机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2025年第5期

• 第一性原理计算三元硼化物金属陶瓷性能的研究进展

  王辰寅, 楼海军, 高峰, 张士陶, 胡肇炜, 李文戈, 赵远涛

  利用第一性原理计算Mo2NiB2、Mo2FeB2、MoCoB、WCoB等三元硼化物金属陶瓷力学性能和物理性质，在开发和设计新型三元硼化物金属陶瓷方面发挥着重要作用。介绍了三元硼化物的结构特点及性能，综述了第一性原理在计算三元硼化物结构稳定性、力学性能、电子结构和热力学性能等方面的研究进展及存在的问题，并对未来的发展方向进行了展望。

• 发动机涡轮叶片热障涂层陶瓷层及其制备技术的研究现状

  王敏, 孙勇涛, 赵伟文, 袁建辉

  ZrO2基陶瓷、稀土锆酸盐、铝酸盐、钽酸盐、铌酸盐、钙钛矿、A6B2O17陶瓷等常被用作发动机涡轮叶片热障涂层的陶瓷层材料，可以有效降低涡轮叶片金属基体的工作温度，从而提高发动机的许用工作温度，延长叶片使用寿命。对上述热障涂层陶瓷层材料的微观结构及性能提升的研究进展进行了综述，总结并对比了大气等离子喷涂和电子束-物理气相沉积等制备方法。指出未来研究方向应集中在：通过稀土掺杂改性等方法使陶瓷材料的热膨胀系数与叶片基体材料更好地匹配，同时提高其断裂韧性，降低热导率；对现有制备方法进行参数调控或不同工艺融合等优化，从而获得成本低且性能稳定的热障涂层陶瓷层。

• AgCuTi合金钎料钎焊制备陶瓷基覆铜板的研究进展

  孙会彪, 金石磊, 马峰岭, 李震奇, 吴子华

  活性金属钎焊覆铜通过将铜板、活性金属钎料和陶瓷基板组合成“三明治”结构，再施以高温实现铜与陶瓷的连接。AgCuTi合金钎料是活性金属钎焊制备覆铜板时的主流钎料，制备的陶瓷基覆铜板具有良好的导热性能和较高的结合强度。综述了钎焊时AgCuTi合金钎料对陶瓷基板和铜板的润湿作用以及产生的界面反应；归纳总结了AgCuTi合金钎料钎焊陶瓷基覆铜板时的应用形式与优缺点，以及陶瓷基覆铜板焊层空洞率与热循环可靠性的影响因素。指出未来研究方向应集中在低银、无银钎料研发以及调节工艺参数以减少焊层空洞等方面。

• 交变载荷作用下无碳化物贝氏体钢中残余奥氏体的转变规律

  李欣睿, 肖若愚, 赵海, 张明如, 孙巧艳

  在不同应力水平（应力幅为200~550?MPa，应力比为?1）下对无碳化物贝氏体钢进行疲劳试验，采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射和电子背散射衍射等研究了交变载荷作用下试验钢中残余奥氏体的转变规律。结果表明：试验钢中残余奥氏体发生转变的临界应力幅为300?MPa，当应力幅高于300?MPa时残余奥氏体开始转变为马氏体，奥氏体含量减少，试验钢的硬度提高。随着循环加载过程的进行，残余奥氏体含量减少。疲劳后试验钢中残余奥氏体的核平均取向差（KAM）值高于贝氏体铁素体，说明疲劳过程中残余奥氏体比贝氏体铁素体更易发生塑性变形。相较于低施密特因子贝氏体铁素体板条间的残余奥氏体，高施密特因子板条间的残余奥氏体在疲劳过程中更易转变为马氏体。

• 冷拔变形量与热处理对55SiCr弹簧钢丝组织及力学性能的影响

  苏森, 刘长亮, 朱文浩, 柴敬超, 王杰, 康克家

  将直径5.5?mm的55SiCr弹簧钢丝粗拉至直径5.00?mm，再进行10道次冷拔，冷拔变形量依次为4.94，8.91，13.34，19.54，25.97，34.75，42.52，55.44，69.55，82.34?cm，最终钢丝线直径为1.81?mm，研究了冷拔变形量对冷拔态钢丝组织及性能的影响；对冷拔后钢丝进行920?℃保温1.5?min油淬、435?℃保温1?min回火处理，研究了淬回火处理后钢丝的组织及力学性能。结果表明：冷拔态弹簧钢丝的组织均由珠光体和铁素体组成。随着冷拔变形量的增大，组织由等轴晶向细长条状丝织构转变，晶粒尺寸减小，抗拉强度和硬度提高，断面收缩率下降。经过淬回火处理后，钢丝的组织转变为由保持针状淬火马氏体位向和形态的铁素体基体和弥散分布的细粒状渗碳体组成的回火屈氏体组织。与淬回火处理前相比，淬回火处理后钢丝的抗拉强度和硬度分别提高了17.5%和23.0%，断面收缩率仅下降了1.96%。

• 石墨烯片负载量对聚乙烯醇-聚丙烯酰胺双网络水凝胶电磁屏蔽和微波吸收性能的影响

  任家豪, 熊杨凯, 李继鹏, 孟庆飞, 汪国庆

  在聚乙烯醇-聚丙烯酰胺（PVA-PAAM）双网络水凝胶中引入不同负载量（4.0%，6.5%，12.0%，16.8%，20.9%，质量分数）的石墨烯片（GF）制备GF/PVA-PAAM复合双网络水凝胶，研究了GF负载量对该水凝胶电磁屏蔽和微波吸收性能的影响。结果表明：随着GF负载量的增加，GF/PVA-PAAM水凝胶的电磁屏蔽效能、吸收效率和反射效率均先增后减，反射损耗基本先减后增，微波吸收能力先升后降。当GF负载量为16.8%时电磁屏蔽效能最高，达27.29?dB；当GF负载量为6.5%时，2.5?mm厚水凝胶在9.6?GHz处的反射损耗最低，达?23.36?dB，有效吸收宽度约为2.12?GHz。GF的引入提高了双网络水凝胶的电磁屏蔽和微波吸收性能以及拉伸强度。

• 球磨时间对MoCoB金属陶瓷组织与性能的影响

  马融, 张杨杨, 王辰寅, 姜涛, 梅伟, 李文戈, 赵远涛, 吴新锋, 王思民

  以钼粉、钴粉和硼粉为原料，对原料粉末进行不同时间（1，12，24，36，48?h）球磨后，采用真空液相烧结工艺制备MoCoB金属陶瓷，研究了球磨时间对MoCoB金属陶瓷物相组成、显微组织、硬度与耐腐蚀性能的影响。结果表明：不同球磨时间下制备的MoCoB金属陶瓷均主要由MoCoB金属化合物相和钴金属相构成。随着球磨时间的延长，原料粉末混合更均匀，在烧结过程中反应更充分，金属陶瓷中MoCoB相的含量增多；球磨时间的延长为烧结过程中MoCoB相的生成提供了更多形核点，提高了液相的流动性，因此晶粒尺寸和孔隙率均减小。随球磨时间延长，MoCoB金属陶瓷的硬度提高，自腐蚀电位升高，自腐蚀电流密度减小，耐腐蚀性能提高。

• 埋粉组成对多孔Si3N4陶瓷结构和性能的影响

  田云龙, 祁海, 郭方全, 曹冲, 韩伟月, 李鹏飞, 钱豪杰

  利用凝胶注模成型工艺制备α-Si3N4陶瓷素坯，并分别埋在BN、BN+Y2O3+Al2O3（物质的量比1∶1∶1）、BN+Y2O3+Al2O3+Si3N4（物质的量比1∶1∶1∶1）的粉床中，采用气压烧结工艺制备多孔Si3N4陶瓷，研究了埋粉组成对陶瓷物相组成、微观结构、抗弯强度和介电性能的影响。结果表明：利用BN埋粉烧结得到的多孔Si3N4陶瓷由α-Si3N4颗粒组成，孔隙率最高，抗弯强度和介电常数最低；利用BN+Y2O3+Al2O3埋粉烧结得到的陶瓷主要由颗粒状α-Si3N4组成，少量短柱状β-Si3N4相分散在α-Si3N4中，孔隙率较高，抗弯强度和介电常数较低；采用BN+Y2O3+Al2O3+Si3N4埋粉烧结得到的陶瓷由长柱状β-Si3N4相组成，β-Si3N4晶粒交叉互锁形成孔洞，孔隙率最低，抗弯强度和介电常数最高。利用不同组成埋粉烧结得到陶瓷的介电损耗均在10?3数量级，陶瓷的透波性能优异。利用BN+Y2O3+Al2O3+Si3N4埋粉烧结得到的多孔Si3N4陶瓷的性能最优，其孔隙率为53.7%，抗弯强度为128.2 MPa，介电常数为2.96，介电损耗为1.62×10?3。

• 下压量对Al-0.75Mg-0.75Si-0.8Cu合金搅拌摩擦焊接头组织及力学性能的影响

  刘成龙, 孙有平, 何江美, 李旺珍, 罗章, 刘鑫雨

  熔炼制备Al-0.75Mg-0.75Si-0.8Cu合金，依次进行均匀化、轧制、固溶和时效处理后，在不同下压量（0.04，0.08，0.12，0.16?mm）下进行搅拌摩擦焊接，研究了下压量对接头显微组织、织构和力学性能的影响。结果表明：随着下压量增大，焊核区晶粒尺寸增大，带状晶向等轴晶转变，大角度晶界占比先下降后趋于稳定，再结晶晶粒占比先降低后略有提高，同时由于焊核中心区的塑性变形增大，该区域A?和C织构向B?织构转变。不同下压量下接头最低硬度均出现在前进侧热机影响区。随着下压量的增大，接头的硬度、抗拉强度和断后伸长率先升后降，均低于母材；当下压量为0.08?mm时，硬度、抗拉强度和断后伸长率均最大，此时拉伸断口中存在小而密的韧窝。

• 焊接电流对6061-T6铝合金不等厚三层板电阻点焊接头组织及力学性能的影响

  高雷, 侯军才, 张秋美, 张帆, 薄昊楠, 张会

  在不同焊接电流（15，17，19，21 kA）下对6061-T6铝合金不等厚三层板（上、中、下板厚依次为2，2，4 mm）进行电阻点焊，研究了焊接电流对点焊接头显微组织及力学性能的影响。结果表明：不同焊接电流下接头均由母材、焊核区和热影响区组成，未见明显宏观缺陷。随着焊接电流的增加，焊核柱状晶区宽度增大，等轴晶区宽度减小，焊核区和热影响区晶粒均发生粗化，第二相数量增多，尺寸增大。接头的剪切力随焊接电流增大先增大后减小，当焊接电流为19 kA时最大；不同焊接电流下的接头均呈纽扣断裂特征。接头母材的硬度最高，热影响区次之，焊核区硬度最低；随焊接电流增大，焊核区最低硬度增大。

• 蒸汽发生器传热管用Inconel 690合金在水压试验时的变形机理

  程保良, 陶今, 钱保治, 贺小明, 陈广立, 邓景珊, 李经怀, 袁舒梦

  在不同压力（35，55 MPa）下对蒸汽发生器传热管用Inconel 690合金（时效态）进行水压试验，研究了试验合金的变形行为，基于晶格旋转分析揭示了变形过程中晶粒内各个滑移系的启动情况。结果表明：与水压试验前相比，55 MPa水压试验后，试验合金晶粒内部出现平行滑移带和位错墙，平均晶粒尺寸从82 μm减小到约65 μm，退火孪晶的比例未发生明显变化，平均位错密度从4.68×1013 m?2增加到1.19×1014 m?2；合金的变形主要通过位错滑移进行。更高压力下，合金的等效塑性应变增大，晶粒内部各个滑移系的占比均增加；当压力为35 MPa时，试验合金晶粒内启动最多的滑移系为（1?11）1?1?0，当压力增加至55 MPa时，启动最多的滑移系转变为（111）11?0。压力增大会激发更多位错滑移，且主导滑移系发生改变。

• 火灾高温对Q460GJEZ35耐火钢组织与抗震性能的影响

  李香兰, 李琪, 赵雪飞

  将热轧态Q460GJEZ35钢在温度225~625 ℃保温60 min以模拟火灾温度环境，研究了温度对试验钢显微组织与抗震性能的影响。结果表明：不同温度下试验钢的组织均由粒状贝氏体和铁素体组成。随着温度升高，贝氏体中马氏体/奥氏体小岛的分解程度加剧，析出的碳化物面积分数从225 ℃时的9.00%增至625 ℃时的67.18%，试验钢的屈服强度和抗拉强度基本先增大后减小，屈强比增大，室温内耗呈降低趋势，抗震性能变差。试验钢的屈强比与室温内耗基本呈线性负相关性。当温度不高于325 ℃时，屈强比保持在0.800以下，当温度不低于425 ℃时，屈强比在0.818~0.887；在温度不高于525 ℃下保温60 min时，试验钢的室温内耗较高，屈强比不大于0.85，抗震性能较好。试验钢在经历60 min温度不高于525 ℃火灾环境时仍满足使用要求。

• 晶粒长宽比对7475铝合金淬火敏感性及耐腐蚀性能的影响

  李赞, 林亮华, 张兴跃

  对不同厚度（3，6，18 mm）7475铝合金热轧板分别进行水淬（冷却速率约480 ℃·s?1）和空淬（冷却速率约2 ℃·s?1）以及时效处理，获得了不同晶粒尺寸的试样，研究了晶粒长宽比对试样淬火敏感性及耐腐蚀性能的影响。结果表明：不同淬火冷却速率和厚度下试验合金心部轧制面的晶粒呈长条状，随着热轧板厚度增加或淬火冷却速率降低，心部轧制面的晶粒长宽比增大，第二相周围细小析出相的数量增加；随着晶粒长宽比增大，合金电导率提高，硬度下降，淬火敏感指数增大，最大腐蚀深度增大，抗晶间腐蚀能力减弱。

• 固溶工艺对7075铝合金薄板组织与损伤容限性能的影响

  李惠曲, 邢清源, 张景亮, 孙青青, 孟令刚

  在热空气循环炉中将退火态和加工硬化态7075铝合金薄板加热（升温速率约5 ℃·min?1）至不同温度（466，479 ℃）保温不同时间（5，55 min）进行固溶处理，在气垫炉中将加工硬化态7075铝合金薄板加热（升温速率151~227 ℃·min?1）至479 ℃保温2~3 min进行固溶处理，对固溶处理后的铝合金薄板进行121 ℃保温24 h时效处理，研究了固溶工艺对铝合金薄板组织与损伤容限性能的影响。结果表明：在热空气循环炉中延长保温时间或提高固溶温度时，退火态薄板中的第二相颗粒聚集现象改善，断裂韧度提高，加工硬化态薄板中的第二相颗粒尺寸仍偏小且分布均匀，断裂韧度未发生明显改变。采用气垫炉时由于升温速率高、保温时间较短，加工硬化态薄板中的大尺寸第二相未能充分回溶且呈不规则形貌，断裂韧度相比采用热空气循环炉时下降。孤立或聚集的大尺寸第二相是影响损伤容限性能的关键因素。

• 复合弹丸喷丸强化对300M钢表面完整性影响的有限元模拟

  武秋宇, 王宁, 曹圣兵, 殷广强, 朱贤皓

  采用相同建模方式建立同时喷射大直径（0.300 mm）和小直径（0.178 mm）弹丸的复合弹丸喷丸强化和单种弹丸喷丸强化两种三维有限元模型并进行了验证，研究了复合弹丸喷丸强化对300M钢表面完整性的影响规律，并与单种弹丸喷丸强化进行对比。结果表明：模拟得到喷丸后300M钢表层的残余应力分布与试验结果基本吻合，最大残余应力的相对误差在3.57%，表面粗糙度的相对误差为2.56%，模型较准确。复合弹丸喷丸强化后300M钢表层存在残余压应力层，随着深度的增加，残余压应力先增大后减小；大直径弹丸覆盖率占比越高，最大残余压应力越大，表面粗糙度越高。复合弹丸喷丸强化后最大残余压应力和残余压应力层厚度均大于小直径单种弹丸喷丸后，接近于大直径单种弹丸喷丸后；表面粗糙度大于小直径单种弹丸喷丸后，小于大直径单种弹丸喷丸后。

• 基于全耦合连续损伤模型的30CrMo高强钢氢致断裂有限元模拟

  李云龙, 王为庆

  采用氢扩散耦合弹塑性变形模型结合梯形张力位移法则，将氢致弱键氢脆机制引入内聚力单元中，建立了考虑氢扩散-机械变形与内聚力关系的全耦合连续损伤模型，模拟了30CrMo高强钢紧凑拉伸（CT）试样在含氢状态下的脆性断裂行为，并与试验结果进行了对比。结果表明：模拟得到CT试样的载荷-位移曲线和试验结果基本吻合，最大断裂载荷的相对误差在5%左右，说明建立的模型可以模拟30CrMo高强钢的氢致断裂行为。模拟得到静水应力梯度是晶格氢扩散主要驱动力，塑性应变是陷阱氢扩散的主要因素；当初始氢分子浓度较低（2.084×1012 mm?3）时，陷阱氢是30CrMo钢脆化的主要氢源；当初始氢分子浓度较高（4.739×1015 mm?3）时，晶格氢是裂纹尖端脆化的主要氢源；随着初始氢分子浓度的增加，晶格氢在裂纹尖端的富集程度增大，内聚力强度降低因子降低，内聚力单元强度降低，使得内聚力单元在较低应力状态下发生失效，裂纹萌生并扩展。

• 基于载荷加载历程与平均应力修正Aeran模型的疲劳寿命预测

  王柳璎, 毕俊喜, 侯伟, 张国斌, 孙鹏文, 王妍

  针对变幅载荷作用下结构的疲劳损伤和寿命预测问题，基于非线性累积损伤理论，引入载荷交互作用因子和与应力水平相关的实时载荷函数对Aeran模型进行修正，建立了考虑载荷加载历程（包括载荷交互作用和载荷加载顺序）与平均应力的Aeran非线性疲劳累积损伤模型，采用两级加载下30CrMnSiA钢、45钢和16Mn钢的疲劳试验数据进行了验证，并与考虑载荷交互作用的改进Aeran模型和Miner模型进行了对比。结果表明：采用修正的Aeran模型预测得到的归一化疲劳寿命与归一化试验值集中分布在x=y参考线附近，验证了模型的准确性。在3种预测模型中，修正Aeran模型预测寿命的误差因子绝对值的平均值和标准差最小，分别为0.042和0.131，比改进Aeran模型分别小0.021和0.035，比Miner模型分别小0.011和0.099。

• 某油田注水井管柱腐蚀速率预测模型

  景佳春, 邹美初, 高大义, 周小杰, 孟欢, 赵龙博, 石家

  在地面人工注水工况（有溶解氧）和自源闭式注水工况（无溶解氧）下对某油田注水井管柱用3Cr钢和13Cr钢进行均匀腐蚀全浸试验，分析了CO2分压、溶解氧含量对腐蚀速率的影响；基于已有的CO2分压、溶解氧含量、H2S分压、温度、流速、Cl?含量和pH与腐蚀速率的关系，通过多元线性回归拟合模型参数，建立了腐蚀速率预测模型，并进行试验验证。结果表明：在地面人工注水工况下，随CO2分压增大以及溶解氧含量减小，3Cr钢的均匀腐蚀速率增大，13Cr钢的均匀腐蚀速率变化很小；在自源闭式注水工况下，随CO2分压增大两种钢的均匀腐蚀速率均增大。预测得到的3Cr钢和13Cr钢的腐蚀速率与试验结果的平均相对误差绝对值分别为24.44%和8.13%，建立的模型对13Cr钢的预测结果较准确，能够较好地预测13Cr钢注水井管柱的腐蚀速率。