机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2024年第12期

• 电子封装用环氧树脂基复合材料的研究进展

  陈小文, 姜涛, 李文戈

  环氧树脂作为应用最广泛的塑料基电子封装材料,低导热性限制了其在电子封装领域的应用,而通过树脂的改性和高导热填料的加入可以有效提高环氧树脂的导热性能。概述了环氧树脂基复合材料的种类及研究进展,介绍了电子封装对环氧树脂基复合材料的多种性能要求,包括高导热性能、绝缘性能、低介电性能以及阻燃性能等,对具备不同性能环氧树脂基复合材料的改性方法进行了综述。最后,对电子封装用环氧树脂基复合材料今后的发展方向进行了展望。

• 中锰钢组织、热处理工艺和性能的研究现状

  柴金荣

  中锰钢是在高锰钢的基础上通过适当降低锰含量而研制的第三代高强钢,具有良好的韧性和较高的强度,在磨料磨损、冲击磨料磨损、滑动摩擦磨损、滑动-腐蚀磨损等工况下均表现出良好的耐磨性能。对中锰钢的化学成分、显微组织、热处理工艺、力学性能和耐磨性能等方面的研究进展进行了综述,指出今后应从中锰钢显微组织调控、工业化生产和颗粒增强中锰钢基复合材料等方向进行重点研究。

• 退火温度对Fe-0.4C-2Mn-4Al高强钢组织与拉伸性能的影响

  马晓杰, 樊伟, 冯运莉, 李杰

  通过真空感应炉熔炼、热轧、冷轧和退火工艺制备Fe-0.4C-2Mn-4Al高强钢,研究了退火温度（650,700,750,800?℃）对其显微组织和拉伸性能的影响。结果表明：不同温度退火后试验钢的组织与热轧和冷轧态试验钢基本相同,均由δ-铁素体、α-铁素体、渗碳体以及细小的κ型碳化物组成；随着退火温度的升高,δ-铁素体条带逐渐消失,再结晶程度增加,α-铁素体晶粒尺寸增大,碳化物数量减少；750?℃退火后α-铁素体与渗碳体的分布最为均匀。不同温度退火态试验钢的拉伸曲线均未见明显的屈服平台,说明试验钢发生连续均匀的塑性变形；随着退火温度的升高,试验钢的抗拉强度、屈服强度整体呈降低趋势,断后伸长率呈增大趋势。当退火温度为750?℃时,试验钢的强塑积最大,为14.28?GPa·%,加工硬化能力最好,综合性能最好。

• 固溶温度对TC16钛合金显微组织与冲击韧性的影响

  张明玉, 张天蔚, 岳旭

  分别在两相区温度（840,860?℃）与单相区温度（880?℃）下对TC16钛合金进行2?h固溶处理,再进行560?℃×8?h时效处理,研究了固溶温度对固溶态和时效态合金显微组织、物相组成和冲击韧性的影响。结果表明：经固溶处理后TC16钛合金组织主要由α相与α"相组成,再经时效处理后,主要由α相和β相组成；固溶温度的升高使固溶态合金中的初生α相含量降低,等轴化程度增加,针状α相和α"相含量增加,当固溶温度升高到880?℃时,初生α相完全消失；再经时效处理后,组织中形成大量针状次生α相,且次生α相含量随固溶温度的升高而增加,而初生α相含量和尺寸与固溶态相比无明显变化。随着固溶温度的升高,固溶处理后合金的冲击吸收能量和冲击韧性值增加；经时效处理后,二者相比于固溶态均减小,且随固溶温度升高而不断降低；随着固溶温度的升高,冲击断口中韧窝数量减少,当固溶温度为880?℃时,冲击断口主要由解理面组成；再经时效处理后,断口中出现较多二次裂纹,随着固溶温度的升高,二次裂纹数量增加。

• CeO2添加量对粉末渗锌层耐磨性能和耐腐蚀性能的影响

  顾建, 李冬青, 刘胜春, 齐翼

  在由锌粉、氯化铵粉和氧化铝粉组成的渗锌剂中添加质量分数分别为2%,4%,6%和8%的CeO2粉,采用粉末包埋渗锌法在440?℃保温5?h条件下对Q235B钢板进行渗锌处理,研究了CeO2添加量对渗锌层显微组织、摩擦磨损性能和耐电化学腐蚀性能的影响。结果表明：不同CeO2添加量下的渗锌层均存在少量竖裂纹,随着CeO2添加量的增加,裂纹减少且变细,但当CeO2添加量超过4%（质量分数,下同）时,裂纹变多且变粗,4% CeO2添加量下的渗锌层结构最致密,裂纹最少且最细,质量最好；渗锌层表面主要为FeZn15相,CeO2添加量的增加使得FeZn8.87相和Fe3Zn10相的含量增加。随着CeO2添加量的增加,渗锌层的显微硬度增大,但过量的CeO2会导致硬度分布不均匀,4% CeO2添加量下的硬度分布最均匀。随着CeO2添加量的增加,渗锌层的平均摩擦因数和磨损质量损失均先减小后增加,磨损机制均以黏着磨损为主,同时存在轻微氧化磨损和磨粒磨损；4% CeO2添加量下的平均摩擦因数和磨损质量损失均最小,黏着磨损程度最轻,耐磨性能最好。随着CeO2添加量的增加,渗锌层的自腐蚀电流密度先增后减再增,电容弧半径先减后增再减,6% CeO2添加量下的自腐蚀电流密度最小,电容弧半径最大,耐腐蚀性能最好。

• 激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金薄壁件显微组织与拉伸性能的均匀性

  邵建波, 任治倪, 荣婷, 徐迪, 卢林, 尚晓晴, 李明亮

  利用激光选区熔化技术制备了Al-Mg-Sc-Zr合金薄壁件,研究了薄壁件显微组织与拉伸性能的均匀性,分析了拉伸过程中空洞形核与生长行为。结果表明：薄壁件底部与顶部区域的显微组织均呈由柱状粗晶和等轴状细晶构成的典型双峰组织特征,粗晶〈100〉晶向平行于沉积方向,细晶近似随机取向,气孔等微缺陷尺寸与分布相似；平行于和垂直于成形方向拉伸时薄壁件不同区域的应力随应变的变化趋势相近,垂直于成形方向拉伸时薄壁件的强度和断后伸长率略高于平行于成形方向拉伸时,但提高了不到5%,拉伸性能近似各向同性；拉伸变形过程中的空洞更倾向于在细晶区域形核与长大。

• 国产EA4T钢车轴调质热处理工艺的制定

  靳炜, 朱小超, 梁博

  选择规格?280?mm的国产EA4T钢大尺寸毛坯作为等效车轴,对其进行900?℃×5?h水淬以及不同温度（595,610,650?℃）保温6?h水冷回火的调质热处理预试验,对车轴表层、1/2半径处和心部的显微组织和力学性能进行分析,获得合适的调质热处理工艺,并应用于国产?256?mm EA4T钢车轴的现场验证。结果表明：595?℃水冷回火后等效车轴不同位置以及610?℃水冷回火后表层的抗拉强度均略高于EN?13261：2009标准要求,650?℃水冷回火后的强度、断后伸长率、断面收缩率以及纵向与横向冲击韧性均符合EN?13261：2009标准要求,组织也基本为回火马氏体/贝氏体。确定EA4T车轴钢的调质热处理工艺为900?℃×5?h水淬和650?℃×6?h水冷回火。采用上述工艺对?256?mm EA4T钢车轴进行热处理后,其表层、1/2半径处和心部的力学性能和显微组织均符合EN?13261：2009标准要求,不同位置取样拉伸后均发生韧性断裂,断口均由纤维区和剪切唇组成,纤维区呈韧窝形貌。

• Cr-Mo-B系NM500耐磨钢的制备及热处理工艺优化

  于涛, 关勇, 王川, 范明达, 甄新刚

  在Cr-Mo-B系NM450钢成分基础上调整合金元素含量,采用洁净钢生产技术和轧制工艺制备20?mm厚NM500耐磨钢板,并进行淬火和回火处理,研究了不同淬火温度（880,900,920?℃）和回火温度（200,250,300,350,400?℃）下试验钢的显微组织与性能,获得最佳的热处理工艺。结果表明：随着淬火温度升高,试验钢组织中未溶铁素体减少,奥氏体晶粒尺寸先减小后略微增大,抗拉强度、?20?℃冲击吸收能量与表面硬度均增大,而断后伸长率降低；除了880?℃淬火后的表面硬度不满足标准要求,其他条件下淬火态试验钢的力学性能均满足标准要求。920?℃淬火后随着回火温度升高,马氏体分解加速,基体中固溶碳含量减少,碳化物增多,强度整体呈降低趋势,断后伸长率先降后增再降,?20?℃冲击吸收能量和表面硬度均降低；弯曲试验后仅200?℃回火试样未发生断裂且表面无微裂纹产生,200?℃回火后的磨损质量损失明显小于400?℃回火后。920?℃淬火+200?℃回火后,试验钢的综合力学性能最优,表面硬度为496?HBW,抗拉强度为1?552?MPa,断后伸长率为15.0%,?20?℃冲击吸收能量为46 J,180°冷弯性能合格,均达到GB/T 24186—2022标准要求。

• 不同含量原位自生TiB2颗粒增强ZL114A铝基复合材料的组织与性能

  李帅奇, 高增, 刘闪光, 金西伟, 张震, 牛济泰

  以ZL114A合金为基体,采用混合盐反应法制备不同质量分数（3%,6%,9%）原位自生TiB2颗粒增强ZL114A铝基复合材料,研究了复合材料的组织和拉伸性能,并分析TiB2在基体中的生长机制。结果表明：复合材料的主要物相均为铝相、硅相和TiB2相,说明成功制备了原位自生TiB2颗粒增强ZL114A铝基复合材料；随着TiB2含量的增加,基体晶粒细化且出现球化,共晶硅明显细化且其形貌由粗大长条状变为短棒状；原位生成的TiB2颗粒使得复合材料的强度和塑性均得到提高,断裂形式由ZL114合金的脆性断裂转变为韧脆混合断裂；随着TiB2含量的增加,抗拉强度和断后伸长率均先升高后降低,当TiB2质量分数为6%时达到最大,分别为237.4?MPa,6.7%；在制备复合材料过程中基体中先析出TiB2近球形核心,随着球形核心的长大,其表面形成小平面,最终形成六棱台组合体的典型TiB2形貌。

• 激光熔化沉积AlSi10Mg铝合金修复层的组织与性能

  董逸君, 王勇刚, 李东亚, 许淑红, 邱瑾阳

  采用激光熔化沉积AlSi10Mg铝合金涂层对6061铝合金进行修复,研究了激光功率（1?200~2?000?W）和扫描速度（8~16?mm·s?1）对修复层相对密度的影响,分析了致密性最好的修复层的物相组成、显微组织、残余应力、显微硬度及拉伸性能。结果表明：随着激光功率或扫描速度的增加,修复层的相对密度均基本呈先增加后减小的趋势,当激光功率为1?800?W、扫描速度为12?mm·s?1时,相对密度最高,为99.57%。修复层包含粗枝晶区域和细枝晶区域,显微组织为胞状共晶组织,由柱状枝晶和等轴枝晶组成；共晶硅相离散分布在α-Al相基体中,同时还存在少量Mg2Si沉淀相。修复层的显微硬度在96~136?HV,高于6061铝合金基体,残余拉应力为83~116?MPa；修复试样拉伸断裂位置为修复区域,抗拉强度达到了基体的98.4%,断后伸长率与基体相当,断口表面存在韧窝、解理面、孔洞等特性,断裂机理为韧脆混合断裂。

• 2017铝合金/2A12铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和性能

  百志好, 王永奇, 王晨, 徐旭, 周东帅, 王健, 陈羿帆, 杨磊峰

  在不同焊接速度（80,100,120?mm·min?1）和主轴转速（750,1?000,1?250?r·min?1）下对5?mm厚的2A12铝合金板和2017铝合金板进行搅拌摩擦焊接,研究了不同工艺参数下接头的组织和力学性能。结果表明：不同焊接速度和主轴转速下2017铝合金/2A12铝合金搅拌摩擦焊接头均未见明显宏观缺陷,均由焊核区、热机影响区、热影响区和母材组成。焊核区中2017铝合金和2A12铝合金组织交替分布,晶粒均为细小等轴晶,2A12铝合金侧（后退侧）热机影响区存在大量粗大且不规则的变形晶粒和少量回复再结晶晶粒,热影响区的变形晶粒更加粗大且较为规则。焊核区2017铝合金的晶粒尺寸小于2A12铝合金,随着焊接速度或主轴转速的增加,2种铝合金的晶粒尺寸均增大。不同工艺参数下接头的截面硬度整体呈“W”形分布,接头的最低硬度区以及拉伸断裂位置均位于2017铝合金侧的热影响区。当主轴转速为750,1?250 r·min?1时,不同焊接速度下接头的抗拉强度分别约为390,350?MPa,而当主轴转速为1?000 r·min?1时,抗拉强度均大于390?MPa。当主轴转速为1?000?r·min?1,焊接速度为100?mm·min?1时,接头的抗拉强度最高,为2017铝合金母材的80%,断后伸长率最大,接头的断裂类型为韧性断裂。

• 新型低合金球墨铸铁在油润滑条件下的摩擦磨损性能

  吕献丰, 王立波, 王雨霏, 刘国兵, 张建涛, 肖志瑜

  在现有QT600-3铸铁中添加质量分数0.5%铬和0.01%铋元素后,采用熔炼铸造成型方法制备了一种低合金球墨铸铁,研究了该球墨铸铁的显微组织以及在油润滑条件下不同载荷（400,800,1?200?N）和不同磨损时间（3,6,9,12?h）下的摩擦磨损性能,并与QT600-3铸铁和合金灰口铸铁进行对比。结果表明：低合金球墨铸铁的组织由石墨、马氏体和碳化物组成,石墨呈球形,相对于QT600-3铸铁的石墨球更加细小,数量更多,形状更圆整；低合金球墨铸铁的碳化物含量高于合金灰口铸铁和QT600-3铸铁。低合金球墨铸铁的体积磨损率随着载荷的增加而增大,随着磨损时间的延长呈先增后降再增的趋势；在载荷1?200?N、磨损时间12?h条件下低合金球墨铸铁的体积磨损率为10.7×10?13·mm3·N?1·m?1,与合金灰口铸铁和QT600-3铸铁相比分别降低25%和78%,具有最好的耐磨性能；低合金球墨铸铁的磨损机制主要为磨粒磨损,组织中大量细小的碳化物可抵抗犁沟的扩展,减轻磨粒磨损程度,同时较高球形度的石墨球可降低材料剥落和开裂的可能。

• 磁流变液剪切屈服应力模型的建立

  余龙, 陈飞, 李昊鹏

  基于磁偶极子理论和相邻链之间的影响,建立磁流变液的双链偶极子微观结构模型,从磁偶极子能量的角度推导了磁流变液的剪切屈服应力方程,采用双链偶极子模型模拟得到剪切角对剪切力的影响；采用双链偶极子模型计算不同质量分数（40%~70%）羰基铁粉磁流变液的剪切屈服应力,分析了磁性颗粒质量分数对磁流变液剪切屈服应力的影响,并与单链偶极子模型计算结果和试验结果进行对比。结果表明：采用双链偶极子模型模拟得到磁流变液的剪切力随着剪切角的增大基本呈先增后减的趋势,在剪切角为15°时达到最大；由单链偶极子模型、双链偶极子模型计算和试验得到的磁流变液剪切屈服应力均随羰基铁粉质量分数的增加而增大,单链偶极子模型和双链偶极子模型计算结果的平均相对误差分别为97.51%和29.58%,双链偶极子模型能较准确地模拟计算磁流变液在工作磁场下的剪切屈服应力。

• 最小作用量原理对极小曲面点阵结构性能的影响

  马翔宇, 李洋, 李媛, 罗天洪

  建立了曲面面积及其曲率的数学模型,讨论了最小作用量原理与极小曲面之间的关系,设计了体心立方（BCC）构型下体积分数分别为20%,30%的极小曲面点阵结构,以Ti-6Al-4V合金粉末为原料采用激光选区熔化成形极小曲面点阵结构和传统点阵结构,研究了最小作用量原理对其表面积、曲率特征和力学性能的影响,并利用十字架（cross-cube）构型下的极小曲面点阵结构进行进一步验证。结果表明：极小曲面的平均曲率为0,遵循最小作用量原理；在BCC构型下与传统点阵结构相比,极小曲面点阵结构的表面曲率分布更集中,表面积均更小,刚度、弹性变形阶段的能量吸收和弹性极限更大；cross-cube构型下的极小曲面点阵结构相较于传统点阵结构,其表面积也减小,弹性模量增大。相同拓扑构型下与传统点阵结构相比,极小曲面点阵结构的力学性能更优异是因为极小曲面遵循最小作用量原理,极小曲面点阵结构的表面积更小,表面曲率分布更集中,从而缓解了节点处的应力集中现象。

• 基于机器学习的GH4169合金Johnson-Cook本构参数反演方法

  钱迪鑫, 王立人, 夏春明

  采用拉丁超立方采样方法对基于文献的GH4169合金Johnson-Cook（J-C）本构参数空间进行均匀采样,利用有限元模拟输出对应参数组合的应力-应变曲线。以模拟应力-应变曲线数据为输入,J-C本构参数为输出,采用前向神经网络（FNN）模型、随机森林（RF）模型、循环神经网络（RNN）模型进行训练,并对模型进行贝叶斯超参数优化,通过测试集的决定系数R2对3种模型的参数反演能力进行对比；以试验获得的应力-应变曲线数据为输入,利用训练后的机器学习模型输出对应的J-C本构参数,再通过有限元模拟生成应力-应变曲线,并与试验结果进行对比。结果表明：FNN模型、RF模型和RNN模型测试集的R2分别为0.847,0.499,0.741,FNN模型的表现最佳,而RF模型的表现最差,不适用于GH4169合金J-C本构参数的反演；采用FNN模型反演J-C本构参数预测得到850~1?050?℃下GH4169合金的压缩应力-应变曲线与试验曲线更加吻合,平均相对误差比采用RNN模型反演J-C本构参数和由试验曲线拟合本构参数预测得到的曲线分别低约11.9%和2.1%,验证了机器学习方法在反演GH4169合金J-C本构参数上的有效性。

• 不同参数三周期极小曲面夹层结构三点弯曲性能的有限元模拟

  吴耀中, 王亚辉, 李学鹏, 齐旭, 王华伟

  建立了Primitive型三周期极小曲面（P-TPMS）夹层结构三点弯曲的有限元模型,通过三点弯曲试验进行了验证；采用该有限元模型研究了胞元长度（8,12,24?mm）、P-TPMS结构相对密度（0.15,0.20,0.25）、面板厚度（1.5,2.0,2.5?mm）等结构参数对夹层结构极限载荷和弯曲刚度的影响。结果表明：模拟得到的夹层结构的力-位移曲线整体变化趋势与试验结果基本吻合,极限载荷的相对误差为5.7%,验证了有限元模型的准确性。随着胞元长度的增加,夹层结构的极限载荷呈先升后降的趋势,当胞元长度为12?mm时极限载荷最大,较胞元长度为24?mm提高9.2%,弯曲刚度减小,胞元长度为8?mm的弯曲刚度较胞元长度为24?mm提高23.9%；随着P-TPMS结构相对密度或面板厚度的增加,夹层结构的极限载荷和弯曲刚度均增大,P-TPMS结构相对密度为0.25的极限载荷和弯曲刚度较相对密度为0.15分别提高91.4%和78.1%,面板厚度为2.5?mm的极限载荷和弯曲刚度较面板厚度为1.5?mm分别提高34.0%和38.7%。

• GH4169合金的中温应力松弛行为与蠕变本构方程的修正

  马琴, 喻文浩, 柴怡君, 杨雄伟, 李跃明

  对GH4169合金开展了温度为450~550?℃、时间为600?h、初始应力为800?MPa的应力松弛试验,分析了其应力松弛行为,利用三次延迟函数拟合出应力与时间的关系；引入槛应力对Arrhenius蠕变本构模型进行修正,采用未修正和修正后的模型模拟了应力松弛曲线,并与试验结果进行对比。结果表明：GH4169合金在应力松弛试验后的剩余应力随温度的升高呈先减小后增大的趋势,450,500,550?℃下的应力松弛量分别约为12,18,15?MPa。构建的三次延迟函数可以准确描述GH4169合金应力与时间的关系,拟合相关系数均大于0.999。基于引入槛应力修正的Arrhenius模型模拟得到的GH4169合金中温应力松弛曲线与试验结果吻合较好,最大相对误差为0.02%,而基于未修正Arrhenius模型模拟得到的500?℃和550?℃应力松弛结曲线与试验结果偏差较大,最大相对误差为0.1%。修正Arrhenius模型可以更好地预测GH4169合金的中温应力松弛行为。

• 2219铝合金的平面应变压缩变形行为及本构方程

  覃秋慧, 刘胜胆, 唐建国, 何克准, 贾桂龙, 张航

  通过平面应变压缩试验获得2219铝合金在变形温度320~480?℃、应变速率0.1~10?s?1、最大真应变1.2条件下的压缩变形行为；基于试验得到的真应力-真应变数据和Arrhenius双曲正弦模型,分别建立峰值应力本构方程和应变补偿本构方程,获得合金的热变形激活能和应力指数,分析合金的变形机制。结果表明：在平面应变压缩过程中,合金的流变应力先迅速升高,达到峰值应力后稍有下降,最后趋于稳定；流变应力随变形温度的升高或应变速率的降低而降低。峰值应力本构方程预测的真应力与试验值的最大相对误差为4.57%；应变补偿的本构方程预测得到的真应力与试验值的平均绝对相对误差为2.62%,线性相关系数为0.995?3。建立的本构方程都能够准确预测2219铝合金在平面应变压缩变形过程中的流变应力。在整个变形过程中热变形激活能范围为135.138~145.410?kJ·mol?1,应力指数范围为5.920~6.930,表明变形时合金主要的扩散机制为晶格扩散,主要的变形机制为位错攀移。