机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2025年第7期

• 高熵合金高温摩擦磨损性能的研究进展

  杨磊, 赵远涛, 潘正阳, 孙博洋, 王浩然, 刘彦伯, 张士陶

  高熵合金是由五种及以上等量金属元素构成的多主元合金，得益于高熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应及多组元协同效应，高熵合金表现出良好的高温稳定性和耐磨性，应用于航空发动机、燃气轮机与核能装备等热端部件的制造。综述了高熵合金高温摩擦磨损性能的研究进展，总结了成分设计、制备工艺参数和服役温度3个方面对高温摩擦磨损性能的影响，阐述了现有研究的不足，展望了未来的研究方向。

• 单晶SiC微纳力学性能测试与材料去除机制的研究进展

  敬谦, 柴鹏, 耿宝龙, 曹国立

  单晶SiC是第三代半导体的核心材料，广泛应用于微/纳机电系统、传感器和柔性电子器件的组件制备。单晶SiC的微纳力学性能与宏观尺度下不同，表现出显著的尺寸效应，而且其硬度高、脆性强，导致微纳加工效率低、成本高、质量差。研究单晶SiC的微纳力学性能与材料去除机制是实现高效、高精度微纳加工，进而提高器件功能性和可靠性的关键。总结了微纳力学性能测试方法，归纳了微纳加工材料去除机制类型，综述了试验与模拟研究微纳加工材料去除机制的研究进展，提出了单晶SiC微纳加工领域存在的问题，并对未来发展方向进行展望。

• TC4ELI合金在高低载荷比下裂纹扩展过程中的裂尖塑性变形行为

  赵询, 李建, 孙涛, 全世超, 朱建国

  采用数字图像相关方法（DIC）研究了TC4ELI合金在相同载荷幅、高低载荷比（0.7，0.1）下疲劳裂纹扩展时裂尖塑性变形的演变。结果表明：0.7高载荷比下合金的棘轮应变和裂尖单调塑性变形程度更大，应变累积更快；0.1低载荷比下的等效应变幅更大，循环塑性变形更明显。高载荷比下的棘轮应变与等效应变幅梯度均比低载荷比下大，裂尖应变更集中。裂尖塑性区尺寸与应力强度因子呈幂函数关系。高载荷比下单调塑性区尺寸与最大应力强度因子间的指数较大，单调塑性变形对裂纹扩展起主导作用，该主导作用随裂纹长度或裂纹扩展速率的增加而增强；低载荷比下循环塑性区尺寸与应力强度因子幅间的指数较大，循环塑性变形对裂纹扩展起主导作用，该主导作用随裂纹长度或裂纹扩展速率的增加而减弱。

• 退火温度对激光选区熔化AlSi10Mg合金显微组织和性能的影响

  温飞娟, 杜建钢, 龙樟, 黄本生, 刘志敏, 马明月

  采用激光选区熔化成形AlSi10Mg合金，并进行了不同温度（260，270，280，290，300?℃）下的退火处理，研究了退火温度对合金显微组织、物相组成、显微硬度和拉伸性能的影响。结果表明：不同温度退火前后AlSi10Mg合金均主要由α-Al、硅和Mg2Si相组成；相比退火前，退火后晶格畸变减弱，随着退火温度升高，减弱程度增大；退火前AlSi10Mg合金晶粒细小，网状共晶硅均匀分布，二次硅颗粒弥散分布在铝基体内；退火后随着退火温度升高，网状共晶硅发生断裂、粗化和球化，二次硅颗粒数量减少，直至几乎消失；相比退火前，退火后且随着退火温度升高，显微硬度、抗拉强度和屈服强度减小，断后伸长率增大。

• 温度与氢气压力对纯氢环境中X80钢断裂行为的影响

  吴林恩, 夏培培, 李硕, 徐晓林, 谷云龙, 靳海成

  在不同氢气压力（2.5，6.0，10.0?MPa）和温度（?2，23，48?℃）下对X80钢进行纯氢环境慢应变速率拉伸试验，研究了氢气压力和温度对拉伸性能和氢脆断裂的影响，结合断口形貌分析了影响机制。结果表明：随着氢气压力增加，X80钢的抗拉强度和断后伸长率均减小，氢脆敏感性增大；随着温度升高，抗拉强度和断后伸长率均先减小后增大，氢脆敏感性先增大后减小。增加氢气压力会促进氢原子渗入钢内部并集中在晶界交汇处或内部固有缺陷处，这加速了微小裂纹的萌生与扩展，进而导致断裂；提高温度会加速氢扩散，但降低氢在晶界处偏聚，拉伸断裂由脆性断裂转变为韧性断裂。

• 镍含量对CrTiSiN-Ni复合薄膜结构与性能的影响

  赵荣幸, 钱同林, 付永强, 吴志威

  使用非平衡磁控溅射法在YG10硬质合金基底上依次制备铬过渡层、CrN中间层和不同镍含量（0.5%，1.6%，5.6%，9.6%，14.4%，原子分数）的CrTiSiN-Ni复合薄膜，研究了镍含量对复合薄膜结构、力学性能和摩擦学性能的影响。结果表明：不同镍含量复合薄膜中的结晶相均主要为面心立方结构CrN/TiN，镍部分固溶于基体相，超出固溶极限后以单质相存在；随着镍含量增加，复合薄膜的硬度、弹性模量和断裂韧度先增大后减小，镍原子分数在1.6%~5.6%时硬度达到最大（27.1?GPa），在5.6%时断裂韧度最大（3.56?MPa·m1/2）；随着镍含量增加，CrTiSiN-Ni复合薄膜的平均摩擦因数增大，磨痕变宽变深，耐磨性能降低。

• 碳含量对9%Cr铁素体耐热钢冲击性能的影响

  马廷威, 王玉红, 郝宪朝, 王平, 杨荣堃, 丛琳馨

  采用真空熔炼、锻造、热处理等工艺制备碳质量分数分别为0.01%，0.05%，0.10%的9%Cr铁素体耐热钢，研究了碳含量对该钢显微组织和冲击性能的影响。结果表明：不同碳含量试验钢均由回火板条马氏体和析出相组成，析出相包括分布于晶界和板条界的M23C6相和板条内的MX相。随着碳含量增加，试验钢的平均晶粒尺寸先减小后基本不变，马氏体板条宽度先减小后增大，M23C6相含量增加、尺寸增大，试验钢的高阶能先增后降，韧脆转变温度先降后升。晶粒尺寸对韧脆转变温度的影响较显著，而M23C6尺寸和含量对高阶能影响较明显。碳质量分数0.05%试验钢的冲击性能最好，其韧脆转变温度为?90.0?℃，高阶能为341.0?J。

• 服役后CL60合金钢和非合金钢车轮磨损面显微组织演变及多边形磨耗行为的对比

  鲁松, 宫彦华

  对同一地铁车辆镟修后服役2×104 km的CL60合金钢和非合金钢车轮进行组织观察、拉伸试验、硬度测试和摩擦磨损试验，对比了两种车轮材料显微组织和力学性能演变，分析了车轮多边形磨耗行为。结果表明：两种车轮钢均属于铁素体-珠光体钢，由珠光体和少量先共析铁素体组成，合金钢的珠光体片层距小于非合金钢，两种钢中先共析铁素体含量相近，合金钢的硬度、屈服强度、抗拉强度更大；服役后合金钢车轮踏面平均晶粒尺寸更大、应变硬化程度更小、残余压应力更小；合金钢车轮抗多边形磨耗能力优于非合金钢车轮。

• 层错能对中锰钢包辛格效应的影响

  冯毅, 蔡志辉, 王辉, 黄光杰, 马鸣图

  通过调整碳、锰和铝含量获得层错能分别为16，63?mJ·m?2的2种中锰钢，采用1次拉-压加载试验研究了不同加载工况（拉伸/压缩应变分别为4%/8%，6%/10%，8%/12%）下层错能对包辛格效应的影响。结果表明：不同加载工况下，较大层错能中锰钢的压缩屈服强度降低比率（拉压屈服强度差与拉伸屈服强度之比）和包辛格应力参数（最大应力与压缩屈服强度差的绝对值与最大应力之比）均较小，包辛格比（最大应力与压缩屈服强度差的绝对值和最大应力与拉伸屈服强度差的绝对值之比）较大，背应力较小，相间塑性应变不兼容水平较低，包辛格效应较弱；随着拉伸/压缩应变增加，较小层错能中锰钢的包辛格效应增强，较大层错能中锰钢的包辛格效应几乎不变，对应变不敏感。

• 重载行星齿轮渗碳淬火残余应力和变形的数值模拟

  于津伟, 汪舟, 马蓉, 王晓丽, 林博, 汤盈, 刘家文, 赵圆圆, 冯祎彤, 李柳全

  以20CrMoH钢重载行星齿轮为研究对象，利用Abaqus有限元软件及其二次开发功能，建立多场耦合渗碳淬火有限元模型并进行了验证，采用该模型对渗碳淬火（碳势1%，渗碳温度880 ℃，淬火油温度110 ℃）时齿轮残余应力、硬度、碳含量、物相以及变形量分布进行预测和分析。结果表明：渗碳淬火后齿轮的残余应力和硬度模拟结果与测试结果的相对误差均在10%以内，证明建立的多场耦合渗碳淬火有限元模型可靠；渗碳淬火后齿轮表面轴向应力为残余拉应力，约为430 MPa，心部为残余压应力，约为126 MPa；碳含量自表面向心部逐渐降低，渗碳层深度约为1.1 mm；齿轮自表面至心部的马氏体含量均最高，表面马氏体体积分数接近100%；渗碳淬火过程中，齿轮x，y，z方向变形量变化趋于一致，在齿轮完全奥氏体化且温度达到880 ℃时，变形量达到最大，x，y，z方向分别约为0.239，0.025，0.206 mm，渗碳淬火结束后，x，y，z方向变形量分别约为0.117，0.017，0.089 mm。

• 盾构机盘形滚刀刀圈表面强化技术的研究进展

  刘鹏

  在盾构施工中，盾构机盘形滚刀刀圈与岩石直接接触产生巨大接触应力，刀圈表面多为表面疲劳、黏着磨损和磨粒磨损等失效形式，提升盘形滚刀刀圈在极端工况以及复杂地质条件下的耐磨性能是盾构施工需攻克的关键问题。从表面改性和表面涂覆两个方面，综述了近年来盾构机盘形滚刀刀圈的表面强化技术研究进展，重点探讨了梯度硬度技术、激光表面淬火技术、超声喷丸强化技术、离子渗氮技术、激光熔覆技术、等离子堆焊技术、超音速火焰喷涂技术的优缺点，并对盾构机滚刀刀圈未来研究方向进行了展望。

• 超声冲击+渗氮复合强化对45钢显微组织及疲劳性能的影响

  葛亚宁, 曹小建, 张邵峰, 张忠, 秦翰, 朱蒋培

  采用超声冲击技术和540 ℃×24 h等离子渗氮技术对45钢进行表面处理，研究了超声冲击后和超声冲击+渗氮复合强化后试验钢的表层微观结构、拉伸性能以及疲劳性能。结果表明：超声冲击后试验钢表层小角度晶界数量明显增多且主要分布在珠光体区，珠光体与铁素体之间形成大角度晶界；超声冲击试验钢距表面0~140 μm范围的平均晶粒尺寸为3.24 μm，明显低于未处理试验钢（8.12 μm）；超声冲击试验钢的最大极密度小于未处理试验钢，织构类型由（001）织构转变为T型织构；超声冲击试验钢表层由厚度约20 μm的强塑性变形区、厚度约100 μm的微变形区以及基体组成；复合强化后强塑性变形区表面形成了典型的渗氮层，该渗氮层由厚度约8 μm的化合物层以及扩散层组成。超声冲击试验钢的抗拉强度（830 MPa）与复合强化试验钢（833 MPa）相近，断后伸长率（19.8%）略大于复合强化试验钢（17.6%）；超声冲击试验钢发生韧性断裂，而复合强化试验钢发生韧脆混合断裂。复合强化试验钢的极限疲劳强度约为310 MPa，高于超声冲击试验钢（297 MPa），超声冲击+渗氮复合强化工艺可进一步提高45钢的疲劳性能。

• 等离子喷涂FeCoNiCrAl高熵合金涂层的摩擦学性能

  陈子铭, 杨军, 李光, 崔方方, 韩冰源

  采用等离子喷涂工艺在不同喷涂功率（40，50，60 kW）下于ZL109铝合金基体表面制备FeCoNiCrAl高熵合金涂层，研究了涂层的微观形貌、物相组成、硬度和摩擦学性能。结果表明：随着喷涂功率增加，FeCoNiCrAl高熵合金涂层表面铺展状形貌增多，孔洞数量减少，表面趋于平滑，涂层孔隙率减小；不同喷涂功率下制备的涂层均主要由体心立方（BCC）相组成；随着喷涂功率增加，涂层的显微硬度增大；当喷涂功率为60 kW时，涂层的摩擦因数最小，耐磨性最好，20 N载荷下涂层的主要磨损机理为磨粒磨损，存在少量疲劳磨损，40 N载荷下为疲劳磨损。

• 骨科用选区激光熔化成形TC4钛合金表面仿生复合涂层的制备及性能

  方国宝, 陈鸿玲, 傅高升, 张晨

  在选区激光熔化成形TC4钛合金上通过氧化自聚合法生成聚多巴胺（PDA）膜层，随后电沉积羟基磷灰石（HA）形成PHA仿生复合涂层，通过三因素三水平正交试验，研究了电流密度（5，10，15 mA·cm?2）、沉积时间（5，10，15 min）和沉积温度（20，30，40 ℃）对涂层耐腐蚀性和耐磨性的影响，并对涂层显微组织和生物相容性进行表征。结果表明：均匀致密PDA膜层对HA的沉积具有促进作用，PHA复合涂层的黏结强度相比直接沉积HA涂层增加了41.18%；对PHA复合涂层自腐蚀电流密度和摩擦时间（电位变化区间经历的时间，表征耐磨性）的影响程度按由大到小排序均依次为电流密度、沉积温度、沉积时间；随着电流密度增加，涂层结构发生破坏，导致自腐蚀电流密度增大，摩擦时间缩短；随着沉积时间延长，涂层先趋向均匀致密后变疏松，自腐蚀电流密度先减小后增大，摩擦时间先延长后缩短；随着沉积温度升高，涂层趋向均匀致密，与基体结合力增大，自腐蚀电流密度先增大后减小，摩擦时间延长；最佳工艺参数组合为电流密度5 mA·cm?2、沉积时间10 min、沉积温度 40 ℃，此条件下制备涂层的自腐蚀电流密度最小，摩擦时间最长，腐蚀防护率高达98.2%，耐腐蚀性和耐磨性最好，表面黏附细胞数量和细胞伪足数量较多，生物相容性更好。

• 激光功率对42CrMo钢表面铜-铁复合偏晶合金熔覆层组织及耐磨性能的影响

  陈占威, 罗善明, 黄瀚林, 吴明杰

  采用不同激光功率（1 000，1 200，1 400，1 600，1 800 W）在42CrMo钢表面激光熔覆锡青铜粉末制备铜-铁复合偏晶合金熔覆层，研究了激光功率对熔覆层显微组织、硬度和摩擦磨损性能的影响。结果表明：不同激光功率下，熔覆层与42CrMo钢基体均产生良好的冶金结合，熔覆层组织由铁相和铜相混合构成；随着激光功率增加，熔覆层内铁相含量增加，铜相含量减少，组织由以富铜相为主夹杂“散球状”富铁相转变为以富铁相为主夹杂“板条状”富铜相；随着激光功率增加，熔覆层显微硬度和摩擦因数增大，主要磨损机制由磨粒磨损转向黏着磨损，当激光功率为1 200 W时，熔覆层硬度适中，摩擦因数显著低于基体，磨损质量损失最小，磨损表面平整，元素分布均匀，未发生明显局部氧化，综合摩擦磨损性能最优。

• 喷丸工艺优化对5083铝合金焊接接头疲劳性能的影响

  陈雍瀚, 甘进, 刘华兵, 张翔, 吴卫国, 姜传海

  采用Abaqus软件建立随机多弹丸运动模型，对5083铝合金对接接头的残余应力分布进行预测，分析了弹丸直径（0.3，0.4，0.5?mm）、喷丸速率（20，30，40，50?m·s?1）、覆盖率（100%，200%，300%）对残余应力的影响，选出较优工艺参数；在较优工艺参数下，保持弹丸直径、覆盖率不变，将喷丸强度由0.150 mm提升至0.175，0.200 mm，通过试验研究了喷丸强度对接头表面质量、残余应力、硬度和疲劳性能的影响，确定最佳喷丸工艺。结果表明：表面残余压应力和残余压应力影响层深模拟结果和试验结果的相对误差分别约为4.7%，10.5%，模型对残余应力预测准确；随着弹丸直径增加，表面残余压应力和最大残余压应力减小，残余应力影响层深和表面粗糙度增大；随着喷丸速度增加，表面残余压应力、最大残余压应力和残余应力影响层深先增大后趋于稳定，表面粗糙度增大；随着覆盖率增加，表面残余压应力和表面粗糙度增大，最大残余压应力和残余应力影响层深无显著变化;以残余压应力较大和表面粗糙度较小为指标，获得较优喷丸工艺为弹丸直径0.3?mm、覆盖率200%、喷丸速度40?m·s?1。随着喷丸强度增加，表面粗糙度、残余压应力和硬度增大，最大残余压应力先增大后减小，残余应力影响层深和硬化层深均在240?μm左右，疲劳寿命先延长后缩短。最佳喷丸工艺参数为弹丸直径0.3?mm、覆盖率200%、喷丸强度0.175?mm（喷丸速度44?m·s?1），此条件下处理后接头残余压应力较大，表面粗糙度适中，疲劳性能最好。

• 钛铝混合颗粒冷喷涂沉积行为的数值模拟

  王继辰, 乔瑞豪, 辛红敏, 代辉, 董脉鸣, 李光平, 李羿含, 崔敏超, 黄仁忠

  采用ABAQUS软件建立在7B04铝合金基体上冷喷涂不同粒径钛铝混合颗粒沉积层的耦合欧拉-拉格朗日四分之三模型，研究了不同基体温度（400，500，600 K）下沉积层的形貌、残余应力和孔隙率。结果表明：基体温度500 K下，沉积层中钛颗粒主要集中在中间和上部区域，铝颗粒主要集中在中间和下部区域，铝颗粒拉伸和变形更显著，等效塑性应变较大，等效应力较小；较高基体温度下，基体表面变形更严重；不同基体温度下，沉积层均以残余压应力为主，且外围残余压应力相比中部更大，当基体温度为500 K时，最大残余压应力最小且出现深度最小；不同基体温度下，沉积层孔隙率均较低，孔隙主要存在于颗粒之间的结合界面，随着基体温度升高，沉积层孔隙率略微降低。

• 考虑结构回弹模拟Inconel 718高温合金超声滚压表层残余应力和应变分布

  黄华浙, 阮友赐, 马挺, 尹存宏, 胡雄风, 李能

  分析了超声滚压过程中Inconel 718高温合金的力学响应，基于Hertz接触理论确定有限元模型主要参数，建立考虑卸载后结构回弹的超声滚压有限元模型，模拟分析了超声滚压后合金的残余应力分布与塑性应变分布，通过与试验结果进行对比，验证了模型的可靠性。结果表明：相比未考虑结构回弹，考虑结构回弹模拟表层残余压应力和残余压应力影响深度较大，更接近试验结果，考虑结构回弹后残余压应力影响深度预测相对误差由未考虑结构回弹的17.93%下降至1.09%；考虑结构回弹的有限元模型具有高可靠性，能够准确描述25~175 μm层深内应变趋势特征，模拟结果与试验结果具有一致的增量响应。