机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2025年第4期

• 激光重熔改善等离子喷涂涂层性能的研究进展

  赵冬冬, 荣先成, 张士陶, 赵忠贤, 李文戈, 赵远涛

  等离子喷涂可以熔化高硬度、高熔点粉末且对基体无特殊要求，广泛应用于金属、陶瓷、复合材料等涂层的制备。激光重熔可以有效消除等离子喷涂涂层所固有的层状结构、孔隙、微裂纹等缺陷，增强涂层与基体间的结合力，从而改善涂层性能。从等离子喷涂金属涂层、陶瓷涂层、复合材料涂层3个方面总结了采用激光重熔改性等离子喷涂涂层的研究进展，探讨了目前研究中存在的问题，并对未来研究方向进行展望。

• 钛合金表面耐磨损PVD涂层及制备技术研究进展

  李聪, 刘健招, 周立波, 陈维, 陈汪林, 陈荐

  为提高钛合金表面的硬度及耐磨性能，常采用物理气相沉积（PVD）技术在其表面制备涂层。介绍了类金刚石涂层、改性氮化物涂层、复合氮化物涂层、梯度涂层等常见的PVD涂层，系统阐述了磁控溅射技术、离子镀技术、离子束辅助沉积技术、真空蒸发镀技术等常用PVD技术的特点，归纳了基底偏压、溅射功率、沉积气压、沉积温度、阴极弧流等调控涂层磨损性能的工艺参数，指出了目前耐磨损PVD涂层制备存在的问题，并对其发展趋势进行了展望。

• 脉冲次数对强流脉冲电子束表面改性AZ31B镁合金组织和性能的影响

  陈军, 尚振宇, 李伟, 郝胜智, 王轶农

  利用强流脉冲电子束辐照AZ31B镁合金，研究了不同脉冲次数（3，5，7次）下合金的表面形貌、物相组成、晶粒尺寸、硬度和耐磨性能，并与未辐照合金进行对比。结果表明：强流脉冲电子束辐照未改变合金的物相组成，但使得原晶界处分布的Mg17Al12第二相粒子弥散分布；辐照后合金表面产生熔坑，表面粗糙度增大，随着脉冲次数的增加，熔坑的数量减少、尺寸增大，合金表面粗糙度降低；3次、5次脉冲辐照后合金表面无明显缺陷，而7次脉冲辐照后表面存在少量微裂纹；辐照后合金表面存在大量孪晶，晶粒尺寸明显减小，随着脉冲次数的增加，晶粒尺寸略微减小，7次脉冲辐照后的合金中存在大尺寸晶粒和孪晶，晶粒尺寸分布不均匀；随着脉冲次数的增加，合金表面平均硬度升高，7次脉冲辐照后的平均硬度与未辐照合金相比提高约29%，但硬度均匀性较差；与未辐照合金相比，3次、5次脉冲辐照后的磨损体积较小，而7次脉冲辐照后的磨损体积较大，5次脉冲辐照后的磨损体积最小，合金的耐磨性能最好。5次脉冲辐照后合金的综合性能最好，与未辐照合金相比，其平均晶粒尺寸减小约32%，平均硬度提高约23%，磨损体积减少约27%。

• 微合金化元素硼含量对CoCr0.4NiSi0.3By中熵合金热变形行为及显微组织的影响

  张丽, 陈立佳, 赵晖, 张伟强

  熔炼制备了不同硼含量的CoCr0.4NiSi0.3By（y为物质的量分数，取0.001，0.004，0.007）中熵合金，并进行不同温度（750，850，950，1?050?℃）、应变速率0.01?s?1下的热压缩试验，研究了硼含量和热压缩温度对试验合金显微组织、物相组成和热变形行为的影响。结果表明：不同温度下热压缩后，不同硼含量试验合金均发生动态再结晶，物相由面心立方基体相、少量密排六方及四方相组成；随着硼含量增加，密排六方和四方相衍射峰强度增强，面心立方相（111）晶面衍射峰开始强于（200）晶面衍射峰；750?℃中温热变形中存在含硼第二相强化，该相在1?050?℃高温热压缩后相变，此为合金的高温软化机制；随着硼含量增加或热压缩温度降低，峰值流变应力增大；随着硼含量增加或热压缩温度升高，动态再结晶晶粒长大，合金平均晶粒尺寸增大，孪晶体积分数减小。

• 基于三维数字图像相关法研究表面粗糙度和缺口对TC4钛合金拉伸性能的影响

  段海涛, 陈志新, 张哲, 孙景涛, 刘雨超

  基于三维数字图像相关法，研究了表面粗糙度（0.745，1.055，1.395?μm）和缺口半径（0，0.6，1.2?mm）对TC4钛合金室温拉伸性能以及紧缩阶段的位移场和应变场的影响。结果表明：随着表面粗糙度增加，无缺口试样的断后伸长率先减小后增大，抗拉强度增大，缺口试样的断后伸长率小幅增大，抗拉强度增大；随着缺口半径增加，断后伸长率先大幅减小后小幅回增，抗拉强度增大；同时增加表面粗糙度和缺口半径，断后伸长率减小，产生了逆向交互作用，抗拉强度显著增大，产生了正向交互作用；无缺口试样x方向变形不均、y方向（轴向）均匀延伸，x方向应变向中部、y方向应变向颈缩区集中；1.2?mm缺口半径试样位移场等高线呈弯曲状，密集分布于缺口处，应变场呈同心圆状，0.6?mm缺口半径试样位移场等高线呈斜线状向缺口处聚拢，但相比大缺口试样分布疏散，应变场呈不规则状。

• 切割方法对聚合物基复合材料开孔试样力学性能的影响

  潘星, 贾仕君

  采用刀具机械加工、磨料水射流加工和纳秒激光加工在玻璃纤维增强酚醛树脂基复合材料、碳纤维增强环氧树脂基复合材料以及玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料板上制备中心带直径6?mm圆孔、尺寸为200?mm×25?mm×2?mm的矩形试样，对比了不同切割方法下的加工精度、表面粗糙度以及形貌特征，研究了切割方法对不同复合材料力学性能的影响。结果表明：磨料水射流加工试样表面粗糙度最小，刀具机械加工次之，两者加工精度较高，纳秒激光加工试样表面粗糙度最大，且加工精度较低；刀具机械加工和磨料水射流加工孔侧面均出现少量毛刺及分层等缺陷，切割面无开裂及热影响区，纳秒激光加工切割面发生严重的烧蚀和氧化；对于玻璃纤维增强酚醛树脂基复合材料，3种切割方法下开孔拉伸强度相似；对于碳纤维增强环氧树脂基复合材料，刀具机械加工下开孔拉伸强度最大，磨料水射流加工次之，纳秒激光加工最小；对于玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料，刀具机械加工和磨料水射流加工下开孔拉伸强度相似且较大，纳秒激光加工下较小。

• 工艺参数对大气等离子喷涂Al2O3-13%TiO2复合涂层显微硬度和耐冲蚀性能的影响

  钟万才, 刘成, 方良斌, 李强, 赵远涛, 张士陶, 李文戈

  采用大气等离子喷涂工艺制备了Al2O3-13%TiO2（质量分数）复合涂层，通过四因素三水平正交试验，研究了喷涂距离（80，100，120?mm）、电流（530，565，600?A）、氩气流量（31，36，41?L·min?1）、氢气流量（10，12，14?L·min?1）对涂层显微硬度的影响，获取最佳工艺参数，并对比研究了最佳工艺参数下涂层的物相组成、显微组织、耐腐蚀性以及耐冲蚀性。结果表明：对显微硬度的影响程度按从大到小排序为喷涂距离、电流、氩气流量、氢气流量；随着喷涂距离增加，显微硬度先增大后减小，随着电流、氩气流量或氢气流量增加，显微硬度先减小后增大；最佳工艺参数为电流530?A，喷涂距离100?mm，氩气流量41?L·min?1，氢气流量10?L·min?1，此条件下制备涂层的显微硬度最大，γ-Al2O3亚稳定相含量少，表面孔隙和微裂纹少，孔隙率小，耐腐蚀性和耐冲蚀性好。

• 不同热变形条件下F690海工钢的热变形行为

  孙昊, 屠业宽, 瞿柯杰, 徐梓轩, 蔡雨腾, 张才毅, 沙金洋, 马颜春, 张振

  利用热模拟试验机对国产F690海工钢进行不同变形量（0~50%）、变形温度（800，900，1?000?℃）和应变速率（0.1，0.01，0.001?s?1）下的热模拟压缩试验，研究了不同变形条件对试验钢组织和性能的影响，结合Deform-3D有限元软件分析了不同变形条件下的损伤参数和再结晶情况。结果表明：在不同变形条件下试验钢均在变形初期发生加工硬化，流变应力随真应变的增大先增大，达到峰值后逐渐降低，最后趋于稳定；流变应力随着应变速率的减小或变形温度的升高而降低；模拟可得较高变形温度和较小应变速率下变形后的损伤值较小，较高变形温度和较大应变速率下的动态再结晶体积分数较大；动态再结晶主要发生在较高变形温度以及适中的变形量下，贝氏体相随应变速率的增加由不连续动态再结晶转为连续动态再结晶，晶粒细化程度增加，晶粒尺寸不均匀程度减小。在高应变速率下选择较高变形温度，可以减弱试验钢的加工硬化效应，提高塑性。

• 激光选区熔化成形钴铬合金的显微组织和拉伸性能

  曾小安, 张立婷, 邓清文, 刘海庆, 刘鹏宇

  采用激光选区熔化技术制备钴铬合金，研究了不同方向（垂直和平行于成形方向）的显微组织、晶体结构和拉伸性能，根据显微组织特性分析了拉伸性能各向异性机理。结果表明：钴铬合金的显微组织表现出各向异性，平行于成形方向出现鱼鳞状轨迹，晶体呈柱状晶粒结构，而垂直于成形方向存在激光熔化轨迹，晶体呈细小胞状蜂窝排列的等轴晶粒结构；相比平行于成形方向，垂直于成形方向的小角度晶界占比和核平均错配度较大，施密特因子较小，抗拉强度和屈服强度分别增大了13.74%，16.55%，断后伸长率减小了15.64%，垂直于成形方向上呈高强度低塑性特征；钴铬合金拉伸性能的各向异性主要归因于不同方向细晶强化效应和位错密度等存在差异，平行和垂直于成形方向的拉伸断裂机制均为准解理断裂。

• 基于霍普金森压杆试验研究闭孔泡沫铝的动态压缩力学性能

  张晓忠, 曾斌, 徐戎, 王静, 金峰

  结合波形整形技术，根据弹长调试和整形器调试结果改进常规霍普金森压杆试验装置，研究了不同密度（0.48，0.61，0.70?g·cm?3）闭孔泡沫铝在应变速率150, 700, 1 400?s?1下的动态压缩力学性能。结果表明：增加弹长可以在获得较大变形的同时实现应变速率的下降，故选用3?m长子弹与4?m长入射杆和透射杆；相比无整形器时，使用直径为20?mm的6层瓦楞纸板整形器后，试样波形持续时间和上升沿时间较长，且在208 μs后就基本达到应力均匀性要求；随着应变速率增加或密度增加，闭孔泡沫铝的压溃应力、屈服强度和平台应力均增大，动静态屈服强度比与相对应变速率（相对于准静态应变速率0.001?s?1）成近似幂函数关系，呈现一定的应变速率效应。

• Inconel 690镍基合金在不同环境下的超高周疲劳性能

  彭文杰, 王金龙, 刘冬, 吴圣川, 肖永茂

  在载荷频率20 kHz、应力比?1、应力幅305~350?MPa条件下对国产Inconel 690镍基合金进行室温空气环境、室温水环境以及350?℃高温空气环境中的疲劳试验，研究了不同环境中该合金的超高周疲劳寿命以及疲劳断口特征。结果表明：Inconel 690镍基合金在不同环境中均发生超高周疲劳失效，在相同应力幅下，室温空气环境中的疲劳寿命最高，室温水环境中的次之，高温空气环境中的疲劳寿命最低；不同环境中合金的断裂类型均为解理断裂。在室温空气环境中，合金的高周疲劳失效类型包括内部疲劳失效和表面疲劳失效，裂纹源为单裂纹源；在室温水环境中，在水的弱腐蚀性和循环载荷的作用下，合金发生表面疲劳失效，疲劳裂纹源包括单裂纹源和多裂纹源；在高温空气环境中，由于合金强度降低和表面氧化，合金发生表面疲劳失效，裂纹源为单裂纹源。

• 滑动磨损载荷对某小吨位铸钢履带板表层显微组织和磨损行为的影响

  张三民, 柴红琴, 邵家铭, 刘春鹏, 索忠源, 付立铭

  以国内常见的某小吨位起重机铸钢履带板为研究对象，通过不同载荷（5~35 N）下的滑动磨损试验研究了履带板磨损后的表层显微组织和磨损行为。结果表明：在5?N载荷下，履带板表面仅形成厚10?μm左右的塑性流变层；在15~35 N载荷下，表面变形层由表面的细晶层和次表面的塑性流变层组成，细晶层内存在微裂纹；随着载荷增加，表面变形层厚度增大。随着载荷的增加，履带板的磨损质量损失增加。在5?N低载荷下，履带板磨损表面较平整，磨损形式为轻微磨粒磨损；当载荷高于5 N时，磨损表面出现剥落坑，磨损形式为磨粒磨损和疲劳磨损。

• 轧制碳钢/不锈钢复合板残余应力分布的数值模拟以及调控

  冯莹莹, 周俊甫, 郭学浩, 孙晓倩

  对轧制14Cr1MoR碳钢/316L不锈钢复合板中不锈钢层的残余应力分布进行数值模拟和试验测试，通过对比复合板应力场模拟结果与试验结果，验证了模型准确性；对复合板进行不同温度（400，500，600?℃）下保温2?h的热处理，研究了热处理温度对残余应力消除效果的影响。结果表明：模拟可得经过6道次往复轧制后，接近轧辊的碳钢侧应力大于远离轧辊的不锈钢侧，且应力在轧后空冷过程中均随着温度的快速降低而大幅度增加；随着深度增加，不锈钢层的轧向和横向残余应力先增大后减小，在近界面附近达到最大，复合板试样近心部的残余应力大于边部；空冷后复合板的应力场模拟结果与试验结果的相对误差小于15%，证明了有限元模拟准确；热处理可以有效降低碳钢/不锈钢复合板的残余应力，且热处理温度越高，复合板的轧向和横向残余应力消除率越大，轧向残余应力消除率超过50%。

• 多轮吞吐热采套管用N80Q钢高温疲劳性能本构模型的建立

  崔璐, 常文权, 王澎, 徐龙, 杨怡, 修浩炜

  在350?℃高温下对热采套管用N80Q钢进行单轴拉伸试验、蠕变试验（应力分别为350，450?MPa）和对称载荷低周疲劳试验（平均应变为0，应变幅分别为1.0%，1.4%，2.0%，3.0%），根据试验数据确定材料参数，构建了Chaboche黏塑性本构模型，并采用平均应变为0.5%的非对称载荷低周疲劳试验进行了验证。结果表明：根据单轴拉伸曲线、疲劳初始曲线以及蠕变曲线确定了弹塑性参数，根据对称载荷作用下的滞回曲线确定了随动强化参数、等向强化参数和损伤阶段参数；当循环次数为半循环寿命时，应变幅分别为1.0%，1.4%，2.0%，3.0%下，构建的本构模型模拟与非对称载荷低周疲劳试验所得试验钢最大应力之间的相对误差分别为4.10%，3.15%，3.10%，0.87%，相对误差在5%之内，说明模型准确。

• 不同拉伸方向下单晶镁的分子动力学模拟

  刘子晨, 毛萍莉, 张弛

  采用分子动力学模拟方法，在温度300?K、应变速率109?s?1条件下，从原子尺度研究了不同拉伸方向（0001和112?0晶向）对单晶镁拉伸性能以及变形机制的影响。结果表明：单晶镁的拉伸行为表现出各向异性；沿0001晶向拉伸的弹性模量、屈服强度以及发生塑性变形需克服的势能垒较大，出现二次屈服现象，在此方向较难变形，其变形机制为第一次屈服由101?2拉伸孪晶形核和生长主导，第二次屈服由101?2-101?1二次孪晶主导；沿112?0晶向拉伸的弹性模量、屈服强度和发生塑性变形需克服的势能垒较小，只有一次屈服，在此方向较易变形，其变形机制为初始屈服由101?1压缩孪晶形核并长大主导，随后在晶体内位错与孪晶的相互作用下出现孪晶界局部应力集中。

• 烧结银层多孔结构对烧结银接头剪切性能的影响

  陈国庆, 张超锋, 李万里, 薛雨诗, 尹加政

  将镀银铜片、微米银焊膏和镀银铜片堆叠成“三明治”结构，然后在不同烧结压力（0，0.5，1，3，6 MPa）下热压烧结制备烧结银接头，研究了烧结压力对接头中间烧结银层孔隙率、孔径及层厚的影响；采用试验与有限元模拟相结合的方法对烧结银接头进行剪切性能测试，分析烧结银层多孔结构特征对烧结银接头剪切性能的影响。结果表明：随着烧结压力的增大，烧结银层的孔隙率由19.3%降至7.5%，平均孔径由1?560?nm降至1?390?nm，层厚由67?μm降至36?μm，烧结银接头的断裂模式由混合断裂模式向层间断裂模式转变，烧结银层的塑性变形程度增大；模拟得到不同烧结压力下烧结银层的层间断裂微观形貌以及接头的载荷-位移曲线和抗剪强度均与试验结果基本吻合，其中在有压烧结条件下抗剪强度的最大相对误差为13%，验证了有限元模拟方法的准确性；随着烧结银层孔隙率由7.5%增至15.1%，剪切载荷达到峰值时烧结银层的变形程度变小，接头的抗剪强度降低40%；随着烧结银层平均孔径由1?390?nm增至1?510?nm，剪切载荷达到峰值时烧结银层的变形程度变化不大，接头的抗剪强度降低6%；随着烧结银层层厚由36?μm增至53?μm，剪切载荷达到峰值时烧结银层的变形程度变大，接头的抗剪强度增加24%。

• 海洋礁石破碎作业用凿岩棒锤头的失效原因

  徐霖绿, 郑志斌, 陈容钦, 唐伟, 徐志彪, 刘天龙

  某服役于南海疏浚破岩项目挖泥船上的凿岩棒锤头在作业约20?h后磨损至接近安全服役尺寸，通过宏微观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察，以及硬度、拉伸及冲击性能测试等方法分析了凿岩棒锤头的失效原因。结果表明：凿岩棒锤头发生了明显的加工硬化和腐蚀磨损，损伤表面主要出现锈蚀、切削犁沟、疲劳剥落坑；成分控制与铸造工艺流程设计不当导致的组织不均匀、碳化物析出、氧化物夹杂以及恶劣工况下冲击、磨损与腐蚀的交互作用是凿岩棒锤头失效的主要原因。

• 飞机座椅1Cr17Ni2奥氏体不锈钢外套螺母的开裂原因

  王天君, 田家彬, 董营, 葛春丽

  某飞机座椅导管1Cr17Ni2奥氏体不锈钢外套螺母在服役1?000~2?000?h后发生多件开裂，通过宏观形貌观察、断口宏微观形貌观察、显微组织观察、硬度检测等方法分析了螺母的开裂原因。结果表明：外套螺母发生了应力腐蚀开裂。开裂内在原因包括外套螺母晶界处链状分布的含铬析出物和组织中较高含量的δ-铁素体和塑性夹杂物，这导致其硬度过高、脆性较大，外在原因包括腐蚀性氯环境以及一定的装配应力。