机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2024年第1期

• 铋酸盐封接玻璃的研究及其连接应用现状

  牛济泰, 董文伟, 高增, 邱得超

  无铅低温封接玻璃由于具有绿色安全、成本低、封接温度低等优势,被广泛应用于航空航天、电真空、集成电路等领域。在磷酸盐、钒酸盐、硼酸盐和铋酸盐等多种封接玻璃体系中,因铋与铅具有相似的性质特点,使得铋酸盐玻璃成为最有可能替代铅酸盐玻璃的绿色玻璃钎料。综述了铋酸盐玻璃的成分和性能调控、网络结构的研究现状,介绍了目前使用铋酸盐封接玻璃进行金属、陶瓷同质/异质材料连接的研究进展,最后对未来的发展趋势进行了展望。

• 钼含量和均匀化处理冷却方式对β型Ti-Mo合金中点缺陷弛豫的影响

  周正存, 朱晓斌, 王幸福

  采用真空电弧熔炼制备β型Ti-xMo(x为质量分数/%,3~24)合金,并进行950 ℃×20 min均匀化处理,随后分别水冷和炉冷至室温,通过内耗测试结合物相和微观结构分析,研究了钼含量和冷却方式对该合金点缺陷弛豫的影响。结果表明：炉冷和水冷Ti-xMo合金中均出现2个Snoek型驰豫峰,炉冷Ti-xMo合金的弛豫峰随钼含量的变化特征与水冷合金相似。2种冷却方式下Ti-xMo合金在加热时的低温峰峰高随钼含量的增加而增大,但峰温几乎不变,峰高的增大与β相和间隙氧原子含量的增多有关；除Ti-3Mo合金外,其余合金高温峰的峰高和峰温都随钼含量增加而增大,峰高和峰温的增大与钼和氧的相互作用增强有关。

• 轧制变形量对15Cr氧化物弥散强化钢显微组织与力学性能的影响

  谢锐, 吕铮, 王晴, 陈剑波, 刘春明

  采用热等静压工艺制备了15Cr氧化物弥散强化(15Cr-ODS)钢并对其进行轧制,研究了轧制变形量(0,30%,50%,70%)对试验钢显微组织与力学性能的影响。结果表明：轧制可以提高试验钢的密度,但变形量对密度无明显影响；随轧制变形量增加,试验钢晶粒细化,组织各向异性更加显著,析出相尺寸变大,分布密度降低；轧制后试验钢的显微硬度、室温至600 ℃的抗拉强度和断后伸长率均提高；随轧制变形量增加,显微硬度增加,但抗拉强度无明显变化。

• 间断直流磁场对Al-5Mg-3Zn-1Cu合金凝固组织和性能的影响

  曾麟添, 周全, 陈乐平, 刘武平, 刘厚清

  对Al-5Mg-3Zn-1Cu合金的凝固过程施加不同直流电压(0~300 V)和放电频率(0~20 Hz)以及占空比为30%的间断直流磁场,研究了间断直流磁场对其凝固组织及力学性能的影响。结果表明：间断直流磁场有效细化了合金的凝固组织,初生α-Al相由无磁场时的粗大枝晶变为细小的蔷薇状晶粒,第二相由粗大而连续的网格状结构变为细小而断续分布结构。随着直流电压的增加,合金的晶粒尺寸、第二相体积分数和长度均减小,抗压强度和断裂应变均先升后降；随着放电频率的增加,晶粒尺寸、第二相体积分数和长度均先减小后增大,抗压强度和断裂应变均先升后降。施加间断直流磁场后,合金的拉伸性能提高,断口中的准解理面减少,撕裂棱增多。当直流电压为200 V、放电频率为5 Hz时,合金的抗压强度和断裂应变最大,与无磁场时相比分别提高了31.6%和43%,抗拉强度和断后伸长率则分别提高了79.71%和83.3%。

• 焊接次数对TC18钛合金中厚板电子束焊接接头组织及性能的影响

  牟建伟, 刘艳梅, 史吉鹏, 高峰, 黄成杰

  采用电子束焊接工艺对21 mm厚TC18钛合金板进行了1次与2次(在1次焊接焊缝处以相同工艺再次焊接)焊接试验,研究了焊接次数对接头组织、拉伸性能和硬度的影响。结果表明：2种焊接接头均成形良好,无明显缺陷；相对于1次焊接,2次焊接接头热影响区中的α'相增多,晶粒尺寸增大；焊接接头的抗拉强度高于母材,且2次焊接接头强度更高,但断后伸长率下降,断裂方式均为韧性断裂；1次焊接与2次焊接接头焊缝区的平均显微硬度分别为380,395 HV,均高于母材区,热影响区的平均显微硬度分别为360,350 HV,增加焊接次数提高了焊缝区硬度,降低了热影响区硬度。

• β相锻造加工工艺中固溶温度对Ti6242合金保载疲劳性能的影响

  尚进, 张博, 古岩, 杨延格, 王金龙

  对Ti6242钛合金进行不同固溶温度(960,980 ℃)下的β相锻造加工,研究了不同固溶温度下合金的显微组织和拉伸性能,以及高峰值应力下的低周疲劳与保载疲劳性能。结果表明：不同固溶温度下β相锻造后Ti6242合金组织相似,均由网篮组织、晶内α相片层组织和羽毛状α相集束组织组成,960 ℃固溶温度下羽毛状α相集束多于980 ℃固溶温度下。与960 ℃固溶温度下β相锻造后相比,980 ℃固溶温度下β相区锻造后合金的强度较高,断后伸长率略低,低周疲劳寿命明显较低,保载疲劳敏感系数较低；980 ℃固溶温度下合金的保载疲劳寿命约为960 ℃固溶温度下的1.3倍。不同固溶温度下β相锻造后低周疲劳断口的疲劳特征明显,均由疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区组成,而保载疲劳断口均由韧窝和疲劳条带组成,呈现出一种以蠕变断裂为主、疲劳断裂为辅的断裂模式。

• 轧后退火时间对轧制ZK60镁合金显微组织及力学和阻尼性能的影响

  朱嘉欣, 孙有平, 何江美, 谢尚恒, 方德俊

  对大应变轧制态ZK60镁合金进行350 ℃退火处理,研究了退火时间(0~3 h)对其显微组织、阻尼性能和力学性能的影响。结果表明：随着轧后退火时间由0延长到3 h,ZK60镁合金发生静态再结晶的程度增大,平均晶粒尺寸由6.86 μm增大至23.35 μm,位错密度由3.539 1×1015 m-2减小至1.336 8×1015 m-2,(0002)基面织构强度由12.782弱化至1.715,抗拉强度由309 MPa降低到291 MPa,断后伸长率由22.60%增大到28.60%。在应变振幅小于0.01时,轧后退火处理对合金阻尼性能的影响较小；在应变振幅大于0.01时,随着退火时间的延长,轧后退火态合金的阻尼性能提升。

• 镍基高温合金深小孔的旋转冷挤压强化工艺优化

  张卿, 雷学林, 郭海龙, 何岑垚, 张显程

  采用多级凸包硬质合金挤压工具对镍基高温合金平板中的深小孔进行旋转冷挤压及无旋转冷挤压(主轴转速为0)试验,研究了挤压率(2.4%,3.0%,3.6%)与主轴转速(0,66,200 r·min-1)对孔壁表面完整性及试样疲劳寿命的影响,确定了旋转冷挤压优化工艺。结果表明：与无旋转冷挤压强化工艺相比,旋转冷挤压强化后孔壁表面微裂纹较少,随着主轴转速的增加,微裂纹增多,表面粗糙增大,且相同主轴转速下,挤压率越大,粗糙度越小,表面硬度越高,残余压应力和压应力层厚度越大。优化旋转冷挤压工艺参数为主轴转速66 r·min-1、挤压率3.0%,该工艺下的孔壁表面微裂纹少,塑性变形层较厚(约30 μm),表层硬度提升(硬度峰值为515 HV),表面粗糙度较低(Ra为0.298 μm),沿深度方向形成了厚度约为450 μm、应力峰值为498 MPa的周向残余压应力层；在优化工艺下孔强化后试样的疲劳寿命约为未强化试样的6.6倍,疲劳裂纹源由孔壁表面向内部偏移了约45 μm。

• 低成本Fe60（CoCrNiMn）40富铁中熵合金的显微组织与性能

  赵超杰, 仝永刚, 华熳煜, 吉希希, 邓吨英

  通过增加CoCrFeMnNi合金中的铁含量,制备了低成本富铁中熵合金Fe60（CoCrNiMn）40（原子分数/%）,对其进行了1 200 ℃×3 h均匀化处理、轧制和900 ℃×1 h退火处理,研究了该合金的显微组织、拉伸性能及耐腐蚀性能等。结果表明：试验合金由面心立方结构的单一奥氏体相组成,再结晶晶粒大小均匀,平均晶粒尺寸约为17.8 μm,再结晶晶粒内出现退火孪晶；试验合金在室温下表现出优异的拉伸性能和应变硬化能力以及在NaCl溶液中显著的自钝化行为和优异的耐腐蚀性能,其抗拉强度为603 MPa,屈服强度为226 MPa,断后伸长率为81.6%,在NaCl溶液中的自腐蚀电位为-0.461 6 V,自腐蚀电流密度为2.74×10-6 A·cm-2,电荷转移电阻为2.94×105 Ω·cm2；与其他富铁多组分合金相比,试验合金的抗拉强度和断后伸长率更大,塑性应变高出10%以上,自腐蚀电流密度更低。试验合金的拉伸断口由均匀分布的韧窝组成,拉伸断裂方式为韧性断裂；在NaCl溶液中电化学腐蚀后,试验合金表面出现明显腐蚀坑,电化学腐蚀方式主要为点蚀。

• 硅含量对9Cr-1.5W钢在550 ℃下蠕变性能的影响

  何琨, 陈乐, 李刚

  在550 ℃下对硅质量分数分别为0.34%,0.60%,0.90%的9Cr-1.5W钢进行拉伸试验以及不同应力下的蠕变试验,研究了硅含量对试验钢高温拉伸性能和蠕变性能的影响。结果表明：随着硅含量的增加,试验钢在550 ℃下的屈服强度和抗拉强度均降低,但断后伸长率增大,应变硬化指数先升后降,含质量分数0.60%硅的试验钢具有最大的应变硬化指数；含质量分数0.60%硅的试验钢在不同应力下均具有较长的蠕变时间,表现出最佳的高温蠕变性能,应力指数最小,最小蠕变速率对外加应力敏感性最低；试验钢的蠕变行为均受位错攀移控制。

• TiB2含量对基于PLC控制的激光选区熔化成形TiB2 4Cr13钢复合材料组织与性能的影响

  张冬梅, 李恒, 邢峰

  采用机械球磨和激光选区熔化成形方法,制备了不同TiB2质量分数(0.6%,1.2%,1.8%)的TiB2/4Cr13钢复合材料,研究了TiB2含量对复合材料物相组成、微观形貌、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：复合材料由α-Fe、γ-Fe、TiB2等相组成；随着TiB2含量的增加,复合材料的相对密度降低；当TiB2质量分数为0.6%时,复合材料的组织最为细小均匀,随着TiB2含量的继续增加,晶粒尺寸增大,且组织中出现裂纹、微孔等缺陷；随着TiB2含量增加,复合材料的硬度降低,摩擦因数和磨损率增大,点蚀和自腐蚀电位降低,自腐蚀电流密度增大,耐腐蚀性能变差。

• Cr2O3掺杂量对SnO2压敏电阻微观结构和电气性能的影响

  郝亚超, 赵洪峰, 谢清云

  以SnO2粉、CuO粉、Nb2O5粉、Cr2O3粉为原料,采用粉末冶金技术烧结制备（98.95-x）SnO2-1CuO-0.05Nb2O5-xCr2O3（x=0,0.01,0.02,0.03,0.05,物质的量分数/%）压敏电阻,研究了Cr2O3掺杂量对该压敏电阻微观结构和电气性能的影响。结果表明：随着Cr2O3掺杂量的增加,烧结试样的相对密度、收缩率、平均晶粒尺寸均先增大后减小,当Cr2O3物质的量分数为0.02%时相对密度和收缩率最高,Cr2O3物质的量分数为0.01%时晶粒尺寸最大,粒径分布最均匀；随着Cr2O3掺杂量增加,SnO2压敏电阻的电压梯度增大,泄漏电流密度先减小后增大,非线性系数则先增大后减小,当Cr2O3物质的量分数为0.02%时,压敏电阻的泄漏电流密度最小,非线性系数最大,电压梯度较高,综合电气性能最好。

• 不同工艺渗碳淬火和深冷处理后20CrNi2Mo轴承钢的组织与性能

  姚国林, 王合闯

  对正火态20CrNi2Mo轴承钢分别进行渗碳油淬+回火、二次渗碳油淬+回火、渗碳气淬+渗碳油淬+回火等3种渗碳淬火+回火处理以及在上述工艺的回火前增加深冷处理的渗碳淬火+深冷+回火处理,研究了不同工艺处理后轴承钢的显微组织、力学性能和耐磨性能。结果表明：渗碳淬火+回火后轴承钢的组织均为针状马氏体+残余奥氏体+碳化物,渗碳气淬+渗碳油淬+回火后的马氏体更细小,残余奥氏体更少,此工艺下轴承钢的硬度、抗拉强度和断后伸长率均高于其他2种渗碳淬火+回火工艺,磨痕宽度和深度较小；与渗碳淬火+回火相比,渗碳淬火+深冷+回火处理后轴承钢中奥氏体含量减少,硬度提高,磨痕宽度和深度减小,并且在200 N载荷下的磨损质量损失明显减少；较优的工艺是渗碳气淬+渗碳油淬+深冷+回火。

• 镀银铜材料在大电流条件下的载流微动磨损特性

  雷贯标, 杨文贤, 陈学军, 李鹏飞, 彭金方

  利用化学电镀方法在T2紫铜管表面镀银制备镀银铜试样,采用自主研制的切向微动磨损试验设备在圆柱/圆柱的正交点接触模式下进行室温载流切向微动磨损试验,探究了镀银铜试样在5 A电流以及不同法向载荷(5,10,15 N)和位移幅值(30,50,70,100 μm)下的载流微动磨损行为及其磨损机制。结果表明：随着位移幅值的增加,镀银铜试样的载流微动磨损程度加剧,随着循环次数的增加,不同位移幅值下的摩擦因数整体呈先减小后增大最后趋于稳定的趋势,而接触电阻呈相反趋势,不同位移幅值下稳定阶段的摩擦因数相差不大；随着载荷的增加,载流微动磨损程度先变大后变小,当载荷为10 N时,磨损程度最大,此时有效接触面积较大,接触电阻较低；随着载荷的增加,稳定阶段的摩擦因数增大。镀银铜试样在磨损初期的磨损机制主要黏着磨损和氧化磨损,在磨损后期主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层,且随着循环次数的增加,氧化磨损程度加剧。

• 环形丁腈橡胶件静刚度的有限元模拟

  范宗瑞, 张健, 霍肇波, 姜雨霆, 郝文龙

  对矩形丁腈橡胶件进行静态拉伸试验,通过对试验得到的应力、应变数据进行拟合,得到了Mooney-Rivlin超弹性本构模型参数,利用此本构模型对环形丁腈橡胶件进行静压缩有限元模拟,进行了试验验证,并分析了环形丁腈橡胶件的壁厚、外径以及温度对其静刚度的影响。结果表明：通过有限元方法模拟得到矩形丁腈橡胶件静态拉伸大变形阶段的力-位移曲线与试验结果相吻合,相对误差小于5%,表明Mooney-Rivlin超弹性本构模型可准确描述丁腈橡胶的超弹性特性；环形丁腈橡胶件静刚度的有限元模拟结果与压缩试验结果的相对误差为13.1%,证明了该有限元方法的准确性；随着壁厚或外径的增加,环形丁腈橡胶件的静刚度减小；随着温度的升高,静刚度减小,但减小速率逐渐降低。

• 基于薄片漏斗试样的N06230合金高温低周疲劳性能研究

  于明明, 韩光照, 谢逍原, 蔡力勋

  设计了薄片漏斗试样和配套弧形薄片夹具,对国产和进口N06230合金管薄片漏斗试样进行650 ℃高温低周疲劳试验,基于试验数据和能量密度等效方法建立循环应力幅-应变幅关系参数模型,利用有限元方法获得模型常数,并验证模型的准确性；利用该模型获得2种合金管的循环应力幅-应变幅曲线和应变幅-寿命曲线以及Manson-Coffin律参数,并对2种合金管的疲劳性能进行对比。结果表明：根据薄片漏斗试样高温低周疲劳试验数据和确定循环应力幅-应变幅关系参数模型常数,获得的应力幅-应变幅曲线与有限元分析预设的曲线相吻合,拟合优度均高于0.98,说明该模型对于预测材料循环应力幅-应变幅关系具有普适性和精确性；国产N06230合金管的循环应力幅-应变幅曲线及疲劳性能与进口合金管相近。

• 冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

  贾剑平, 李田雨

  利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证；采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min-1)对温度场的影响。结果表明：模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大；单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应；层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱；焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。

• 316L不锈钢非比例循环硬化特性的数值模拟

  金丹, 郭超越, 孙梦莹, 刘壮, 李卓群

  在等效应变范围为0.7%条件下,对316L不锈钢进行室温应变控制拉-扭疲劳试验,研究了比例应变路径(单轴路径和比例路径)和非比例应变路径(十字路径和圆路径)下的循环硬化特性；采用AF-OW随动硬化模型结合Chaboche各向同性硬化准则以及将非比例度嵌入到各向同性硬化准则中的改进模型对各路径下的循环特性进行模拟,并进行试验验证。结果表明：316L不锈钢在各路径下的循环初期均产生了循环硬化现象,在单轴、比例、十字和圆路径下的硬化率分别为5.2%,4.5%,38.2%,44.6%,在非比例应变路径下,该钢产生明显的附加强化；AF-OW模型结合各向同性硬化准则可以准确地模拟单轴和比例路径下的循环硬化特性,但对十字和圆路径下的模拟效果较差,模拟得到的正应力-正应变滞回环与试验结果之间的最大相对误差均大于20%；改进模型可以准确地描述十字和圆路径下的循环硬化特性,正应力-正应变滞回环的最大相对误差分别为1.3%和3.2%,最大等效峰值应力的相对误差分别为1.9%和1.2%。