机械工程材料杂志

机械工程材料杂志2026年第2期

• 抗冲击超材料设计：机器学习与增材制造的协同创新

  封之夏, 张亮, 吴文恒, 张剑锋

  抗冲击超材料通过人工微结构设计高效调控冲击能量，在航空航天、车辆工程及人体防护领域的应用潜力巨大。传统基于经验试错与均质化结构的超材料设计方法难以兼顾轻量化、高能量吸收与可控失效等多目标需求。基于塑性变形、黏弹性耗散、摩擦耗散、断裂耗散等能量吸收机制，系统梳理了蜂窝、晶格、泡沫等传统均质化结构，贝壳、甲虫前翅等仿生梯度结构，以及可重构拓扑结构三类设计策略；结合选区激光熔化、光固化成型等增材制造工艺，分析了工艺缺陷对动态力学性能的影响；阐述了利用生成对抗网络-强化学习机器学习框架实现“性能-结构”端到端逆向设计并补偿工艺误差的研究进展，提出了构建“设计—制造—验证”全链路智能验证平台的构想。未来研究应聚焦在通过多目标优化、跨尺度模拟及智能验证平台开发，协同推动“设计—制造—验证”的全链路集成。

• SiC与ZnO颗粒协同增强腰果壳液改性酚醛树脂基复合材料的摩擦学性能

  马迅, 吴集思, 周哲, 李漫, 李智

  采用热压烧结法制备SiC与ZnO颗粒（质量比分别为1∶3，1∶2，1∶1，2∶1和3∶1，总质量分数为15%）协同增强腰果壳液改性酚醛树脂基复合材料，研究了复合材料的微观形貌、热稳定性能、力学性能和摩擦学性能。结果表明：制备的复合材料除树脂基体外，均由SiO2、CaCO3、石墨、BaSO4、SiC和ZnO组成，相对密度均在98%以上，致密性较好。随着SiC与ZnO颗粒质量比的提高，各相分散性先降后升再降，热稳定性能先降后升再降，硬度和压缩强度先升后降，平均摩擦因数升高，体积磨损率先降后升，磨损机理从磨粒磨损转变为黏着磨损再到疲劳磨损再到磨粒磨损。当SiC与ZnO质量比为2∶1时，各相均匀分散且结合紧密，硬度和压缩强度最高，平均摩擦因数适中，体积磨损率最低，力学和摩擦学性能最佳。

• 镧添加量对Al-9Si-1Fe合金组织细化及性能的影响

  巨江澜, 张子琦, 王成杰, 李庆林

  以工业纯铝、Al-50Fe、Al-20Si和Al-20La中间合金为原料进行熔配，经2000 W功率超声处理后浇注制备Al-9Si-1Fe-xLa合金（x=0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，质量分数/%），研究了镧添加量对合金显微组织、力学性能及摩擦学性能的影响。结果表明：随着镧添加量增加，合金组织中α-Al的二次枝晶间距、共晶硅的长宽比以及富铁金属间化合物的长度均先减小后增加，在镧添加量（质量分数）为0.3%时最小，分别为5.4 μm，1.00，4.5 μm，该添加量下组织的细化效果最好。随着镧添加量的增加，合金的硬度提高，抗拉强度和断后伸长率均先增后减，磨损率降低。当镧添加量为0.3%时，抗拉强度和断后伸长率最大，分别为224 MPa和2.28%，平均摩擦因数最低。

• WC含量对激光熔覆WC/15-5PH不锈钢复合涂层组织和性能的影响

  王志强, 武辉, 赵汉卿

  采用激光熔覆技术在Q235钢表面制备WC质量分数分别为0，10%，20%，30%的WC/15-5PH不锈钢复合涂层，研究了涂层的微观结构、显微硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能。结果表明：WC/15-5PH不锈钢复合涂层主要由α-Fe、马氏体、Fe-Cr、(Fe, Ni)、Cr7C3、Cr23C6和WC组成，当WC含量增加至20%~30%时，涂层中出现新相W2C。随着WC含量增加，涂层中柱状晶数量减少，等轴晶数量增加，晶粒明显细化，涂层中的碳化物颗粒数量增加。随着WC含量增加，涂层的显微硬度升高，摩擦因数和磨损率均降低，当WC质量分数为30％时涂层的硬度相较于15-5PH不锈钢涂层提高约41％，摩擦因数和磨损率则分别降低约18％和73％。复合涂层的主要磨损机制均为氧化磨损、黏着磨损和少量磨粒磨损，随着WC含量增加，磨粒磨损程度进一步降低。随着WC含量增加，涂层的自腐蚀电流密度增大，容抗弧半径减小，耐腐蚀性能降低。

• 热压烧结Nb-23Ti-15Al超高温合金的高温压缩性能及变形机制

  史志武, 王磊, 晏福宾, 李玉龙, 戴镕泽, 张洪宇, 郑启

  采用真空热压烧结工艺在不同温度（1350，1 440 ℃）、30 MPa压力下制备Nb-23Ti-15Al合金，研究了合金的室温和高温（1 100 ℃）压缩变形行为及变形机制。结果表明：1 350，1 440 ℃烧结所得合金的室温抗压强度分别高达1740，2 200 MPa，但合金均未发生屈服即断裂，室温脆性较大。高温压缩时两种温度烧结所得合金的抗压强度大幅下降但塑性良好，压缩至应变50%不断裂，且出现应变软化现象；1 440 ℃烧结所得合金的应变软化更显著。高温压缩时，两种温度烧结所得合金的变形均集中于β相。1350 ℃烧结下β相中存在位错缠结及位错弯折，未见明显滑移带，变形局域化程度较轻，δ相中仅存在少量平行位错，部分Ti(O,C)相中存在弯曲位错或位错列；1 440 ℃烧结下β相中出现明显滑移带，变形局域化显著，滑移带内塞积大量位错。

• 扫描速度对选区激光熔化成形GH4169合金微观结构和力学性能的影响

  蔡振清, 谢志浩, 张琴, 杨玲, 刘璐璐, 陈伟

  采用选区激光熔化(SLM)技术制备GH4169高温合金，研究了扫描速度（600，800，1 000，1 200，1 400 mm·s?1）对SLM成形合金的物相组成、微观结构、显微硬度的影响以及最佳扫描速度下的高温拉伸性能。结果表明：扫描速度对SLM成形合金的物相组成无显著影响；随着扫描速度的增加，合金的孔隙率先降后增，在1 000 mm·s?1扫描速度下达到最小，仅为0.01%，致密性最好。不同扫描速度下合金纵截面熔池交替分布形成鱼鳞形状；600，800 mm·s?1扫描速度下合金纵截面存在不规则熔池及圆形冶金气孔，随着扫描速度增加，熔池边界形貌得到明显改善，1 000 mm·s?1扫描速度下获得具有规则熔池形貌与近全致密组织的合金，1 400 mm·s?1扫描速度下合金中形成大量不规则未熔合孔。不同扫描速度下SLM成形合金的显微硬度在300～360 HV范围，随着扫描速度的增加，合金的硬度基本呈先降后升的趋势，在1 000 mm·s?1扫描速度下硬度最低，约为307 HV。SLM成形GH4169合金的最佳扫描速度为1 000 mm·s?1，随着拉伸试验温度由20 ℃升温至600 ℃，屈服强度和抗拉强度仅降低12%和13%，除500 ℃外断后伸长率均超过10%，拉伸断口均呈韧性断裂形貌。

• 剪切稀化有机凝胶基磁流变液的制备及性能

  张寒松, 胡志德, 蒋昊洋, 陈小云, 许春霞, 李治霞

  在Span油凝胶中添加不同质量分数（1.0%～10.0%）亲水改性SiO2纳米颗粒，通过流变性能测试确定了SiO2最佳添加量；采用最佳SiO2添加量下的有机凝胶制备剪切稀化有机凝胶基磁流变液，研究了该磁流变液的性能。结果表明：添加质量分数5.0%SiO2纳米颗粒时，有机凝胶的黏度随剪切速率的变化范围最大，剪切稀化特征最明显，故确定5.0%为最佳添加量。采用SiO2最佳添加量下的有机凝胶制备的剪切稀化有机凝胶基磁流变液在磁场作用下具有较高的屈服应力和剪切应力，仅在低剪切速率高磁场强度条件下屈服应力略微降低，具有良好的磁响应性能。剪切稀化有机凝胶基磁流变液具有较宽的线型黏弹区，表现出显著的弹性特征。剪切稀化有机凝胶基磁流变液的触变环面积大于Span油凝胶基磁流变液，响应时间较矿物油基磁流变液延长了6 ms。

• 不同对磨副下体积分数45%SiCP/6092铝合金复合材料的摩擦磨损性能对比

  王栋梁, 马富荣, 尹文玮, 张继林

  在载荷50 N下对体积分数45%SiC颗粒增强6092铝合金（SiCp/6092Al）复合材料进行室温干摩擦滑动磨损试验，对磨副分别采用YG6硬质合金球和Si3N4陶瓷球，研究了复合材料的摩擦磨损性能。结果表明：与YG6硬质合金球对磨时，复合材料的平均摩擦因数与磨损率更低，摩擦因数更稳定。两种对磨副下复合材料的磨痕横截面均呈“U型”轮廓，与YG6硬质合金球对磨时的磨痕更浅更窄且轮廓平滑。两种对磨副下复合材料均发生了界面分层磨损。与YG6硬质合金球对磨时复合材料的磨损机制以微切削和塑性犁削为主，磨损过程相对连续平稳；与Si3N4陶瓷球对磨时磨痕表面萌生裂纹，并随裂纹扩展发生层状剥落，磨损机制为不连续且剧烈的剥层磨损。

• 温度对高速列车制动盘用24CrNiMo钢摩擦磨损行为的影响

  冯刚珍, 康皓, 刘宁, 贾雨波

  以国产高速列车制动盘用24CrNiMo低合金钢为研究对象，在不同温度（25，200，400，600 ℃）下对其进行摩擦磨损试验，研究了温度对试验钢摩擦磨损行为的影响。结果表明：不同温度下摩擦磨损时，试验钢的摩擦因数均先急剧升高后进入稳定，磨合时间随温度升高而缩短，稳定阶段的波动幅度不同，试验钢的摩擦磨损行为表现出显著的温敏特征；随温度升高，试验钢的摩擦因数和磨损率降低，耐磨性能提高。随着温度升高，试验钢表面的磨粒磨损程度减轻，至400 ℃时表面形成薄且非连续的氧化膜，磨损机制由磨粒磨损转变为氧化和黏着磨损，温度升高至600 ℃时表面形成连续致密的厚氧化膜，氧化磨损和黏着磨损程度增大。

• 铝添加量对ZGMn18Cr2轻质高锰钢组织与抗冲击磨损性能的影响

  杨壹, 郑志斌, 龙骏, 卢威, 陈志强, 胡细东, 陈胜迁

  在ZGMn18Cr2轻质高锰钢成分的基础上，添加质量分数分别为0，4%，7%，11%的铝，经熔炼和1 100 ℃固溶处理制备试验钢，研究了铝添加量对其显微组织、力学性能及冲击磨损行为的影响。结果表明：未添加和添加质量分数4%~7%铝时，试验钢的组织均主要为奥氏体与点状κ-碳化物；当铝质量分数增至11%时，试验钢中形成奥氏体与铁素体双相组织并伴有孪晶。随着铝添加量增多，试验钢的冲击吸收功和断后伸长率先增后减，最大值分别出现在铝质量分数为4%和7%时；随铝添加量增多，试验钢硬度提高，屈服与抗拉强度先降后升。在低冲击功（0.5 J）和高冲击功（3.5 J）下磨损后，试验钢的质量损失均呈先降后升趋势。低冲击功下试验钢的磨损以微切削与塑性变形为主；高冲击功下随着铝添加量的增多，磨损机制由疲劳剥落转变为沿相界脆性剥离。不同铝添加量的试验钢在冲击磨损作用下均表现出加工硬化，低冲击功和高冲击功下的加工硬化率均在添加质量分数4%铝时最高。

• 表面机械滚压对7075铝合金组织和耐磨性能的影响

  连俊茂, 黄良顺, 陈军源, 黄徐琦, 张长清, 黄海

  对7075铝合金分别进行一道次、三道次、五道次表面机械滚压处理（SMRT），研究了SMRT对合金显微组织、显微硬度及耐磨性能的影响。结果表明：SMRT后，试验合金的表层发生塑性变形且晶粒发生细化，表层形成了由表及里晶粒尺寸增大的梯度结构；表面显微硬度升高，且表层硬度随深度增加呈逐渐降低的梯度分布；平均摩擦因数和磨损率降低，耐磨性能提高。随着滚压道次增加，试验合金的变形层厚度增加，表面晶粒尺寸减小，显微硬度升高，平均摩擦因数和磨损率下降，耐磨性能提升。SMRT后，合金的主要磨损机制由SMRT前的磨粒磨损转变为疲劳磨损和磨粒磨损的复合形式，随着滚压道次增加，磨粒磨损程度减小，氧化磨损程度增大。

• 凝固冷却速率对Cu-9Ni-6Sn合金组织和元素偏析行为的影响

  李会玲, 陈晨, 魏亚风, 贾飞

  以铜块、镍板和锡锭为原料，分别采用方形铁模熔铸、圆柱形水冷铜模铸造和双辊薄带铸轧工艺制备Cu-9Ni-6Sn铸造合金，对应的冷却速率分别为2.3，18.7，138.6 ℃·s?1；采用高温激光共聚焦显微镜观察了铸造合金在凝固过程中的组织演变，结合铸态合金组织分析，研究了冷却速率对组织和元素偏析行为的影响。结果表明：该合金的凝固过程经历L→L+α→α+(α+γ)+γ的相变。凝固过程中组织逐渐呈树枝晶形貌，枝晶干为贫锡α相，枝晶间为富锡γ相，枝晶干与枝晶间的过渡区域形成层片状α+γ相。随着冷却速率提高，合金凝固过程中形成的树枝晶尺寸减小，铸态组织由粗大树枝晶转变为等轴晶，铸态组织发生细化，同时锡元素的周期性偏析得到抑制。

• 镀铬30CrMnSiNi2A超高强度钢活塞杆在SO2/盐雾复合环境中的腐蚀行为

  闫富华, 董博星, 王海, 徐嘉鑫, 詹绍辉

  对镀铬30CrMnSiNi2A超高强度钢活塞杆进行金刚石光整与精磨抛光处理以消除镀层表层微裂纹，通过电化学腐蚀和SO2/盐雾腐蚀试验研究了该镀铬活塞杆的腐蚀行为，分析了腐蚀机理。结果表明：镀铬并进行金刚石光整处理提高了活塞杆在NaCl介质中的耐腐蚀性能，表现为自腐蚀电位提高，自腐蚀电流密度下降。在SO2/盐雾环境中腐蚀48 h后，镀铬活塞杆表面发生点蚀，点蚀区域附着红褐色腐蚀产物；局部区域腐蚀后暴露出镀层内部的网状微裂纹。在SO2/盐雾环境中腐蚀时，金刚石光整形成的致密镀层表面发生腐蚀，暴露出镀层内部微裂纹，腐蚀介质通过微裂纹渗透进基体使基体发生腐蚀，同时镀层与钢基体构成大阴极-小阳极腐蚀电偶，加速钢基体腐蚀，从而形成点蚀坑，同时腐蚀产物堆积导致镀层翘起和脱落。镀层内部微裂纹的存在是导致钢基体腐蚀的主要原因。

• 不同Ni2O3掺杂量对ZnO压敏电阻交流老化特性的影响

  邓涛, 谢施君, 何宇, 赵兴虹, 陈正雄, 程鑫, 孟鹏飞

  制备了掺杂不同物质的量分数（0，0.50％，1.00％，1.50％）Ni2O3的ZnO压敏电阻，通过加速交流老化试验，研究了不同Ni2O3掺杂量对ZnO压敏电阻交流老化特性的影响。结果表明：随着Ni2O3掺杂量增加，交流老化前压敏电阻的伏安特性曲线向电场强度增大方向移动，压敏电压梯度增大；老化后向电流增大方向移动，压敏电阻的电性能发生劣化。与未加速交流老化相比，加速交流老化后相同Ni2O3掺杂量下烧结试样的表面态密度和势垒高度均降低。随着Ni2O3掺杂量增加，表面态密度、施主密度、势垒高度均先增后降。Ni2O3的掺杂在ZnO晶格间隙中引入了镍离子，镍离子在外加电场作用下迁移至界面，与负电荷发生中和，从而降低势垒高度。

• 板翅式铝合金散热器真空钎焊温度场模拟分析

  王泓乔, 范宇浩, 闫崇京, 武永

  采用等效均匀化方法推导等效热物性参数，建立了板翅式铝合金散热器等效传热模型，并进行可靠性验证，研究了散热器在钎焊过程中的温度分布规律；建立了局部隔板-翅片仿真模型，分析了翅片结构对温度场与应力场的影响。结果表明：采用等效传热模型模拟得到钎焊过程中散热器的温度与试验值吻合良好，钎焊第三阶段升温过程中的温度绝对误差均在5 ℃以内，验证了模型的可靠性。散热器温度由外表面向中心降低，y，z方向上温度呈对称分布，x方向上因中间封条的“加热”效应对称中心发生偏移。散热器中B型弧形翅片的温度分布比A型直翅片更均匀，但热应力更高；延长保温时间可提升温度场均匀性，但同时会因高温区域扩大导致热应力升高。

• B1500HS热成型钢焊点失效行为的数值模拟

  张天杨, 张骥超

  对B1500HS热成型钢进行电阻点焊，在拉伸、剪切、弯曲、扭转及拉剪、拉弯、弯扭耦合工况下对点焊接头进行拉伸试验，研究了不同工况下的焊点失效行为；建立了同时考虑焊核与热影响区失效的焊点分区有限元模型，采用描述焊核失效面的耦合损伤失效本构模型，模拟了不同工况下的失效行为，并与试验结果进行对比。结果表明：B1500HS热成型钢焊点在扭转工况下发生焊核断裂，其余工况下发生热影响区断裂。所建模型在不同工况下模拟得到的焊点失效位置与试验结果一致，峰值载荷、断裂位移与试验结果的相对误差分别小于10%和13%，满足整车碰撞仿真精度需求（小于15%）。采用的焊点分区建模方法与焊核耦合损伤失效本构模型能够有效预测B1500HS热成型钢焊点碰撞失效过程中的力学行为。

• 不同模型模拟疲劳过程SAF2205双相钢十字接头焊接残余应力演化行为

  张怡婷, 解学方, 董志龙, 李少华, 王胜昆, 万娱

  建立了SAF2205双相不锈钢十字接头有限元模型，基于热-力耦合方法模拟了焊接过程的温度场与残余应力场，并将其作为预定义场，分别采用理想弹塑性模型、各向同性硬化模型和混合硬化模型分析了不同应力水平下的应力和应变演化，研究了疲劳过程中残余应力演化行为。结果表明：采用不用模型模拟得到十字接头内部均在首个循环后出现残余应力释放现象；理想弹塑性模型模拟得到的残余应力释放量最大，残余应力松弛行为更显著，各向同性硬化模型次之，混合硬化模型残余应力释放量最少。未释放的残余应力提高了应力水平，加速了疲劳损伤；而释放的残余应力转化为塑性应变，通过提高平均应变改变材料的变形特征。

• 某火电厂38CrMoAl渗氮钢阀杆的断裂原因

  彭波, 王智春, 王建国, 李晓杰, 宋子博

  某火电厂主给水管道电动闸阀38CrMoAl渗氮钢阀杆在机组启动过程中发生断裂。采用宏观形貌观察、化学成分分析、显微组织观察、力学性能测试及断口形貌观察等方法，分析了阀杆的断裂原因。结果表明：在工作过程中管道发生振动，阀杆退刀槽根部因缺乏过渡圆弧而产生应力集中；而由于冶金和热处理工艺不当，阀杆组织中存在大量AlN夹杂物及带状分布的马氏体，且表面渗氮层硬度和局部厚度未达标，导致阀杆屈服强度低于标准且冲击韧性严重不足。当应力超过材料的承载能力时，裂纹自退刀槽渗氮层表面萌生，并在振动载荷持续作用下快速向内部扩展，最终导致脆性断裂。建议制造厂家控制钢液中氮含量以减少夹杂物，优化调质与渗氮工艺，改进退刀槽结构以降低应力集中，并加强对关键部件的入厂验收，确保阀杆的综合力学性能符合要求。