机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2024年第3期

• TBF980钢表面氧化物组成和结构在磷化过程中的变化

  蔡宁, 龙袁, 郝玉林, 姚士聪

  利用碳萃取复型技术结合扫描电镜、透射电镜、能谱等方法分析了不同时间（0~90 s）磷化处理后TBF980冷轧连退钢表面氧化物的组成、形态及晶体结构变化。结果表明：试验钢表面氧化物主要由薄膜状非晶态SiOx以及MnSiO3单晶颗粒组成。随着磷化时间的延长,表面氧化物数量减少,硅、锰元素含量显著降低,但是当磷化膜完全覆盖试验钢表面时,磷化膜与基体之间仍然存在一层氧化物。在磷化过程中,大部分非晶态SiOx薄膜先断裂再卷成球形,并在磷化液的作用下脱离试验钢表面,小部分保留在磷化膜与基体界面处；MnSiO3单晶在磷化液的作用下先转变成非晶态SiOx与MnSiO3纳米晶的复合颗粒,再完全转变成非晶态SiOx。

• 碳纳米管对天然橡胶复合材料高频动态性能的影响

  翁爽, 陆伟强, 任睿, 沈东明, 黄海波

  以0.5份（每100质量份天然橡胶中添加的质量份）碳纳米管（CNTs）替换基础配方中不同份数（0,2,4,6,8）炭黑制备天然橡胶复合材料,研究了碳纳米管对天然橡胶复合材料静态力学性能和高频动态性能的影响。结果表明：随着CNTs替换炭黑份数的增加,复合材料的硬度降低,拉伸强度先升后降再升,断裂伸长率先降再增,100%定伸应力先增后降；用0.5份替换2份炭黑后的复合材料的综合静态力学性能最佳,此时拉伸强度和100%定伸应力均最大,分别比未用CNTs替换炭黑的复合材料提升13.52%和8.47%。随着CNTs替换炭黑份数的增加,复合材料动刚度均方根呈先减后增的趋势,替换2份炭黑后的复合材料动刚度均方根最小,比未用CNTs替换炭黑复合材料的动刚度均方根降低了12.94%,此时复合材料具有最好的高频动态性能,拉伸强度和定伸应力与高频动态性能正相关,断裂伸长率和硬度与高频动态性能的相关度不显著。

• 激光选区熔化制备Ti-15Mo合金微观结构和力学性能的各向异性

  肖湘睿, 陈荐, 周立波, 李聪

  采用激光选区熔化（SLM）技术在不同构建方向（与水平方向成0°,30°,45°,60°,90°）下制备Ti-15Mo合金,分析了其微观结构和力学性能的各向异性。结果表明：当构建方向由0°变为90°时,合金的织构取向变化为（001）→（101）→（111）；0°和90°构建方向的合金中2°~10°小角度晶界的体积分数较低；0°,30°,45°,60°和90°构建方向的合金的平均晶粒尺寸分别为59.95,33.47,99.98,42.63,72.41μm,平均显微硬度分别为313.92,327.29,294.11,327.48,311.67 HV；0°,45°,60°,90°构建方向制备的合金的抗拉强度分别为866.35,898.78,1 055.97,913.7 MPa,屈服强度分别为716.40,767.98,1 027.45,808.83 MPa,断后伸长率分别为14.00%,18.97%,12.51%和14.29%。不同构建方向的SLM成形合金存在力学性能各向异性。

• 钼元素对2Cr13型高氮耐蚀塑料模具钢组织与性能的影响

  樊译, 周健, 迟宏宵, 谷金波, 马党参, 谢官利

  在2Cr13型高氮耐蚀塑料模具钢中添加质量分数0.5%的钼元素,研究了钼元素对淬火和回火后该钢显微组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明：钼的添加缩小了试验钢的奥氏体相区,淬火后的残余奥氏体体积分数为8.49%,低于不含钼试验钢（9.05%）；钼的添加使得回火态试验钢的强度、硬度以及冲击吸收能量均得到提高,其中屈服强度提高了12%。盐雾腐蚀试验后回火态试验钢主要发生点蚀,含钼试验钢表面的点蚀坑数量较少,尺寸较小,其腐蚀速率为0.072 1 g·m-2·h-1,远小于不含钼试验钢（0.161 2 g·m-2·h-1）；含钼试验钢的极化曲线中存在明显的钝化区,而不含钼试验钢不存在钝化区。含钼试验钢的耐腐蚀性能优于不含钼试验钢。

• 高频淬火功率对35CrMo钢表面组织和摩擦磨损性能的影响

  王璠, 刘德涛, 何闯

  采用高频淬火工艺对35CrMo钢进行不同功率（2.5,3.0,3.5,4.0,4.5 kW）的表面淬火,研究了淬火功率对35CrMo钢表面显微组织、硬度、摩擦磨损性能和磨损机理的影响。结果表明：当淬火功率为2.5 kW时,试验钢表面组织主要为珠光体,表面硬度最低,为532 HV,稳定摩擦因数为0.58,磨损率最大,为14.58μm3·N-1·mm-1；当淬火功率为3.0 kW时,表面组织主要为粒状贝氏体,表面硬度最高,为604 HV,稳定摩擦因数最小,为0.47,磨损率最小,为10.15μm3·N-1·mm-1；随着淬火功率的继续增加,粒状贝氏体逐渐向上贝氏体、下贝氏体和无碳贝氏体转变,表面硬度降低,摩擦因数和磨损率整体呈增大趋势。当淬火功率为2.5,3.0,3.5,4.0 kW时,磨损机理以磨粒磨损为主,并伴随着局部的黏着磨损和氧化磨损；当淬火功率为4.5 kW时,磨损机理以黏着磨损为主,并伴随着局部的磨粒磨损和氧化磨损。

• 基于机械干态颗粒涂层技术制备cBN@TiN粉体

  罗展鹏, 刘润平, 郭伟明, 谭大旺, 罗嗣春, 林华泰, 内藤牧男

  采用机械干态颗粒涂层技术分别制备了cBN@TiO2（TiO2包覆立方氮化硼）粉体和cBN@（TiO2+C）（TiO2+碳包覆立方氮化硼）粉体,然后在1 600 ℃、N2气氛下进行高温热处理制备cBN@TiN（TiN包覆立方氮化硼）粉体,研究了高温热处理前后粉体的物相组成与微观形貌以及高温反应机理。结果表明：机械干态颗粒涂层技术可以使纳米TiO2和纳米TiO2+C颗粒均匀包裹在cBN颗粒表面。在高温热处理过程中,TiO2与cBN反应生成液相B2O3,促进了cBN相变成六方氮化硼（hBN）,cBN的高温稳定性差,以cBN@TiO2为原料制备的cBN@TiN粉体颗粒表面形成由TiN相和hBN相组成的片状结构层；当存在碳时,TiO2会优先与碳发生还原反应生成TiN,抑制B2O3的生成,从而降低cBN相变量,此时cBN的高温稳定性好,以cBN@（TiO2+C）为原料制备的cBN@TiN粉体颗粒表面形成主要为TiN相的颗粒结构层。

• 5083铝合金激光-MIG复合单面焊双面成形打底焊工艺优化

  毕学松, 侯艳喜, 尚鹏, 杜江

  采用激光-熔化极惰性气体保护电弧（MIG）复合焊对5083铝合金板进行打底焊,以模拟铝合金罐体单面成形对接焊缝,研究了激光束摆动方式（不摆动、直线摆动、圆形摆动、方形摆动）、激光功率（2.5~4.0 kW）、组对间隙（0,1 mm）和错边（0,1 mm）对焊缝成形质量的影响,并分析了优化工艺下接头的力学性能。结果表明：在3.0 kW激光功率下,当激光束不摆动时,焊缝背面不连续并伴有凹坑,当激光束直线摆动时,焊缝内部存在大量气孔；在圆形激光束摆动模式下,当激光功率为2.5 kW时,焊缝背面未形成连续的全熔透焊缝,当激光功率为4.0 kW时,焊缝出现严重的下塌现象。3.0~3.5 kW激光功率以及圆形或方形激光束摆动模式能够实现单面焊背面自由成形,且焊缝成形良好,在不同组对间隙和错边条件下表现出较强的适应性；在激光功率为3.0 kW、激光束摆动模式为圆形摆动的优化工艺下,焊接接头抗拉强度达到母材的90%,正弯和背弯后接头中均未出现裂纹和其他开口缺陷,满足工程应用要求。

• 喷丸对4Cr5Mo2V钢高温摩擦磨损性能的影响

  牛童, 王昕宇, 彭睿智, 吴晓春

  对4Cr5Mo2V钢试样进行3道次复合喷丸,通过与未喷丸试样对比,研究了喷丸对试验钢表面形貌、显微组织、硬度、残余应力以及高温（100,300,500 ℃）摩擦磨损性能和机制的影响。结果表明：喷丸处理显著提高了试验钢表面粗糙度,使试验钢表面形成了明显的塑性变形层、硬化层与残余压应力层；在100,300,500 ℃下,与喷丸前相比,喷丸后试验钢的磨损率分别降低了41.8%,17.1%,63.3%,耐磨性能的提高与喷丸产生的硬化层和残余压应力层有关。在100,300 ℃下,喷丸前后试验钢的磨损机制均主要为黏着磨损和磨粒磨损,而当温度升高至500 ℃时,磨损机制为氧化磨损,喷丸试验钢仍能保持较高的硬度与残余压应力,同时表面氧化层更致密稳定,仅发生轻微氧化磨损。

• 添加不同固体润滑剂铁基合金激光熔覆涂层的干滑动摩擦磨损性能

  杨文斌, 李仕宇, 肖乾, 丁昊昊, 慕鑫鹏, 杨春辉, 陈道云

  采用激光熔覆技术在CL60车轮钢表面分别制备不同含量WS2（质量分数0~8.0%）和CaF2（质量分数5.0%）固体润滑剂以及不同含量h-BN（质量分数0~2.0%）和CaF2（质量分数0~2.0%）固体润滑剂的铁基合金涂层,对比研究了添加不同固体润滑剂铁基合金涂层的显微组织以及干滑动摩擦磨损行为和磨损机制。结果表明：所有涂层均主要由树枝晶和共晶组织组成,表面硬度均达到约800 HV,约为CL60钢的2倍。随着WS2含量的增加,WS2+CaF2/铁基合金涂层的摩擦因数降低,磨损质量损失先降低后基本稳定,当WS2质量分数为6.0%时,磨损质量损失最低,与未添加固体润滑剂的铁基合金涂层相比降低了26.7%,此时孔隙最少,磨损表面损伤轻微,磨损机制为磨粒磨损。随着h-BN含量的增加以及CaF2含量的降低,h-BN+CaF2/铁基合金涂层的摩擦因数与磨损质量损失均先降后增,且当CaF2和h-BN的质量分数均为1.0%时,稳定摩擦因数与磨损质量损失均最小,与未添加固体润滑剂的铁基合金涂层相比,分别降低了32.7%和33.3%,此时晶粒最细小,组织最为致密,磨损表面以细小磨痕为主,磨损机制为轻微的磨粒磨损。

• 自然停放时间对低压铸造ZL114A合金力学性能的影响

  田少鲲, 金圆平, 王淑青, 王海霖, 肖鹏, 李伟强, 肖抓, 张晓坤

  对低压铸造ZL114A铝合金先进行（540±5）℃×14.5 h固溶处理,再进行不同时间（1~8 215 h）的自然时效处理,然后对自然停放1~100 h的试验合金进行（170±5）℃×4 h人工时效处理,研究了自然时效过程中合金硬度的变化以及停放时间对人工时效后合金力学性能的影响规律。结果表明：在自然时效过程中,试验合金的硬度整体呈增大趋势,时效8 215 h时达到91.8 HBW,低于人工时效的110 HBW。随着停放时间的延长,人工时效后试验合金的抗拉强度和屈服强度先升高,在停放10 h时达到峰值,分别为355.0,303.3 MPa,随后降低,在停放50 h时降至最低值,分别为336.7,261.7 MPa,随后又有所升高。断后伸长率的变化规律与强度的变化规律相反。在自然停放过程中由于形核驱动力低,试验合金中形成界面能较低的pre-β″相,在人工时效过程中形成强化效果更为明显的β″相,这是强度在停放10 h内升高的原因；而后强度降低的主要原因为不稳定溶质原子偏聚区（GP区）在人工时效时发生了重溶；当停放时间超过50 h后,GP区长大到了稳定的晶核尺寸,在人工时效处理时不会发生重溶,强度回升。

• 基于小冲杆试验评价钛合金的高温拉伸性能

  王柳翔, 韩光照, 郑洪, 周甜, 蔡力勋

  基于能量密度等效理论,提出依据塑性弯曲阶段载荷-位移曲线,获取均匀连续、各向同性的钛合金圆片试样应力-应变曲线的小冲杆试验新方法；采用该方法预测得到不同名义屈服强度和硬化指数组合工况下假想材料的应力-应变数据,并与有限元预设曲线进行对比；基于小冲杆试验获得的TC4合金在室温、高温（400 ℃）下的载荷-位移曲线,采用上述方法获得该合金的真应力-真应变曲线,并与单轴拉伸真应力-应变曲线进行对比。结果表明：预测得到的假想材料应力-应变数据与有限元预设曲线之间的符合优度均高于0.96；预测获得的室温和400 ℃下TC4合金的真应力-真应变曲线与单轴拉伸曲线之间的符合优度均高于0.97,屈服强度和抗拉强度的最大相对误差分别为4.86%和4.63%,验证了该新方法的有效性。

• 430不锈钢热轧板坯边部侧翻缺陷形成的数值模拟

  邬宇轩, 李静媛, 侯艳阳

  在不同温度（1 173.15~1 473.15 K）和应变速率（0.01~10 s-1）下对430不锈钢进行热压缩变形试验,基于流变数据建立修正的Zerilli-Armstrong方程,并评估该方程的预测能力；将该本构方程参数导入Deform-3D软件,对试验钢五道次可逆热轧变形进行有限元模拟,分析边部缺陷的形成过程,并与实际轧制缺陷进行了对比。结果表明：修正的Zerilli-Armstrong本构方程能够很好地描述试验钢的高温流变行为,流变应力预测值和试验值之间的相关系数为0.993 9,平均相对误差为5.9%；模拟得到在轧制过程中轧辊与板坯之间的摩擦力使得板坯表面和内部存在横向位移差,导致板坯侧面节点上翻到表面形成边部侧翻缺陷,缺陷的位置和形貌与工业试制结果相吻合。

• 18CrNiMo7-6齿轮钢的热压缩变形行为及显微组织演变

  吴晓东, 黄寅舜, 张肖佩佩, 王忠英

  采用热模拟方法研究了18CrNiMo7-6齿轮钢在变形温度900~1 150 ℃、应变速率0.01~5 s-1条件下的热压缩变形行为；建立了基于Arrhenius模型的全应变本构方程,采用该方程对流变应力曲线进行预测；根据动态材料模型绘制热加工图,并结合热加工图系统地研究显微组织演变特征。结果表明：试验钢的峰值应力随应变速率的增加或变形温度的降低而增大,动态回复和动态再结晶是热变形过程中的主要软化机制；采用建立的全应变本构方程预测得到流变应力曲线与试验结果基本吻合,预测真应力与试验结果的相对误差小于4.715%,说明该模型可以精确地模拟18CrNiMo7-6齿轮钢的热压缩变形行为。试验钢的适合热加工工艺参数为变形温度1 050~1 150 ℃、应变速率0.1~1 s-1,此时组织为均匀细小的再结晶晶粒,晶粒尺寸在5~15μm。随着变形温度的升高或应变速率的降低,原始奥氏体晶粒不断被动态再结晶晶粒取代,且动态再结晶程度和再结晶晶粒尺寸增大。

• 基于多目标粒子群算法的A356铝合金蠕变本构模型的构建

  杨紫毅, 李书博, 景国玺, 马天, 孙帅, 孙秀秀, 周海涛

  在150,250,300 ℃温度和20~150 MPa应力下,对A356铝合金进行单向拉伸蠕变试验,研究了其蠕变特性；采用多目标粒子群算法得到Norton-Bailey幂律模型、Garofalo双曲正弦模型和基于变形机制的真应力蠕变模型的参数,并采用这3种模型对A356铝合金的最小蠕变速率-应力曲线进行预测,分析3种模型的预测精度。结果表明：A356铝合金的最小蠕变速率与试验温度和应力成正相关,但温度对最小蠕变速率的影响程度大于应力；基于变形机制的真应力蠕变模型具有最高的预测精度,对最小蠕变速率的预测结果中90%数据点均位于2倍误差带内。结合多目标粒子群算法得到的基于变形机制的真应力蠕变模型可以用来准确模拟宽幅温度和应力范围下A356铝合金的蠕变特性。

• 不同控制模式下316L不锈钢的高温疲劳变形行为及寿命预测

  李冬, 王小威, 陈野风, 张天宇, 巩建鸣

  在550 ℃下对核电用316L不锈钢进行应变控制（应变幅在0.3%~1.2%）、应力控制（应力幅在230~300 MPa）低周疲劳试验和应变控制蠕变疲劳试验（3种波形,拉伸保载60,180,600 s,压缩保载60,180 s,拉压对称保载180 s）,通过疲劳寿命、循环响应特征和应力-应变滞回曲线分析了不同控制模式下试验钢的疲劳变形行为；构建疲劳寿命预测模型,评估了Manson-Coffin-Basquin模型、SWT模型和能量法模型对不同控制模式下试验钢疲劳寿命的预测能力。结果表明：在不同控制模式的疲劳循环载荷下,316L不锈钢的循环应力响应均包括循环硬化、循环软化和失效断裂3个阶段；在低周疲劳试验中,疲劳寿命随应变幅或应力幅的增大而缩短；在蠕变疲劳试验中,疲劳寿命随拉伸保载时间的延长而缩短,随压缩保载时间的延长而增大,这与动态应变时效和蠕变对疲劳损伤的综合作用有关；在相同保载时间下,压缩保载下的疲劳寿命比拉伸保载下的短,这与不同加载方向引起的氧化层致裂机制有关。能量法模型对316L不锈钢在不同控制模式下的疲劳寿命预测精度最高,预测精度在1.5倍误差带以内,Manson-Coffin-Basquin模型的预测精度最低。

• 高速钢复合轧辊表面大面积剥落的原因

  张继明, 关云, 王晓东, 胡显军

  通过化学成分分析、力学性能检测、显微组织和断口形貌观察等方法,对高速钢复合轧辊表面大面积剥落的原因进行了分析。结果表明：三次浇注工艺控制不当及心部球墨铸铁液纯净度不够导致复合轧辊中间层与高速钢表层及心部铸铁层的界面处存在大量粗大碳化物、片状分布的疏松孔洞以及聚集分布的夹杂物带等严重缺陷,使得界面处的结合不良；在轧制力的作用下,裂纹在上述缺陷处萌生,并沿缺陷处快速扩展,最后导致轧辊表面发生大面积剥落失效。