机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2024年第11期

• 工程领域负刚度超材料的研究进展

  姜丽云, 刘峰

  负刚度超材料具有负刚度和多稳态特性,在缓冲吸能、微机构驱动、减振降噪和带隙调控等领域展现出巨大的应用潜力。从单胞结构形式和几何参数、单胞排列方式与数量、结构变形模式以及基材种类与制备工艺四个方面阐述了负刚度超材料的设计要点。总结了负刚度超材料在声学、汽车、航空航天、船舶工程、抗震减灾、微电子器件、工业机器人等领域的应用,并展望了负刚度超材料的发展趋势。

• 高温下碳纤维复合材料动态力学性能及相关失效准则的研究进展

  龚芹, 黄西成, 陈军红, 段裕熙

  研究碳纤维复合材料的动态力学行为及其失效准则对于理解其性能至关重要,可以更好地预测材料在极端条件下的表现,从而提高其在实际应用中的可靠性和安全性。从力学行为特性和失效准则着手,归纳和总结了碳纤维复合材料在高温下的动态力学性能,指出应变速率和温度对材料动态力学行为的影响是当前研究的重点与难点。总结了现有的复合材料失效准则,并讨论了这些准则的适用性差异。指出温度和应变速率耦合环境下的力学行为研究、相关失效准则建立和基于多尺度分析方法数值模拟是今后研究的重点。

• Cr2O3掺杂BS-PMS-PZT大功率压电陶瓷的电学性能及温度稳定性

  王加康, 王一平, 刘浩, 杨颖

  采用固相烧结法制备掺杂不同原子分数（0~0.8%）Cr2O3的0.05BiScO3-0.05Pb（Mn1/3Sb2/3）O3-0.9Pb（Zr0.45Ti0.55）O3陶瓷,研究了Cr2O3掺杂量对陶瓷微观结构、电学性能及温度稳定性的影响。结果表明：不同Cr2O3掺杂量陶瓷均为钙钛矿结构,未检测到杂相峰；随着Cr2O3掺杂量的增加,陶瓷的三方相逐渐出现且含量增加,四方相含量略有下降,平均晶粒尺寸不断增大,相对密度先增大后减小。随着Cr2O3掺杂量的增加,陶瓷的压电常数与机械品质因数均先升后降,介电损耗增大,机电耦合系数基本先增后减,居里温度降低；当Cr2O3原子分数为0.4%时,陶瓷的综合电学性能最佳,并且温度稳定性良好,从室温到260?℃,压电常数下降率仅为32%,低于DM-8型商用PZT-8改性压电陶瓷（53%）。

• 18CrNiMo7-6齿轮钢的动态再结晶和亚动态再结晶行为及其动力学模型

  张肖佩佩, 吴晓东, 周少荣

  在不同变形条件（变形温度1?000~1?150?℃、应变速率0.01~5?s?1、道次间隔时间5~30?s）下对18CrNiMo7-6齿轮钢进行单道次和双道次热压缩试验,研究了该钢的动态再结晶（DRX）和亚动态再结晶（MDRX）行为,建立了DRX和MDRX动力学模型,对不同变形条件下的DRX和MDRX体积分数进行预测,分析了预测精度。结果表明：在热变形过程中,该钢的DRX体积分数随着变形温度的升高和应变速率的降低而增大,MDRX体积分数随着变形温度和应变速率的提高以及道次间隔时间的延长而增大。构建的DRX和MDRX动力学模型预测精度较高,前者预测的DRX体积分数曲线与由流变曲线计算得到的结果的决定系数大于0.9,后者预测的MDRX体积分数与由2%应力补偿法获得的结果的平均相对误差为6.619%。通过Zener-Hollomon参数方程得到的DRX和MDRX激活能分别为47.381,291.802?kJ·mol?1·K?1。

• 铬添加量对Ti（C,N）基金属陶瓷组织和性能的影响

  陈宇聪, 谭健, 黄婷, 刘伟康, 黄莺莺, 吴炳昆, 姚振华

  以TiC、TiN、WC、钼粉、Cr3C2为硬质相原料,以镍粉和铬粉为黏结剂（添加总质量分数为25%,铬粉质量分数分别为0,2.5%,5.0%,7.5%）,采用真空烧结工艺制备Ti（C,N）基金属陶瓷,研究了铬添加量对该金属陶瓷显微组织、力学性能和抗氧化性能的影响。结果表明：添加不同含量铬的Ti（C,N）基金属陶瓷晶粒均为芯-环结构,芯相为Ti（C,N）,环形相为（Ti,W,Mo,Cr）（C,N）多元固溶体；随着铬添加量的增加,金属陶瓷晶粒尺寸明显变大,同时环形相的均匀性变差；随着铬添加量增加,金属陶瓷的硬度增加,抗弯强度降低,断裂韧度先升后降,当黏结相中铬质量分数为5.0%时综合力学性能最佳,抗弯强度、硬度和断裂韧度分别达到1?829?MPa、90.5?HRA和11.57?MPa·m1/2。当黏结相中铬质量分数为5.0%时,金属陶瓷的单位面积氧化质量增加量较未添加铬的低,在氧化过程中表面形成了含NiCr2O4和CrMoO4的致密氧化膜,有效阻碍了氧元素的进一步扩散,提升了基体的抗氧化性能。

• 多道焊接热循环对6082-T6铝合金接头热影响区显微组织及力学性能的影响

  王富义, 熊浩, 彭超, 闫冬, 詹腾, 徐从昌, 李落星

  采用ER5087铝合金焊丝在6082-T6铝合金板上进行四道双脉冲熔化极惰性气体保护堆焊,在焊接热影响区不同位置取样进行显微组织观察和力学性能测试,结合焊接温度场数值模拟研究了多道焊接热循环对热影响区不同位置显微组织及力学性能的影响。结果表明：根据试验测得的热影响区截面硬度变化和模拟得到的热影响区截面峰值温度变化规律,结合材料热处理工艺将6082-T6铝合金焊接接头热影响区按照距熔合线由远到近分为过时效区（A区）、严重过时效区（B区）和固溶区（C区）。随着焊接道次的增加,热影响区晶粒粗化,A区析出相发生β″相+β'相→β'相+U2相→β相+β'相+半溶解相→β'相+半溶解相转变；不同道次焊接后B区析出相基本呈半溶解状态,C区有序析出相完全溶解,析出大量GP区；随着焊接道次的增加,热影响区A区、B区的析出相逐渐粗化和溶解,C区的GP区数量减少。四道焊接后,热影响区整体力学性能下降,热影响区B区的软化现象最严重。热影响区软化的主要原因是析出相的演变而非晶粒的粗化。

• QT1100连续油管钢的抗液固两相流冲蚀性能

  崔璐, 杨栩卿, 李佳望, 李明峰, 常文权, 程嘉瑞

  采用含砂粒清水混合液（携砂液）对QT1100连续油管钢进行液固两相流冲蚀试验,研究了携砂液冲刷角度（15°,30°,45°,60°,75°,90°）、冲刷速度（2.4,7.2,12.0,16.9?m·s?1）、砂质量浓度（15,30,45,60,75?kg·m?3）、砂类型（尖角形天然石英砂、近圆形人工陶粒砂）和砂粒径（0.063~0.420?mm）对试验钢抗冲蚀性能的影响,分析了冲蚀损伤机理。结果表明：在试验参数下冲蚀后,试验钢均主要发生机械冲刷磨损,损伤机理均包括微切削和冲击挤压,其中小角度冲刷以微切削为主,大角度冲刷以冲击挤压为主。试验钢的冲蚀速率随着冲刷角度或砂粒径的增大先增大后减小,在45°冲刷角度或者0.15~0.18?mm粒径天然石英砂条件下试验钢的冲蚀损伤最大；冲蚀速率随着冲刷速度增大而增大,随着砂质量浓度增加先增大,当砂质量浓度为60?kg·m?3时减小,随后快速增大；相较于近圆形人工陶粒砂,尖角形天然石英砂的冲蚀速率更大,对试验钢的冲蚀磨损更严重。

• 工艺参数对热丝脉冲TIG堆焊Inconel 625合金成形性能及组织的影响

  蔡军, 陈成

  采用热丝脉冲非熔化极惰性气体保护焊（TIG）在低电流（峰值/基值电流为160?A/95?A）和不同焊接速度（220~300?mm·min?1）下于AISI 4130钢表面制备Inconel 625合金堆焊层,研究了焊接电流与焊接速度对堆焊层成形性能及显微组织的影响,并与高电流（峰值/基值电流为190?A/110?A）条件下进行对比。结果表明：随着焊接速度的增加,低电流下堆焊层的宽度和熔深降低,高度以及熔深与高度之比先降后升；低电流下堆焊层的宽度、熔深及熔深与高度之比低于高电流下,高度则高于高电流下。低电流、低焊接速度可获得窄且高,稀释率低的堆焊层。低电流下堆焊层截面近表面和远离熔池底部主要形成胞状晶、胞状树枝晶,熔池底部以平面晶为主；随着焊接速度的降低,平面晶区扩大,近表面晶粒向柱状晶或胞状树枝晶发展,远离熔池底部的晶粒向胞状晶发展。在峰值/基值电流160?A/95?A、焊接速度240?mm·min?1和搭接率30%条件下制备的3层10道堆焊层连续致密,显微硬度在（280±20）HV,堆焊后还需进行退火处理以降低硬度。

• 不同冶炼工艺生产H13钢中非金属夹杂物特征及其对力学性能的影响

  邸英南, 马党参, 周健, 迟宏宵, 谷金波

  采用真空感应+真空自耗（VIM+VAR）、电弧炉+炉外精炼+真空脱气+保护气氛电渣重熔（EAF+LF+VD+PESR）、EAF+LF+VD以及EAF+LF+VD+电渣重熔（ESR）等4种工艺冶炼H13热作模具钢,并进行高温扩散、轧制、奥氏体化和回火处理,研究了不同冶炼工艺生产H13钢中非金属夹杂物特征及其对力学性能的影响。结果表明：4种冶炼工艺生产的试验钢回火组织均为回火马氏体+未溶碳化物+析出碳化物；VIM+VAR工艺生产的试验钢中非金属夹杂物含量最少且尺寸较小,该钢的洁净度较高,力学性能最佳；EAF+LF+VD工艺生产的试验钢中非金属夹杂物含量最高且尺寸大,其碳化物质点易发生破碎,该钢的塑性最低。细小且数量少的非金属夹杂物在拉伸过程中不易作为裂纹源加速材料断裂,因此较高的洁净度可以提高H13钢的力学性能。

• 等通道转角挤压变形超细晶纯铜的组织与性能

  唐环, 王晓溪, 张翔, 佟鑫龙, 张飞, 崔海涛

  在室温下采用BC路径（每道次挤压时将试样绕其轴线沿同一方向旋转90°）对T2纯铜进行4道次等通道转角挤压（ECAP）,研究了不同道次ECAP变形前后纯铜的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能。结果表明：经过1道次ECAP变形后,纯铜内部形成粗大的条带状组织,与剪切应力方向呈30°~45°；经过4道次ECAP变形后,纯铜晶粒发生显著破碎与细化,出现了大量的超细等轴晶组织,平均晶粒尺寸约为0.96?μm；4道次ECAP变形后纯铜的显微硬度与抗拉强度较未变形显著提高,增幅分别为43.8%和51.5%；随着ECAP道次的增加,纯铜的溶液电阻、电荷转移电阻和极化电阻均增大,开路电位和自腐蚀电位均升高,自腐蚀电流密度减小,耐腐蚀性能提升。

• 冷轧和退火对压延铜箔残余应力和力学性能的影响

  张健宇, 吴婷, 李荣平, 柴胜利, 刘伟

  对150?μm厚铜箔母材进行4道次可逆冷轧,轧制至35?μm厚,再在180?℃下进行1?h退火处理,研究了冷轧和退火对压延铜箔显微组织、表面残余应力以及力学性能的影响。结果表明：经过冷轧处理后,铜箔的晶粒明显细化,平均晶粒尺寸减小至5.7?μm,织构由退火织构转变为形变织构；经退火处理后,平均晶粒尺寸增大至9.4?μm,织构恢复为退火织构。冷轧后铜箔的表面残余应力急剧增加至543.02?MPa,硬度增加,平均耐弯折疲劳寿命延长,平行于轧制方向（RD）的抗拉强度提高,而断后伸长率和TD面（TD为轧板横向)的表面粗糙度下降。经退火处理后,铜箔的表面残余应力恢复至237.47?MPa,硬度降低,TD面的表面粗糙度稍微增加,抗拉强度降低和断后伸长率有所提高,平均耐弯折疲劳寿命进一步延长。

• 成形试样形状和尺寸对激光选区熔化成形钛合金残余应力的影响

  张杰, 刘川, 胡全栋, 刘琦, 李怀学, 徐建成

  以TC4钛合金粉末为原料,采用激光选区熔化（SLM）方法直接成形直径16?mm的柱状试样,平行段直径7?mm、夹持段直径16?mm的疲劳试样以及厚度分别为10,22?mm的板状试样等4种形状与尺寸的试样,采用轮廓法测试了试样的z向（成形方向）残余应力,分析了试样形状和尺寸对残余应力的影响。结果表明：SLM成形试样内部残余应力为压应力,表层为拉应力,残余压应力分布形状与试样切割截面形状类似,分别呈近圆形和近矩形；与22?mm厚板状试样相比,10?mm厚板状试样厚度方向中心线上的内部压应力分布跨度及幅值低,宽度方向中心线上的内部压应力分布跨度不变,压应力峰值降低近1/2。SLM成形试样的内部压应力分布和幅值受试样形状和尺寸的影响较大,归因于不同形状和尺寸试样成形时的拘束度不同。

• 阻垢剂和CO2对J55钢在油田模拟采出水中腐蚀行为的影响

  张立原, 宋洋, 胡天宝, 袁梦瑶, 王映超, 王锴, 刘黎明, 王叙乔, 李斌, 丁恺, 魏巍

  通过浸泡腐蚀和电化学腐蚀测试,研究了J55钢在不含阻垢剂和CO2、只含CO2、只含阻垢剂和同时含阻垢剂和CO2条件下的油田模拟采出水中的均匀腐蚀和点腐蚀行为。结果表明：在不含阻垢剂和CO2条件下,J55钢的均匀腐蚀速率较低,最大点蚀速率最高；相较于不含阻垢剂和CO2条件,只含CO2条件下该钢的均匀腐蚀速率升高,但最大点蚀速率降低,只含阻垢剂条件下该钢的均匀腐蚀速率和最大点蚀速率均降低；在同时含CO2和阻垢剂条件下,该钢的均匀腐蚀速率最高,最大点蚀速率较不含阻垢剂和CO2条件有所降低。当体系中存在CO2时,该钢表面主要生成CaCO3或CaMg（CO3）2结垢物。同时含CO2和阻垢剂条件下,阻垢剂能抑制结垢过程,改变腐蚀产物膜和结垢物的结构,失去对基体的保护作用。

• Al-Si-Cu-Ni钎料成分和钎焊温度对高硅铝合金/可伐合金钎焊接头性能的影响

  邱玉洁, 牛济泰, 杨环宇, 木二珍

  采用甩带工艺制备Al-7.5Si-23Cu-xNi（x取0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,质量分数/%）箔状钎料,研究了镍含量对钎料组织和性能的影响；利用性能最好的钎料对CE11高硅铝合金和4J29可伐合金进行真空钎焊,分析了钎焊温度（560~600?℃）对接头组织、抗剪强度及气密性的影响。结果表明：随着镍含量的增加,钎料的液/固相线变化较小,熔化温度区间较稳定,铸态钎料局部共晶组织增多,柱状晶变粗大,断裂应变和接头的抗剪强度均先升高后降低；当镍质量分数为2.0%时,钎料的熔化温度区间最小,熔点最低,组织均匀,共晶相较多且弥散分布,钎料的韧性和焊接性能最好。当钎焊温度低于570?℃时,Al-7.5Si-23Cu-2.0Ni钎料熔化不完全,与母材结合较差；当钎焊温度高于570?℃时,钎料与母材间的元素互扩散剧烈,造成硅相聚集,焊缝中出现裂纹。随着钎焊温度的升高,接头的抗剪强度先升后降,焊后泄漏率先降后升。最佳钎焊温度为570?℃,此时焊缝与两侧母材结合紧密,元素扩散均匀,接头的抗剪强度最大,气密性最好。

• 基于多温度SDFF模型的反应堆压力容器钢韧脆转变区韧性评价

  李国强, 俞海兵, 巫元俊

  采用最大似然估计法对局部断裂失效概率（SDFF）模型的参数标定进行改进,建立可通过不同温度下的断裂韧性试验数据标定模型参数的多温度SDFF模型,使用由反应堆压力容器（RPV）钢制成的1英寸（25.4 mm)厚紧凑拉伸试样（1T CT试样）和0.5英寸厚紧凑拉伸试样（0.5T CT试样）的低温断裂韧性试验结果求解模型参数,预测了这2种试样的韧脆转变温度,并对二者的断裂韧度下边界曲线进行了分析。结果表明：多温度SDFF模型计算得到的0.5T CT试样和1T CT试样的韧脆转变温度分别在?81?℃和?64?℃,与试验结果吻合良好,相对误差在6%左右；在温度?90~20?℃下所测断裂韧度数据均落在失效概率5%包络线至95%包络线内,该模型在?90?℃至常温范围内对不同尺寸的试样均具有良好的适应性。采用0.5T CT试样对材料韧脆转变区断裂韧性进行分析时,以其多温度SDFF模型5%断裂失效概率曲线作为断裂韧度下边界曲线能够涵盖0.5T CT试样和1T CT试样的所有试验数据,且裕量较小,以1%断裂失效概率曲线为断裂韧度下边界曲线的裕量较大。

• 考虑侧壁热源的摇动电弧窄间隙GMA焊接温度场有限元模拟

  吴叶军, 胥国祥, 王加友, 陈保国

  基于新型摇动电弧窄间隙熔化极气体保护（GMA）焊的电弧偏转现象,将在侧壁停留时的电弧热源分解为电弧分热源和侧壁热源,建立了考虑侧壁热源的热源模型,采用ANSYS软件建立新型摇动电弧窄间隙GMA焊的有限元模型,对考虑侧壁热源和未考虑侧壁热源时焊接接头横截面熔合线轮廓以及热循环曲线进行模拟,并进行试验验证；采用有限元模拟方法研究了考虑侧壁热源时摇动电弧窄间隙GMA焊接过程中的温度场,并与未考虑侧壁热源时的温度场进行对比。结果表明：模拟得到考虑侧壁热源时焊缝横截面左右两侧壁熔合线最高点的深度与试验结果间的差值小于未考虑侧壁热源时；考虑与不考虑侧壁热源2种条件下,焊接接头不同测试点的热循环模拟曲线的变化趋势与试验结果基本吻合,峰值温度的最大相对误差分别为1.8%和3.4%。考虑侧壁热源的热源模型能更加准确地描述摇动电弧窄间隙GMA焊过程中的热源分布特征。考虑侧壁热源模拟得到的底部熔深略小于未考虑侧壁热源时,而侧壁熔深则略大,但尺寸变化均小于0.1?mm；温度场稳定前,考虑侧壁热源时熔池的形成规律与不考虑侧壁热源的基本一致,但接头上表面的熔池尺寸略小,而温度场稳定后,接头上表面的熔池尺寸也基本一致。

• 基于响应面法和BP神经网络的7050铝合金腐蚀疲劳寿命预测及对比

  汲高飞, 李志鹏, 宋贤海

  对7050铝合金依次进行腐蚀和疲劳试验,获得了腐蚀后合金的疲劳寿命；分别利用响应面法和BP神经网络得到腐蚀时间、NaCl溶液浓度、加载频率、最大应力与腐蚀疲劳寿命之间的映射关系,并对该合金进行腐蚀疲劳寿命预测,比较了两种模型的预测误差。结果表明：在不同载荷条件下,两种模型的可靠性均较好,响应面模型和BP神经网络模型预测得到的腐蚀后合金的对数疲劳寿命与试验值的均方根误差分别为0.071?0,0.068?3,决定系数分别为0.951?9,0.998?0；BP神经网络模型的预测精度优于响应面模型。