机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2024年第2期

• 大厚度铝合金板疲劳裂纹扩展特性研究现状及关键问题探讨

  伍黎明, 何宇廷, 张腾

  试样厚度增加引发的裂纹扩展“马鞍效应”是厚度与三维裂纹端部应力应变场内在联系的表象反映,在未得出这种内在联系机理与规律的情况下,基于传统模型对大型机械设备中的厚板及变厚度板进行损伤容限评定必然存在很大的风险。以大厚度铝合金板为研究对象,从三维裂纹端部应力应变场与裂纹扩展形貌之间的关系、疲劳裂纹扩展的厚度效应、腐蚀与疲劳共同作用下裂纹扩展机理与模型等三个方面,对裂纹扩展相关问题的研究现状进行了总结分析,对大厚度铝合金板疲劳裂纹扩展特性研究的关键问题进行了探讨。

• 碳化硅复合陶瓷密封材料的烧结性能、显微结构与力学性能

  邹畅, 欧阳鑫, 周渭良, 李志强, 郑浦, 郭兴忠

  以纳米TiN、SiC晶须为增强相,采用液相烧结法制备了碳化硅复合陶瓷密封材料,研究了不同烧结温度（1 800,1 850,1 900,1 950 ℃）,不同增强相添加质量分数（0,2.5%,5.0%,10.0%,纳米TiN与SiC晶须质量比为1∶1）下复合陶瓷的烧结性能、显微组织和力学性能。结果表明：随烧结温度升高,陶瓷硬度和抗弯强度均先增大后减小,断裂韧度先减小后增大,当烧结温度为1 900 ℃时,碳化硅复合陶瓷烧结完全,相对密度较高,晶粒平均尺寸较小；在1 900 ℃下烧结,与未添加增强相相比,添加增强相碳化硅复合陶瓷的晶粒尺寸减小,晶粒结构排列紧密；随着增强相添加量增加,陶瓷硬度下降,抗弯强度先增大后减小,断裂韧度明显增大；当烧结温度为1 900 ℃,增强相质量分数为5.0%时,碳化硅复合陶瓷具有最佳综合性能,相对密度为94.68%,抗弯强度为429.51 MPa,硬度为17.14 GPa,断裂韧度为4.32 MPa·m1/2。

• 铒/钪-锆微量添加对Al-5Mg-3Zn合金热轧态组织和性能的影响

  左睿, 魏午, 黄晖, 文胜平, 韩颖, 刘贞山, 石薇

  向Al-5Mg-3Zn合金中分别复合添加了锆（0.1%,质量分数,下同）和铒（0.2%）、锆（0.1%）和钪（0.2%）,并进行热轧,研究了铒-锆、钪-锆微量添加对合金显微组织、拉伸性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：复合添加锆-铒或锆-钪元素能使合金热轧后保留更多变形组织,抑制合金的动态再结晶,且锆-钪元素的抑制作用强于锆-铒；热轧态Al-5Mg-3Zn合金晶内出现少量尺寸较大的T相,热轧态Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr、Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金晶内除了T相,还分别存在Al3（Er,Zr）相和Al3（Sc,Zr）相,3种试验合金晶界处均无析出相和沉淀析出带；相比热轧态Al-5Mg-3Zn合金,热轧态Al-5Mg-3Zn-0.2Er-0.1Zr合金抗拉强度、屈服强度分别提升了9.3%,34.3%,热轧态Al-5Mg-3Zn-0.2Sc-0.1Zr合金分别提升了24.8%,35.6%；3种热轧态试验合金均保持良好的耐腐蚀性,热轧态Al-5Mg-3Zn合金的耐腐蚀性能更优。

• TC4-DT钛合金的室温高周疲劳断裂特点

  姜涛, 张兵, 张仕朝, 王新南

  在不同应力比（0.5,－1）下对损伤容限型TC4-DT钛合金进行室温高周疲劳试验,对比分析了不同疲劳寿命下光滑试样与缺口试样的典型断口中的宏微观特征。结果表明：光滑试样疲劳断口整体粗糙,类解理特征不明显,但疲劳条带清晰,裂纹源主要为单源,瞬断区多呈月牙形,均位于断口一侧边缘；应力比为0.5下104周次疲劳寿命的断口中无明显平坦疲劳裂纹扩展区,而相近疲劳寿命的应力比为－1的断口中可见平坦疲劳裂纹扩展区；应力比为0.5的疲劳裂纹主要在次表面或内部萌生,而应力比为－1的裂纹基本在表面萌生。缺口试样疲劳断口整体平坦,可见类解理特征,疲劳条带清晰；裂纹起源于缺口根部,多源；随着疲劳寿命由104周次延长到106周次,瞬断区由内部移向缺口边缘,应力比为－1下的瞬断区呈纺锤形,而应力比为0.5下的瞬断区由椭圆向纺锤形变化,且应力比为0.5下的疲劳裂纹扩展区更为光滑平坦,瞬断区的塑性断裂特征更明显。

• 电缆用Al-Fe系铝合金导体材料的恒应力高温压缩蠕变行为

  李国兴, 党朋, 张永甲, 蔡西川

  对电缆用Al-Fe系铝合金导体材料进行恒应力（63.6,72.6,78.3,84.7 MPa）高温（90 ℃）压缩蠕变试验,研究了压缩应力σ对稳态蠕变速率的影响,建立了压缩蠕变本构方程,分析了压缩蠕变机制。结果表明：铝合金试样的稳态蠕变速率随着压缩应力的增加成倍增大；90 ℃下铝合金试样的蠕变本构方程为,拟合曲线和试验结果的相关系数达0.997 6；铝合金蠕变过程中存在门槛应力,其值为34.2 MPa,引入门槛应力对蠕变方程进行修正,修正方程计算所得稳态蠕变速率与试验值的相对误差为8%,证明模型准确,得到的真应力指数为5,说明电缆用Al-Fe系铝合金导体材料在90 ℃下的压缩蠕变行为是由位错攀移机制主导的第二相粒子强化类蠕变。

• 电火花加工对H13钢表面完整性及力学性能的影响

  杨会凯, 吴晓春, 左鹏鹏

  对H13钢进行电火花加工,研究了电火花加工对其微观形貌、物相组成、残余应力、显微硬度和冲击性能的影响。结果表明：电火花加工后H13钢表面出现熔融颗粒、陨石坑、孔洞、微裂纹等缺陷,截面分为白亮层、热影响区、回火区和基体；白亮层中存在柱状晶、柱状树枝晶、等轴晶、共晶组织等,显微组织包括马氏体、残余奥氏体、Fe3C、Fe7C3、（Cr,Fe）7C3、Fe0.3Mn2.7C等相；相比基体,白亮层中的碳元素和残余奥氏体含量增加；电火花加工后H13钢表层的残余应力和显微硬度均高于基体,且随着距表面距离增加,均先增大后减小,最大分别为575 MPa、647.3 HV；电火花加工后H13钢的冲击功比磨削加工后下降了35.56%,冲击断口出现大量撕裂棱,还有韧窝、解理面、大尺寸剥离面,为准解理断裂。

• 碲对40Cr13塑料模具钢加工性能的影响

  周茂华, 钟亮美, 唐佳丽, 陈炜, 付建勋

  对硬度为41,38,36 HRC的无碲低硫（硫质量分数为0.003%）40Cr13钢,41 HRC的含碲中硫（碲质量分数为0.003%,硫质量分数为0.022%）40Cr13钢以及硬度为33,41 HRC的无碲高硫（硫质量分数为0.070%）40Cr13钢进行了铣削、钻削及抛光试验,分析了夹杂物的形貌与显微硬度,研究了碲对试验钢加工性能的影响。结果表明：相比无碲低硫钢,含碲中硫钢中夹杂物主要为MnS,尺寸增大,长宽比几乎未变,多为椭球状；无碲高硫钢中夹杂物主要为MnS,数量、尺寸、长宽比均增加,为长条状；碲在硫化物中的固溶使得含碲中硫钢中硫化物的显微硬度增大；相同硬度下,含碲中硫钢的铣削力、钻削力、铣削后的表面粗糙度相比无碲低硫钢更小,加工性能更好,但抛光后表面粗糙度更大,抛光性能略差。

• 中温回火温度对22MnB5钢扭力梁疲劳性能的影响

  张燕呢, 闵永安, 陈荣

  对冷成形22MnB5钢管状扭力梁进行960 ℃感应淬火和中温回火,研究了回火温度（220,350,400,450,500 ℃）对扭力梁拉伸性能、冲击性能和疲劳寿命的影响。结果表明：随着回火温度从350 ℃升至500 ℃,22MnB5钢扭力梁的抗拉强度降低,断后伸长率增加,强塑积先增大后减小,450 ℃回火后最大,达到12.3 GPa·%；随着回火温度从220 ℃升至450 ℃,22MnB5钢扭力梁显微硬度减小,冲击吸收力增加；回火后扭力梁表面残余应力下降,且回火温度越高,下降程度越大；随回火温度升高,扭力梁疲劳寿命呈先下降后增再降的变化趋势,450 ℃回火疲劳寿命最长,达（15.8±2.4）万次；22MnB5钢扭力梁的最佳回火温度为450 ℃。

• 国产与进口TP310HNbN钢抗蒸汽氧化行为对比

  徐卫仙, 郭岩, 陈卓婷, 王光乐

  对国产与进口TP310HNbN钢在650 ℃下进行不同时间（100,200,410,650,1 000 h）的蒸汽氧化试验,通过钢管内壁氧化膜组成、形貌分析,对比研究了二者的抗蒸汽氧化行为。结果表明：随着氧化时间延长,国产试验钢氧化膜由断续状变为连续状,形成了厚薄不均的双层结构,氧化膜外层存在孔洞,内层较为致密,而进口试验钢氧化膜在整个氧化过程中致密且较薄,厚度均匀；国产试验钢形成保护性能较差的铁氧化物,进口试验钢形成可以阻断氧化过程的铬氧化物；进口TP310HNbN钢的抗蒸汽氧化性能优于国产TP310HNbN钢。

• Fe-Mn-C-Al系TWIP钢拉伸过程中的加工硬化行为

  彭松, 王荣吉, 周童, 王志宇, 毛亮

  对退火后Fe-Mn-C-Al系孪生诱发塑性（TWIP）钢进行不同变形量（1.5%,4.0%,39.0%,47.0%,52.0%,62.0%）的室温单向拉伸试验,研究了该钢在拉伸过程中的加工硬化行为及显微组织演变。结果表明：随着变形量增加,TWIP钢奥氏体晶粒内部开始出现形变孪晶,且密度不断提高,变形机制由位错滑移变为孪生和位错共同作用,拉伸断口呈典型韧性断裂特征；试验钢弹性变形阶段短暂,无明显的屈服平台和物理屈服点,塑性变形阶段存在长加工硬化过程；试验钢的加工硬化率先随真应变增加而急剧下降,此时加工硬化机制以位错强化为主,随着真应变继续增加,加工硬化率增加,在应变为0.55时达到峰值,后趋于平缓,加工硬化机制主要为孪晶强化。

• 中锰钢棘轮行为的细观有限元模拟

  畅舒心, 张娟, 刘骏华, 黄兴民

  基于微观形貌构建含铝中锰钢二维代表性体积元（RVE）模型,同时引入马氏体相变演化方程,采用Mori-Tanaka均匀化方法构建了奥氏体和马氏体组合相的本构模型,对试验钢在单轴拉伸和不同工况下（平均应力为50 MPa,应力幅分别为700,710 MPa）的棘轮行为进行了细观有限元模拟。结果表明：所建立的均匀化本构模型可以较好地反映马氏体相变对试验钢力学性能的影响,基于RVE模型模拟组织演变具有一定的准确性；马氏体相变会使试验钢的单轴拉伸中发生明显强化,并会使奥氏体和铁素体之间出现应力交替现象；当平均应力为50 MPa、应力幅为700 MPa时,考虑与不考虑马氏体相变模拟的棘轮应变演化曲线几乎重合；当平均应力为50 MPa、应力幅为710 MPa时,不考虑马氏体相变模拟的棘轮应变增长率明显高于考虑相变时。

• 锆合金管塞结构压力电阻焊接头的应力集中系数及影响因素

  季顺成, 张学粮, 林健, 鲁立, 陈兵兵, 雷永平, 冯刚

  采用Abaqus有限元分析软件建立了锆合金管塞结构压力电阻焊接模型与应力集中系数计算模型,通过与热模拟试验得到的挤出金属高度进行对比,对焊接模型进行验证,模拟分析了内部挤出金属过渡角、端塞行进量和包壳管内壁倒角对接头应力集中系数的影响。结果表明：内部挤出金属高度模拟结果和试验结果的相对误差为9.58%,外部挤出金属高度的相对误差为6.65%,说明建立的焊接模型准确；随着内部挤出金属过渡角增加,接头应力集中系数先降低,当过渡角增大至60°后增加,增大至120°时又下降；随着端塞行进量的增加,内部挤出金属过渡角降低,应力集中系数增加,接头熔合线长度增大；与未倒角接头相比,包壳管内壁倒角深度不大于0.50 mm时应力集中系数降低,最大降低了16.00%,倒角深度大于0.50 mm时应力集中系数增大,最大提高了91.49%。

• 分离式霍普金森压杆试验中金属材料端面摩擦效应误差分析

  张柱柱, 毛海涛, 周圣林, 焦鹏, 胡文林, 吴省均, 刘军, 张旸, 沈沛, 刘宇麟

  采用分离式霍普金森压杆（SHPB）试验结合有限元模拟方法计算重构38CrMoAl高强度钢的应力-应变曲线,研究了端面摩擦因数（0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5）、子弹入射速度（20,30,40 m·s－1）、试样长径比（0.25,0.50,1.00）和试样形状（圆柱体,立方体）对端面摩擦效应引入的峰值应力、峰值应变测试误差的影响。结果表明：测试误差随端面摩擦因数的增大而增大,随长径比的增加而减小；截面面积相同的圆柱体和立方体试样的测试误差差值小于2%；端面摩擦因数较大时,控制子弹入射速度不能有效减小误差；将端面摩擦因数降到0.1以下,或是选用长径比1.00以上的试样,可以有效减小端面摩擦效应误差；试样中部和端面边缘处发生应力集中,随着试样长径比增大,应力集中部位占试样总长度比例减小,端面摩擦效应影响减小。

• 基于粒子群优化算法的电弧增材制造焊道尺寸反向传播神经网络预测模型

  刘浩民, 杨洪才, 刘战, 李子葳, 孙俊华, 张元彬

  选取焊接电流、送丝速度、焊接速度及基板温度作为输入变量,焊道熔宽和余高作为输出变量,选择粒子群优化（PSO）算法中的最优粒子惯性权重和学习因子,构建熔化极惰性气体保护电弧增材制造316L不锈钢PSO反向传播（PSO-BP）神经网络模型。结果表明：PSO-BP神经网络模型预测的焊道熔宽与期望值的均方根误差、最大相对误差与平均相对误差分别为0.386,13.477%,2.580%,焊道余高的分别为0.152,10.372%,2.810%；相较于BP神经网络模型,PSO-BP神经网络模型对焊道尺寸的预测精度更高,稳定性更强。

• 基于应力三轴度的铸态42CrMo钢高温拉伸断裂行为分析

  张在阳, 齐会萍, 李永堂, 陈园园, 张晋辉, 刘慧玲

  利用Gleeble-3500型热模拟试验机对不同缺口半径（0.5,1.0,2.0,4.0 mm）的铸态42CrMo钢缺口试样进行不同温度（1 223,1 273,1 373 K）下的热拉伸试验,基于应力三轴度分析了其高温拉伸断裂行为。结果表明：较高拉伸温度下缺口试样的流变应力较小；随着缺口半径减小,缺口试样流变应力和峰值应力增加,断裂应变减小；当缺口半径为0.5,1.0 mm时,应力三轴度最大值向最小横截面圆心转移；当缺口半径为2.0,4.0 mm时,拉伸过程中最小横截面圆心处的应力三轴度始终最大；随着缺口半径增加,应力三轴度减小；温度由1 223 K升至1 373 K,试样断口组织平均晶粒尺寸增大；缺口半径由0.5 mm增加至4.0 mm,平均晶粒尺寸增大,微空洞且尺寸及面积分数增加。