机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2024年第6期

• 国内外增材制造标准化发展现状与建议

  孙丹, 邹定锦, 张亮

  增材制造是智能制造的重要组成部分。随着增材制造技术与产业的日臻成熟,为了推动增材制造产品从“可制造”到“可使用”再到“安全稳定使用”的跨越,不断促进增材制造制件在航空、航天、电子信息、医药等领域的规模化应用以及全产业链的健康稳步发展,迫切需要增材制造标准的制定与实施。系统梳理了国内外增材制造标准体系框架,总结了国内外增材制造标准发布情况,分析了国内增材制造标准化工作的发展趋势,最后通过对标国际适用的增材制造标准化体系架构和发展路线,对我国增材制造标准体系建设提出建议。

• 水中溶解氧对低锡中铌锆合金氧化膜显微组织和电化学性能的影响

  王旭彤, 李九霄, 于一笑, 赵志伟, 郑锋欣, 曾奇锋, 刘庆冬

  在含溶解氧（质量浓度分别为300,1?000?μg·L?1）环境中对Zr-0.4Sn-0.7Nb-0.3Fe-0.1Cr-0.15Mo-0.12O新型低锡中铌锆合金进行了长达300 d的堆外高压釜腐蚀试验,研究了腐蚀过程中合金表面氧化膜微观结构的变化,并结合离位电化学检测表征了腐蚀后合金的电化学性能,分析了溶解氧对电化学性能的影响。结果表明：在含溶解氧环境中腐蚀时,合金表面氧化膜的厚度随时间呈线性增加,氧化膜内裂纹增多,氧化膜/基体界面起伏加剧；当溶解氧含量较高时,合金的腐蚀质量增加较大,表面氧化膜内裂纹较多。在含溶解氧环境中腐蚀130 d时,合金的自腐蚀电位和极化电阻最小,自腐蚀电流密度最大,其耐腐蚀性不仅与表面氧化膜厚度有关,还受氧化膜内缺陷影响；腐蚀300 d时,合金的阻抗谱呈多容抗弧特征,较高溶解氧含量下的容抗弧数量较多。

• 衍生体心立方点阵材料的优化设计及压缩力学行为

  许童, 罗嘉琪, 王幸福, 李先雨, 汪聃, 郝刚领, 王新福

  分别在传统体心立方（BCC）点阵结构（H0型）的外围以及外围和中心添加竖直杆,设计出H1型和H2型衍生BCC点阵结构,以AlSi10Mg合金粉末为原料采用激光选区熔化（SLM）技术制备出不同尺寸参数的点阵试样,研究了其压缩力学行为。结果表明：传统和衍生BCC点阵试样的压缩行为均具有线弹性阶段、平台阶段、致密化阶段等3个阶段,属拉伸主导型多孔材料；相同尺寸参数下,H2型BCC点阵试样的比强度、平台应力和单位质量吸能最大,H1型次之,H0型最小。随着单胞高度增加,H1型点阵试样的比强度和单位质量吸能基本不变,平台应力起伏略微增大,能量吸收效率小幅减小；随着单胞宽度增加,H1型点阵试样的比强度、平台应力和单位质量吸能明显降低,能量吸收效率不变；随着斜杆及外围竖直杆杆径增加,H1型点阵试样的比强度、平台应力和单位质量吸能明显增大,能量吸收效率先明显提升后趋于稳定。随着中心竖直杆杆径增加,H2型点阵试样的比强度、平台应力和单位质量吸能增大,能量吸收效率提升。衍生点阵试样的变形模式主要为由下到上的逐层变形,损伤机制为竖直杆的侧向弯曲和斜杆的垂直方向弯曲。

• 表面粗糙度对SA508 Cr.3 Cl.1钢-石墨摩擦副摩擦磨损性能的影响

  郑张利, 王文东, 王飞

  采用旋转钢圆环-固定石墨圆环式端面摩擦副结构,对不同表面粗糙度（0.319,0.451,1.210,2.300,5.240?μm）的SA508 Gr.3 Cl.1钢进行干摩擦磨损试验,研究了试验钢表面粗糙度对摩擦副摩擦磨损性能的影响,分析了磨损机制。结果表明：随着试验钢表面粗糙度增加,摩擦因数先减小后增大,表面粗糙度为0.451?μm时最小,为5.240?μm时最大；石墨的摩擦磨损质量损失整体呈增大趋势,磨损机制均以磨粒磨损为主。当表面粗糙度较低时,石墨在试验钢磨损面形成大面积光滑的转移膜,膜中碳含量较高；当表面粗糙度较高时,产生犁沟效应,石墨转移膜面积较小,膜中碳含量较少。

• cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷及刀具的制备与性能

  黄坤恒, 罗展鹏, 罗嗣春, 郭伟明, 林华泰

  采用放电等离子烧结技术,通过原位生成TiN包覆cBN（cBN@TiN）颗粒制备了cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷,研究了其物相组成、微观形貌、力学性能以及制成的可转位刀具连续干式切削球墨铸铁时的切削性能,并与β-Sialon陶瓷及刀具进行对比分析。结果表明：cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷由β-Sialon、cBN和TiN相组成,其抛光态表面无明显气孔,cBN@TiN颗粒均匀分布,未发生明显脱落,基体相晶粒呈等轴状和长棒状；cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷的相对密度和晶粒尺寸与β-Sialon陶瓷相近,硬度和断裂韧性分别为（17.40±0.11）GPa和（6.19±0.10）MPa·m1/2,高于β-Sialon陶瓷；与β-Sialon陶瓷刀具相比,cBN@TiN/β-Sialon复合陶瓷刀具的耐磨性更好,切削寿命更长。

• 微合金化低碳马氏体钢的显微组织及力学性能

  阙燚彬, 毛丹丹, 李宏军, 楼华山, 莫文锋, 冯艺, 龙旺, 朱恩洲

  制备了钛、铌和钼等元素掺杂的微合金化低碳马氏体钢,并对其进行热轧+880?℃淬火+不同温度（170,190,210,230,250?℃）回火处理,研究了不同热处理态试验钢的显微组织、拉伸性能和冲击性能,以190?℃回火态钢为例分析了强韧化机制。结果表明：热轧态试验钢由铁素体和贝氏体组成,淬火态试验钢由铁素体和马氏体组成,不同温度回火态试验钢均由回火马氏体和少量铁素体组成,回火态试验钢的铁素体面积分数在15%~20%,低于热轧态和淬火态；淬火态试验钢的抗拉强度和布氏硬度最高；随着回火温度升高,回火态试验钢的抗拉强度和布氏硬度下降,断后伸长率、屈服强度和冲击吸收功均先增大后减小；190?℃回火态试验钢的断后伸长率和冲击吸收功最高,拉伸断口和冲击断口处纤维区中韧窝占比最高,抗拉强度、布氏硬度和屈服强度适中,综合力学性能最好；190?℃回火态试验钢中析出的纳米级小尺寸（Ti,Nb,Mo,Cr）C相起到沉淀强化作用,纳米级大尺寸（Ti,Nb,Mo,Cr）C相起细晶强化作用,大角度晶界占比较高,提高了裂纹扩展功,因此试验钢强度和韧性提高。

• 基于银纳米线/聚苯胺纳米复合材料的电致变色薄膜及器件的制备与性能

  陈光伟, 郭海伟

  以质量比分别为1∶5,1∶15,1∶25的银纳米线（AgNWs）和苯胺为原料,采用化学氧化聚合法制备了银纳米线/聚苯胺（AgNWs/PANI）纳米复合材料,喷涂在氧化铟锡（ITO）导电玻璃上得到AgNWs/PANI电致变色薄膜,将喷涂AgNWs/PANI（质量比为1∶15）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）电致变色薄膜的ITO基电极组装得到分层式电致变色器件,研究了AgNWs/PANI电致变色薄膜和电致变色器件的微观形貌和电致变色性能。结果表明：AgNWs/PANI电致变色薄膜中PANI均匀包覆在AgNWs上形成线性核壳结构,当AgNWs和苯胺质量比为1∶5时薄膜中有很多AgNWs暴露在外,当质量比为1∶25时AgNWs暴露缺陷较少但形成的导电通路连续性差,当质量比为1∶15时AgNWs被PANI完美包覆且导电通路连续均匀；与纯PANI电致变色薄膜相比,AgNWs/PANI电致变色薄膜的峰值电流密度、离子扩散速率和光学对比度增大,电荷传递阻抗减小,变色效果明显,电致变色性能提升,AgNWs和苯胺质量比为1∶15时电致变色性能最佳；电致变色器件的最大光学对比度为65.2%,着色和褪色过程响应时间分别仅为6.5,4.9 s,经历1?000次恒电位跃迁后光学对比度保留率高达97.7%,着色效率高达124.6?cm2·C?1。

• 球化退火冷却速率对SR19热作模具钢组织和硬度的影响

  李奎岑, 吴日铭, 周光富, 陈雨飞, 许艺

  利用DEFORM软件模拟得到大尺寸（200?mm×800?mm×2 000?mm）SR19热作模具钢在退火降温过程中不同深度位置的温度场,根据降温曲线设计该钢小尺寸试样的球化退火工艺,如下：将试样加热至860?℃保温2 h,分别以不同速率（15,30,45,60?℃·h?1）缓冷至740?℃保温4?h,再炉冷至500?℃后空冷至室温。分析了冷却速率对试样组织和硬度的影响。结果表明：随着冷却速率增大,试样中的先共析铁素体含量和碳化物分布均匀程度均先减小后增大,球化率先保持平稳后快速下降,退火硬度先减小后增大；当冷却速率为45?℃·h?1时得到的显微组织最佳,碳化物分布均匀,球化率较高,先共析铁素体含量较少且出现了硬度的回落。先共析铁素体产生的原因主要是退火过程中冷却速率的控制不当导致奥氏体优先转变为铁素体并保留在最终组织中。

• 烧结温度对CNTs/Cu复合材料组织和力学性能的影响

  杜航, 杨柳, 江永涛, 陈枳匀, 邓丽萍

  采用电泳沉积法在铜箔上沉积碳纳米管,层层堆叠后在不同烧结温度（550,650,750,850,950?℃）下热压烧结制备碳纳米管增强铜基（CNTs/Cu）复合材料,研究了烧结温度对复合材料显微组织和力学性能的影响。结果表明：随着烧结温度升高,复合材料中孔隙的数量减少,尺寸减小,碳纳米管分布均匀性增大,铜晶粒尺寸增大,退火孪晶晶粒尺寸增大但数量减少；随着烧结温度升高,复合材料的抗拉强度和显微硬度均呈先减小后增大的趋势,断后伸长率变化呈非单调性变化；当烧结温度为650?℃时,复合材料的抗拉强度和显微硬度适中,断后伸长率最大,综合力学性能最好。

• 45钢表面C22镍基合金激光熔覆层的制备与性能

  王宗江, 谢瑞祥, 廖杰

  应用激光熔覆技术在45钢基体表面制备C22镍基合金熔覆层,研究了激光功率（1?250~2?000 W）、扫描速度（80,130?mm·s?1）对熔覆层质量的影响,并获得最优工艺参数；分析了最优工艺参数制备熔覆层的物相组成、微观结构和耐腐蚀性能。结果表明：不同工艺参数下制备的熔覆层与基体均形成良好的冶金结合。随着激光功率的增加或扫描速度的降低,熔覆层宽度以及热影响区深度均整体呈增大趋势；随激光功率增大,80?mm·s?1扫描速度下的熔覆层高度整体呈增大趋势,而130?mm·s?1扫描速度下则整体呈减小趋势；130?mm·s?1扫描速度下的熔覆层宽度和高度以及热影响区深度均较小。最优激光熔覆工艺参数为扫描速度80?mm·s?1、激光功率1?750 W,此时单道单层熔覆层的高度最大,熔覆层宽度和热影响区深度适宜。熔覆层由γ-Ni（Cr,Mo,Fe）枝晶和少量MoNi4金属间化合物组成,钼元素在枝晶间富集；与介质温度为50?℃时相比,介质温度为70?℃下的熔覆层自腐蚀电位较低,自腐蚀电流密度较高,钝化膜电阻较低,耐腐蚀性能较差,但极化曲线中仍然存在稳定的钝化区,说明在该温度下仍具有较好的保护作用。盐雾加速腐蚀144 h后,熔覆层表面形貌未发生改变,耐腐蚀性能良好。

• 浇注温度与型壳温度对K4648镍基高温合金组织和性能的影响

  张丽辉, 高达, 黄强, 张楚博, 张强, 任晓冬, 胡聘聘, 张勇

  针对某型号燃气涡轮导向器用K4648镍基高温合金室温冲击韧性无法达到标准要求（冲击韧性大于20 J·cm?2）的问题,在不同的浇注温度与型壳温度（1?490?℃/1?050?℃,1?490?℃/950?℃,1?460?℃/1?050?℃）下制备了K4648镍基高温合金,并进行了固溶+标准热处理,研究了浇注温度与型壳温度对合金显微组织和冲击性能的影响,获得了优化的工艺参数。结果表明：当型壳温度或浇注温度较低时,K4648镍基高温合金的晶粒尺寸和二次枝晶间距较小,块状初生α-Cr相含量较少、尺寸较小,合金的冲击韧性较大,冲击断口处次生裂纹数量较少；优化工艺参数为型壳温度950?℃、浇注温度1?490?℃,此工艺参数下制备的K4648镍基高温合金的冲击韧性最大,为21.4 J·cm?2,满足标准要求。

• 时效时间对Ni-W-Al-Ti高密度合金组织与性能的影响

  高达, 张丽辉, 侯振昌, 聂志华, 齐闯, 张楚博, 张强

  基于面心立方结构及细小弥散相强化原理,设计了一种新型Ni-W-Al-Ti高密度合金（密度为10.8 g·cm?3）,将其在750?℃下进行不同时间（0,8,16,24,32 h）的时效处理,研究了时效时间对合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明：时效处理后,Ni-W-Al-Ti高密度合金中析出了长程有序的D1a型Ni4W和L12型Ni3Al强化相,随着时效时间延长,Ni4W相尺寸增大,形状由球状变为椭球状,Ni3Al相数量增多；随着时效时间延长,合金的屈服强度先增加后趋于稳定,抗拉强度无明显变化,断后伸长率减小；当时效时间为24 h时,合金的屈服强度最大,为740 MPa,抗拉强度和断后伸长率适中,分别为886 MPa,9%,综合拉伸性能较佳。

• 装配间隙及垫片材料对碳纤维增强复合材料胶铆接头力学性能的影响

  叶结和, 张子博, 徐野, 梁景恒, 郑自芹, 宋鸿宇

  制备了碳纤维增强复合材料（CFRP）胶铆接头,对其进行了单接缝拉伸剪切试验,研究了装配间隙（0,0.3,0.5,1.0?mm）和垫片材料（CFRP、无碱玻璃纤维布和EP6250环氧树脂胶黏剂）对接头拉伸-剪切力学性能和失效模式的影响。结果表明：不同装配间隙和垫片材料下,胶铆接头的载荷-位移曲线相似,均可分为弹性阶段、界面失效阶段、铆钉受力阶段和铆钉头部拉脱阶段；随着装配间隙增加,垫片材料为CFRP和纤维布的胶铆接头的极限载荷下降,垫片材料为胶黏剂的极限载荷基本不变,当装配间隙为1.0?mm时,垫片材料为胶黏剂的胶铆接头的极限载荷最大；当垫片材料为CFRP和纤维布时,不同装配间隙下胶铆接头的失效模式均为垫片侧胶面开裂,当垫片材料为胶黏剂时,胶铆接头失效模式均为CFRP板层间开裂。

• 复合负泊松比人工骨材料胞元结构参数与力学性能的匹配

  叶建华, 徐欢, 韦铁平, 曾寿金

  基于手性结构和内凹结构设计了一种新型复合负泊松比多孔结构；采用Ti6Al4V钛合金球状粉末,通过选区激光熔化成形技术制备了复合结构试样,基于响应曲面法研究了胞元长度与环径比（0.7~0.9）、杆径（0.4~0.6?mm）和内凹角度（60°~80°）及其交互作用对复合结构试样弹性模量和屈服强度的影响,获得优化的胞元结构参数。结果表明：当孔隙率为75%时,复合结构试样的弹性模量和屈服强度介于手性和内凹结构试样之间；采用小胞元长度与环径比、小杆径和大内凹角度时,复合结构试样的弹性模量较低,采用大胞元长度与环径比、大杆径和小内凹角度时,屈服强度较高；复合结构的优化参数为胞元长度与环径比0.9、内凹角度60.1°、杆径0.546?mm,预测得到该优化复合结构试样的弹性模量为3.71 GPa,与试验值（3.65 GPa）的相对误差为1.64%,说明采用响应曲面法建立的负泊松比结构参数与力学性能关系模型可靠,实测该复合结构试样的屈服强度高达210.36 MPa。

• 316L不锈钢氢致开裂行为的数值模拟

  喻纬鸣, 赵晨宇, 邓俊峰, 陶平, 巩建鸣

  采用ABAQUS有限元分析软件,基于与氢浓度相关的内聚力模型,通过顺序耦合的方法模拟了316L不锈钢的氢致开裂行为,研究了晶粒尺寸（35,25,15?μm）、应力集中系数（4.0,2.6）和应力（500,312 MPa）对氢致开裂的影响,并将模拟结果与试验结果进行了对比。结果表明：内聚力模型可以很好地模拟316L不锈钢的氢致开裂行为,模拟得到的氢致裂纹长度与试验结果的相对误差均在15％以内；当应力集中系数或应力较大时,氢致裂纹较长,说明316L不锈钢易发生氢致开裂；随着晶粒尺寸减小,氢致裂纹的长度减小,沿晶特征减少,316L不锈钢的氢脆敏感性降低。

• 层削法测试金属板材残余应力的计算公式

  王玉玲, 王俊, 程志远, 宋文城, 郭新汝, 钟娟

  根据材料力学中矩形截面梁的挠度变形方程,推导了一种新的层削法测试矩形截面长条试样残余应力的计算公式,用此公式计算了厚度为165?mm的7050-T7451铝合金轧制板材的残余应力,将该公式计算的残余应力与现有标准公式计算的残余应力进行了比较。结果表明：当铣削层数不超过9时,采用该公式计算的残余应力与现有标准公式计算结果的相对误差不超过6%,说明该公式准确,可以用于计算金属板材残余应力。

• 某气撬设备16MnIII钢锻管开裂原因

  姚伟, 夏培培, 张开, 董天宇, 谷云龙, 杨柳青

  某气撬设备在运往现场后发现进口过滤单元处的16MnIII钢锻管出现开裂。采用宏观形貌观察、金相检验、能谱分析、化学成分分析、硬度测试、断口形貌观察和有限元分析等方法分析了该锻管开裂的原因。结果表明：该锻管的开裂性质为解理脆性断裂；结合有限元模拟和管系实际受力状况推测,运输过程中管系承受过大弯矩是锻管在变壁厚处开裂的主要原因。