝和热影响区强度高,氢脆敏感性强,长期在高温高压临氢环境中服役后,氢原子在脱硫槽内表面焊缝和热影响区聚集,导致氢致开裂。因甲烷化装置中换热器频繁内漏,脱硫槽经历多次紧急停工,造成焊接接头损伤累积,加速裂纹扩展,从而导致脱硫槽开裂泄漏。

• 基于机器学习的异构金属材料性能预测及结构设计

  王晓坤, 汪永纪, 贾云飞, 张勇, 贺琛贇, 董博, 张显程

  异构金属材料因其特殊的微观结构,在具有较高强度的同时仍然能保持良好的韧性,但是复杂的结构参数使其性能预测和结构设计变得非常困难。机器学习(ML)在处理高维物理量之间的复杂非线性关系方面表现出强大的能力,从而成为异构金属材料性能预测和结构设计的有力工具。介绍了异构金属材料的特征,总结了ML算法及其相关的数据处理问题,综述了ML在异构金属材料性能预测和结构设计方面的应用研究现状,给出了ML辅助异构金属材料性能预测及结构设计中存在的关键问题,并对未来的研究方向进行了展望。

• 铝合金中溶质原子团簇强韧化及其应用的研究进展

  杨冲, 刘刚, 薛航, 张鹏, 张金钰, 孙军

  溶质原子团簇是指合金中几个到几十个溶质原子的无序聚集。作为时效析出序列的重要一环,溶质原子团簇不仅可以通过调控铝合金时效析出行为而改善显微组织,而且可以有效地改善合金的力学性能。对铝合金中溶质原子团簇的表征方法、强韧化调控机制及其在铝合金中的典型应用等几个方面进行了综述,对溶质原子团簇未来的研究方向进行了展望。

• 超轻镁锂合金强化方法的研究现状

  王硕, 许道奎, 王东亮, 王保杰, 张志强

  镁锂合金作为密度最小的金属结构材料,具有高比强度和比刚度、优异的阻尼性能和电磁屏蔽性能等优点,但其绝对强度低,极大限制了其在实际工程中的规模化应用。对近年来镁锂合金的合金化强化、变形加工强化、热处理强化以及复合强化等强化方法的研究现状进行了总结,并给出了未来镁锂合金强化方法的研究方向。

• 体心立方金属的变形孪生行为

  李习耀, 王江伟

  变形孪生作为重要的塑性变形机制之一,与金属材料的力学性能密切相关。体心立方金属的晶体中存在非平面位错核和本征不稳定层错,导致其变形孪生行为偏离了传统变形孪生理论。从体心立方金属独特的变形行为出发,详细讨论了变形的微观原因及其与变形孪生之间的密切联系,总结了变形孪生模式及孪晶形核和长大模型的研究进展,讨论了变形孪生对力学性能的影响,最后指出了体心立方金属变形孪生行为今后的主要研究方向。

• 颗粒增强铜基复合材料的研究现状与发展趋势

  郭新风, 贾磊, 吕振林, 谢辉, 近藤勝義

  铜及铜合金具有优异的导电、导热和延展性,但是较差的力学性能限制了其在工业领域中的进一步应用,而复合化被认为是提升其综合性能的有效途径之一。总结了颗粒增强铜基复合材料常见增强相的选择依据,综述了颗粒增强铜基复合材料的制备方法、影响其性能的关键因素以及性能调控措施,最后结合制备方法中存在的问题对未来研究方向提出了一些新思路。

• 激光熔覆高强韧铁基合金涂层的组织及其轴承滚道服役性能

  冯育磊, 冯悦峤, 冯凯, 李铸国

  采用激光熔覆技术在42CrMo钢表面制备出厚度超过3 mm的含硼高强韧铁基合金涂层(S1涂层),研究了该涂层的显微组织及其轴承滚道服役性能,并与商用高硬度M2涂层进行了对比。结果表明:S1涂层与基体之间结合良好,组织由马氏体基体相和岛状共晶强化相M3C型碳化物组成;S1涂层的平均硬度约为883 HV,是M2涂层的1.1倍。在许用接触应力试验中,S1涂层表面的压痕深度均小于滚动元件直径的10-4,表现出稳定且优异的抗塑性变形能力;S1涂层轴承心部的理论最大剪切应力为377.38 MPa,低于M2涂层轴承心部(392.03 MPa),远低于轴承材料的剪切屈服应力(459 MPa),表现出较好的静载荷承载能力。S1涂层的滚动接触疲劳寿命为2.66×107周次,是M2涂层的2倍。