ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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高熵合金的变形行为及强韧化
高熵合金是近年来涌现出的一种新型金属材料。不同于传统合金设计以1种或2种元素为主添加其它合金元素为辅的方案,高熵合金由多种元素以等原子比或近等原子比的成分组成,具有独特的原子结构特征,因而呈现出诸多不同于传统合金的独特性能。自高熵合金被首次报道以来,目前已经研发出了一系列的高熵合金体系,在物理、化学、热力学性能方面显示出独有的优势,尤其在力学行为方面显示出高强、高硬、耐磨、耐蚀、抗高温软化等优异的性能,在国际学术界引起了广泛的关注和研究. . .
金属学报, 2018 Vol. 54 (11): 1553-1566    DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00372
 
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  2020年, 第56卷, 第2期 刊出日期:2020-02-11 上一期   
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研究论文
NM500耐磨钢拉伸过程中TiN的破碎机制
吴翔,左秀荣,赵威威,王中洋
金属学报. 2020, 56 (2): 129-136.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00209
摘要   HTML   PDF (16758KB)

采用SEM、EDS、TEM和EBSD技术结合热力学理论计算研究了NM500耐磨钢中微米级TiN的析出规律、破碎机制,以及基体对破碎机制的影响。结果表明,NM500钢拉伸断裂机制为混合模式,断口面微米级TiN存在2种破碎形貌:TiN处于断口表面,自身处于撕裂脊上;TiN处于深韧窝底部。钢中Ti元素在高温液态析出,形成大量微米级TiN颗粒,在受拉应力作用时出现3种破碎机制:TiN内单条裂纹萌生并扩展至基体,TiN内单条裂纹萌生但在基体处止裂,TiN内萌生多条裂纹并在基体处止裂。NM500耐磨钢中存在高应变区与微米级TiN,且原奥氏体晶粒粗大,TiN上产生裂纹后,基体止裂能力较差,从而使裂纹极易在基体上延伸。当存在多个TiN团簇时,裂纹连成一片形成薄弱带,从而使钢的塑性变差。

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X80钢焊接接头在模拟天然气凝析液中的腐蚀行为
陈芳,李亚东,杨剑,唐晓,李焰
金属学报. 2020, 56 (2): 137-147.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00237
摘要   HTML   PDF (10336KB)

通过正交实验设计、失重实验和电化学实验,研究了HAc、Cl-和乙二醇(MEG)浓度以及温度(T)等因素对X80管线钢在CO2饱和的模拟天然气凝析液中腐蚀行为的影响。结果表明,焊接接头形成宏观腐蚀原电池,腐蚀速率明显大于母材,焊缝区作为阳极区腐蚀加速成为焊接接头的薄弱环节;4种因素对腐蚀过程影响的显著程度依次为:c(HAc)>T $\gg$c(Cl-)>c(MEG),c(HAc)与T为影响的主要因子,c(Cl-)与c(MEG)为次要因子。母材和焊缝腐蚀倾向均随着温度的升高而增强;由于Fe(Ac)2作为腐蚀产物保护性较差,随着c(HAc)的升高,母材和焊缝的阻抗降低、腐蚀速率升高。基于正交实验结果,建立了多元线性回归方程。

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一般大气环境下锈蚀结构钢表面特征与随机模型
王友德,徐善华,李晗,张海江
金属学报. 2020, 56 (2): 148-160.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00156
摘要   HTML   PDF (18377KB)

对处于大气腐蚀环境中的结构钢开展了6批次人工加速腐蚀实验和为期8 a的自然暴露实验,利用表面形貌测试方法和腐蚀表征参数自编分析程序对锈蚀结构钢表面特征参数及演变规律进行研究,明确锈蚀深度、锈坑深度、锈坑径深比分布特征,揭示其均值、方差等统计参数及锈坑形状的变化规律。研究表明,一般大气环境下结构钢锈蚀深度服从正态分布,锈坑深度与径深比服从对数正态分布;随着腐蚀程度的增大,锈蚀深度均值、标准差与功率谱密度峰值以及锈坑深度对数均值均逐渐增大,锈坑径深比对数均值逐渐减小;锈坑形状由圆柱或半球体逐渐向圆锥体转变。最后基于锈蚀深度参数和锈坑参数统计分析结果,考虑各表征参数的变化规律与内在联系,建立了锈蚀深度随机场模型与锈坑随机分布模型,实现了一般大气环境锈蚀钢材表面特征的准确模拟与重建。

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W含量对一种高W镍基高温合金显微组织的影响
华涵钰,谢君,舒德龙,侯桂臣,盛乃成,于金江,崔传勇,孙晓峰,周亦胄
金属学报. 2020, 56 (2): 161-170.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00193
摘要   HTML   PDF (23570KB)

通过OM、SEM和XRD对高W镍基高温合金进行组织观察与分析,研究了W含量对镍基高温合金凝固组织的影响规律。结果表明,当W含量为14% (质量分数,下同)时,镍基合金中无α-W相析出。当W含量高于16%时,合金凝固期间可析出α-W,并且随W含量提高,合金的晶粒尺寸由1.04 mm减小至0.17 mm,共晶含量由6%增至10%;W含量对在枝晶间/枝晶干内的γ'相尺寸及形态无明显影响。由于α-W的析出温度较高,在凝固期间首先析出,并在残余液相收缩作用下,α-W向液相核心处发生转移并长大;同时α-W可作为异质形核的核心,降低枝晶形核的临界形核功,使18%W合金获得较小的晶粒尺寸。此外,在不同取向枝晶汇聚生长的作用下,残余液相中Al、Ti等元素形成较高的浓度梯度而发生共晶转变,这是18%W合金中共晶含量较高的主要原因。

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取向偏差对镍基单晶高温合金钎焊接头组织与力学性能的影响
赵旭,孙元,侯星宇,张洪宇,周亦胄,丁雨田
金属学报. 2020, 56 (2): 171-181.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00258
摘要   HTML   PDF (38062KB)

采用一种镍基合金钎料在1210 ℃、30 min条件下对0°+0°、0°+45°及0°+90° 3种[001]取向偏差的CMSX-4单晶高温合金进行真空钎焊连接及时效热处理,研究热处理前后母材取向偏差对接头微观组织与力学性能的影响。结果表明,3种取向偏差接头的钎料合金区微观组织与相组成相似,均由γ-Ni、γ′γ+γ′共晶、M3B2型硼化物、CrB、镍硅化合物以及γ-Ni+Ni3B+CrB三元共晶相组成。钎料中的降熔元素B向母材扩散不明显,接头的扩散影响区未见脆性化合物相析出。接头经过热处理后,元素扩散均匀,脆性的化合物相减少。当焊缝两侧的母材存在取向偏差时,焊缝中心处可观察到连续的晶界。对3种取向偏差钎焊接头进行室温与高温拉伸性能测试可知,母材取向偏差对未热处理的钎焊接头的室温和高温拉伸性能无显著影响,但经过热处理后,母材取向偏差对接头的室温与高温强度影响较大。断口观察发现,断裂位置均为钎料合金区,而经过热处理后的取向偏差接头,裂纹在焊缝中心的晶界处萌生并扩展,导致断裂。

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热处理工艺对GH4720Li合金细晶铸锭组织与热加工性能的影响
王涛,万志鹏,李钊,李佩桓,李鑫旭,韦康,张勇
金属学报. 2020, 56 (2): 182-192.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00205
摘要   HTML   PDF (23934KB)

通过对GH4720Li合金细晶铸锭在不同均匀化热处理温度下组织演变规律与热加工性能的研究,确定了合金的最佳均匀化热处理工艺参数。依据不同参数下的一级与二级均匀化热处理工艺实验,深入研究了细晶铸锭的偏析系数以及共晶相含量与均匀化热处理工艺之间的内在联系,并对不同热处理工艺参数下合金的热加工性能进行了评价。实验结果表明:均匀化热处理温度的升高或保温时间的延长能够有效降低合金中共晶相的含量,改善合金中元素的偏析情况。此外,合理的二级均匀化热处理工艺能够降低均匀化温度与保温时间,从而提高均匀化热处理效率。经二级均匀化缓冷(1140 ℃保温12 h+1170 ℃保温10 h,以0.2 ℃/min冷却至1010 ℃后,出炉空冷)热处理所获得试样的高温塑性显著优于一级均匀化处理和二级均匀化空冷处理的试样,当热变形参数为1120 ℃、1 s-1时,其最大压下量为50%,显著优于其它热处理工艺参数。合金在1140和1160 ℃热变形时动态再结晶形核方式主要以非连续动态再结晶为主,原始晶粒边界为动态再结晶晶粒提供形核位置,且M(C, N)型强化相能够促进合金动态再结晶行为的发生。本研究中GH4720Li合金细晶铸锭的最佳均匀化热处理工艺为:1140 ℃保温12 h+1170 ℃保温10 h,以0.2 ℃/min冷却至1010 ℃后,出炉空冷。

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TA32钛合金厚板的微观组织、织构与力学性能
程超,陈志勇,秦绪山,刘建荣,王清江
金属学报. 2020, 56 (2): 193-202.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00226
摘要   HTML   PDF (28271KB)

采用OM、SEM、XRD和EBSD等手段测试表征了60 mm厚TA32钛合金宽幅厚板的显微组织、织构和力学性能。结果表明,TA32钛合金厚板厚度横截面由变形的片层α相和少量残留的β相组成,从表层到中心位置的RD-ND (R面)和TD-ND (T面)组织差异均不明显,但可观察到明显的轧制流线。板材中α相存在直条状和波浪状2种不同的形貌,这主要与它们的晶体取向有关。板材织构类型为典型的T型织构,从厚度横截面的表层到中心部位,显微组织中α相的c轴<0001>逐渐偏离板材TD方向,导致Schmidt因子逐渐增加,是导致从表层到中心位置的拉伸强度逐渐降低的主要原因之一;另外,晶内亚结构比例逐渐降低是导致拉伸强度逐渐降低的另一个重要因素。板材厚度横截面上相同位置的RD和TD方向拉伸性能差异不明显,但沿厚度方向(ND)的拉伸强度和塑性较低。在显微组织无明显差异的条件下,织构是影响TA32钛合金厚板不同位置拉伸强度的主要因素;经双重退火热处理后,显微组织形态差异是影响拉伸强度的主要因素。

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冷却速率对β凝固γ-TiAl合金硼化物和室温拉伸性能的影响
王希,刘仁慈,曹如心,贾清,崔玉友,杨锐
金属学报. 2020, 56 (2): 203-211.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00100
摘要   HTML   PDF (18495KB)

设计了不同厚度台阶铸板以实现冷却速率梯度,采用离心熔模铸造制备了不同冷却速率的β凝固含B γ-TiAl合金样品,研究了冷却速率对硼化物和室温拉伸性能的影响。结果表明,硼化物分布在晶界,其长径比随冷却速率的提高而增大,而形貌由短棒状转变为丝带状。慢冷样品中短棒状TiB为B27结构,而快冷样品中丝带状TiB为Bf结构。2种结构TiB均存在生长各向异性,[010]和[100]分别为Bf和B27结构的最慢生长方向,前者更为显著,这可能与上述方向Ti、B原子周期性间隔排列,原子短程重排更为困难有关。随着冷却速率提高,材料屈服强度提高,但室温塑性下降,这与快冷样品中的细长丝带状硼化物容易萌生裂纹并迅速扩展有关;慢冷样品中的短棒状硼化物不易萌生裂纹,相应室温塑性较好。

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Ag-Ni偏晶合金凝固过程研究
邓聪坤,江鸿翔,赵九洲,何杰,赵雷
金属学报. 2020, 56 (2): 212-220.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00192
摘要   HTML   PDF (8344KB)

对Ag-Ni偏晶合金开展了快速/亚快速凝固实验,获得了富Ni相粒子均匀弥散分布于Ag基体的合金样品,Ag-Ni合金显微硬度随着合金Ni含量增加和试样凝固过程冷却速率升高而增大,当Ag-4.0%Ni合金液-液相变开始阶段熔体冷却速率达1800 K/s时,其显微硬度接近粉末冶金生产的Ag-10.0%Ni片状电触头的硬度。建立了描述Ag-Ni合金凝固组织演变的动力学模型,模拟计算了Ag-Ni合金凝固组织形成过程,分析讨论了合金成分和试样直径(冷却速率)对Ag-Ni合金凝固组织形成过程的影响。结果表明:富Ni相液滴/粒子形核阶段熔体的冷却速率对合金凝固组织弥散度具有决定性影响;合金的Ni含量越高、试样冷却速率越低,凝固组织中富Ni相粒子平均尺寸越大;Ag-Ni合金熔体冷却凝固时,富Ni相液滴/粒子的尺寸主要受形核和长大控制,Ostwald粗化作用很弱。

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Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr合金在250 ℃去离子水中的初期腐蚀行为
姚美意,张兴旺,侯可可,张金龙,胡鹏飞,彭剑超,周邦新
金属学报. 2020, 56 (2): 221-230.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00191
摘要   HTML   PDF (18461KB)

为研究锆合金从开始氧化至生成ZrO2的相组成及其晶体结构变化,采用锆合金大晶粒TEM薄样品在250 ℃、3 MPa去离子水中短时腐蚀的方法,利用距离TEM薄样品穿孔周围不同距离处样品厚度差别造成的O含量差别,采用HRTEM研究了Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr合金的初期腐蚀行为以及早期形成的氧化膜晶体结构演化过程。结果表明:从开始氧化至ZrO2形成前,α-Zr的晶格点阵随着样品中O含量增加而不断演变;在Zr/O原子比为5~7时,基体晶格中原本无序的O原子有序地固溶在α-Zr中,形成有公度的长周期超点阵,其晶格常数(ac)与基本晶格α-Zr的晶格常数(a0c0)之间的关系为a=9a0c=2c0,称其为9a0-2H结构;当Zr/O原子比为3时,形成具有hcp超结构的Zr3O亚氧化物;当Zr/O原子比为1时,转变为具有fcc超结构的ZrO亚氧化物;Zr/O原子比为0.85时,形成单斜结构ZrO2

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感应加热异温轧制制备钢/铝复合板
肖宏,许朋朋,祁梓宸,吴宗河,赵云鹏
金属学报. 2020, 56 (2): 231-239.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00150
摘要   HTML   PDF (10940KB)

采取感应加热的方法异温轧制制备钢/铝复合板,整个过程处于一种Ar气保护氛围,研究了钢/铝复合板的结合性能和微观组织,并与冷轧工艺进行对比,分析了异温轧制工艺对结合性能的影响。结果表明:异温轧制的复合板由于钢层加热温度高于钢的动态再结晶温度,轧后碳钢组织出现等轴晶粒,发生了动态回复和再结晶,并且在钢侧近界面处产生一层平均晶粒尺寸约为5 μm的等轴细晶区,相比于冷轧复合板,大大降低了复合板的加工硬化现象。异温轧制的钢/铝复合板微观界面贴合紧密,无孔洞和间隙,跨界面的Al和Fe元素扩散宽度达到2.4 μm,复合板达到了良好的冶金结合状态,并且近界面的细晶区改善了板材性能,使得异温轧制复合板的剪切强度远高于冷轧板,在45%压下率下达到了85 MPa,是同等压下率冷轧复合板剪切强度(12 MPa)的7倍,冷轧板断裂发生在钢/铝结合面处,为脆性断裂,而异温轧制的复合板断裂发生在铝合金基体,剪切断面存在大量韧窝,呈现塑性断裂特征。

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石墨烯纳米片增强镁基复合材料力学性能及增强机制
周霞,刘霄霞
金属学报. 2020, 56 (2): 240-248.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00158
摘要   HTML   PDF (31802KB)

采用分子动力学方法(MD)对单层石墨烯纳米片(GNPs)与单面及双面Ni包覆单层GNP (Ni-GNP、Ni-GNP-Ni)增强镁基复合材料(GNP/Mg、Ni-GNP/Mg、Ni-GNP-Ni/Mg)在单轴拉伸作用下的力学性能进行了研究,并与含有空位缺陷的双面Ni包覆单层GNP (Ni-defected GNP-Ni)及双面Ni包覆多层GNPs (Ni-nGNPs-Ni)增强镁基复合材料(Ni-defected GNP-Ni/Mg、Ni-nGNPs-Ni/Mg (n为GPNs层数))拉伸性能进行了对比。研究结果表明:GNPs的加入可以显著增强镁基复合材料的力学性能,与单晶Mg相比,GNP/Mg纳米复合材料在300 K及应变速率为1×109 s-1时的拉伸强度和弹性模量分别提高了32.60%和37.91%,而Ni-GNP-Ni/Mg的拉伸强度和弹性模量分别提高了46.79% 和54.53%;此外,Ni-defected GNP-Ni/Mg复合材料的弹性模量和拉伸强度较GNP/Mg有较大的提高,但其断裂应变提高的幅度较小;而Ni-GNP/Mg复合材料的拉伸强度和断裂应变较GNP/Mg有较大的提高,但其弹性模量提高的幅度较小。Ni-GNP-Ni/Mg基复合材料的弹性模量、拉伸强度和断裂应变随着温度的升高而降低,表现出了温度软化效应,但复合材料弹性模量的变化对温度不敏感。随着Ni-nGNPs-Ni中n的增加,即增强体体积分数增大时,复合材料弹性模量、拉伸强度及断裂应变均随之增大,复合材料表现出良好的综合力学性能。最后通过对原子结构演化的分析,发现Ni-GNP-Ni/Mg纳米复合材料的强化机制主要是界面强化、载荷的有效传递及位错强化。

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金属Nb级联碰撞的分子动力学模拟
马小强,杨坤杰,徐喻琼,杜晓超,周建军,肖仁政
金属学报. 2020, 56 (2): 249-256.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00203
摘要   HTML   PDF (6060KB)

运用分子动力学方法研究了bcc结构Nb在辐照损伤初期因辐照诱发位移损伤形成和演化的微观过程以及原子机制。选取初级离位原子(primary knock-on atom,PKA)能量5~50 keV,模拟温度300 K,研究了Nb中级联碰撞产生的缺陷数量及其分布随模拟时间的演化,PKA能量对稳定Frenkel缺陷数目的影响,缺陷团簇的分布等。研究结果显示,级联碰撞会在体系中产生辐照缺陷,Frenkel 缺陷对数目和不同的PKA能量区间(5~30 keV和30~50 keV)之间满足不同的幂函数关系,所形成的缺陷大多数以点缺陷的形式存在,空位团簇成团率17%~35%,间隙原子团簇成团率23%~40%,PKA能量越高,空位越容易形成较大的团簇;级联碰撞产生的间隙原子形成了大量的沿<110>方向的哑铃型结构;当PKA能量高于30 keV时,级联碰撞将产生1/2<111>间隙型位错环和<100>空位型位错环。

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