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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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  2017年, 第53卷, 第9期 刊出日期:2017-09-11 上一期    下一期
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W对新型Nb稳定化奥氏体耐热铸钢1000 ℃蠕变行为的影响
张银辉, 冯强
金属学报. 2017, 53 (9): 1025-1037.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00002
摘要   HTML   PDF (12953KB)

以新设计的4种不同W含量(0~4.87%,质量分数)的Nb稳定化奥氏体耐热铸钢为研究对象,通过在1000 ℃、50 MPa条件下的蠕变性能测试和蠕变前后的组织分析,研究了W对奥氏体耐热铸钢1000 ℃蠕变行为的影响机理。结果表明:合金的最小蠕变速率随W含量的增加先降低后增高。合金的主要析出相为Nb(C, N)和富Cr相。W含量的增加对Nb(C, N)的影响很小,但明显促进富Cr碳化物析出,并促使(Cr, Fe, W)7C3转变为(Cr, Fe, W)23C6。而且,过量的W添加会促进金属间化合物χ相析出。在蠕变过程中,合金的基体还会二次析出纳米级的Nb(C, N),阻碍位错运动,从而进一步提高合金的蠕变强度。但是,富Cr相胞团,尤其是胞团内的χ相,会促进蠕变裂纹形核长大,从而提高合金的蠕变速率,降低蠕变寿命。

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累积叠轧TC4钛合金的组织演化与力学性能
刘国怀, 李天瑞, 徐莽, 付天亮, 李勇, 王昭东, 王国栋
金属学报. 2017, 53 (9): 1038-1046.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00035
摘要   HTML   PDF (10362KB)

采用累积叠轧技术制备具有超细晶组织的TC4钛合金,考察了叠轧工艺对界面结合和微观组织的影响规律以及该过程中α ?β两相钛合金的变形机制,分析了叠轧工艺对TC4合金力学性能的影响。结果表明,TC4合金累积叠轧过程中需要足够的加热温度(近于720 ℃)、防氧化处理以及多层数大下压量的轧制工艺,才能获得良好的界面结合,但是界面处存在O含量较高的硬化层。随着叠轧温度和叠轧层数的增加,TC4板材的结合界面逐渐消失并具有较高的结合强度。累积叠轧过程是协同变形和剪切变形综合作用的结果,即变形初期晶界β相由长条状转变为短片状且晶界发生滑移,而在变形程度较高时组织中有大量的剪切带,此过程存在大量局部变形以适应大塑性变形过程。变形组织中存在局部等轴组织(约300 nm)和拉长的变形结构(约400 nm),其中等轴组织是由于变形温度、局部剪切变形和局部过热作用而发生再结晶形成的。叠轧板材在厚度方向存在组织性能不均匀现象,在结合界面处硬度较高,随着叠轧层数的增加硬度逐渐趋于一致。同时随着叠轧层数的增加,TC4合金的抗拉强度逐渐增加,在叠轧16层后抗拉强度达到1325 MPa,塑性降低为5.4%。在叠轧层数较少时,断裂过程表现为韧性断裂,随着叠轧层数的增加,断口形貌逐渐转变为韧窝断口和准解理断口的综合形貌。

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TC17合金超高周疲劳裂纹萌生机理
刘汉青, 何超, 黄志勇, 王清远
金属学报. 2017, 53 (9): 1047-1054.   DOI: 10.11900/0412.1961.2016.00561
摘要   HTML   PDF (6606KB)

通过实验研究了2种频率(110 Hz和20 kHz)循环载荷作用下航空发动机叶片材料TC17合金的超高周疲劳失效行为,分析了不同失效形式下的裂纹萌生机理。结果表明,TC17合金在2种实验载荷频率下均存在表面和内部萌生裂纹诱发疲劳失效2种失效形式,表面萌生裂纹诱发的疲劳失效主要是由加工缺陷和循环载荷作用下试样表面滑移处应力集中引起的横向裂纹所致,内部萌生裂纹诱发的疲劳失效是由循环载荷作用下材料初生α相的滑移断裂所致。失效机理的不同使得材料的应力-疲劳寿命(S-N)曲线呈双线性,载荷频率对TC17合金的裂纹萌生形式和萌生机理的影响不显著。建立了基于薄弱取向晶粒区域尺寸的疲劳强度预测模型,模型预测值与实验值吻合较好。

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Ti-43Al-4Nb-1.5Mo合金包套锻造与热处理过程的微观组织及高温拉伸性能
李天瑞, 刘国怀, 徐莽, 牛红志, 付天亮, 王昭东, 王国栋
金属学报. 2017, 53 (9): 1055-1064.   DOI: 10.11900/0412.1961.2016.00457
摘要   HTML   PDF (15209KB)

对Ti-43Al-4Nb-1.5Mo合金进行包套锻造和后续热处理实验,考察了该过程TiAl合金的热变形行为、流变软化机制以及热处理参数对微观组织和力学性能的影响。结果表明,TiAl合金包套锻造过程的高温流变软化以β相协调变形、片层相变分解、γ相内位错滑移以及孪晶诱导的动态再结晶为主,最终组织为残余α2/γ层片和等轴α2γ、B2相的混合组织。随热处理温度的升高,热变形组织由残余α2/γ层片和多相混合组织转变为α2/γ层片+γ相组织,在较高的温度下(1300 ℃)转变为全层片组织。其中,B2相随着溶质扩散程度的增加逐渐消失,残余层片组织发生分解转变为等轴α2/γ层片团,同时发生γα转变,形成全层片组织。对热等静压、锻态和热处理试样的高温(800 ℃)拉伸性能进行比较,经热处理后获得的全片层组织具有最佳的综合性能,抗拉强度为663 MPa,延伸率达到26%。分析该样品的断裂行为可知,由于存在层片扭曲拉长、微孔钝化以及裂纹曲折延伸的断裂机制,全层片组织具有良好强度-塑性的综合力学性能。另外,热加工过程中(高温) bcc结构B2相能够协调变形,但服役条件下硬脆的B2相作为裂纹源容易引起裂纹萌生,对力学性能极其不利。因此,TiAl合金在热变形和服役过程中需要对组成相进行严格控制,从而获得良好的力学性能。

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连续点式锻压激光快速成形TC11钛合金的组织和力学性能
席明哲, 吕超, 吴贞号, 尚俊英, 周玮, 董荣梅, 高士友
金属学报. 2017, 53 (9): 1065-1074.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00005
摘要   HTML   PDF (14857KB)

采用连续点式锻压激光快速成形技术进行了TC11钛合金厚壁零件成形实验,利用OM、SEM等手段研究了连续点式锻压激光快速成形TC11钛合金的组织和力学性能。结果表明,TC11钛合金试样内部的等轴晶晶粒尺寸均匀,平均晶粒尺寸48.7 μm。等轴晶的晶界α相连续,晶内是初生α相板条+β转变组织组成的双态组织。在连续点式锻压激光快速成形过程中,连续点式锻压时,TC11钛合金厚壁零件的表层变形区深度约为1.5 mm,变形量为20%。在连续点式锻压冷变形TC11钛合金上表面沉积新层过程中,当激光束扫描经过时,熔池热影响区中约1 mm厚(4层)冷变形TC11钛合金被加热到钛合金β转变温度之上,并在0.86 s内完成再结晶。力学性能结果表明,与TC11钛合金锻件相比,连续点式锻压激光快速成形的TC11钛合金的强度高,而塑性低。断口形貌分析表明,晶间断裂是导致TC11钛合金塑性差的主要原因。

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高强7050铝合金超低温大变形加工与组织、性能调控
侯陇刚, 刘明荔, 王新东, 庄林忠, 张济山
金属学报. 2017, 53 (9): 1075-1090.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00047
摘要   HTML   PDF (13783KB)

通过低温冷却+轧制变形的方法研究了高强7050铝合金的低温塑性变形及其对合金组织性能的影响。结果表明,高强7050铝合金经液氮冷却预处理后可实现与温/热轧相比较高的轧制变形加工量,并产生大量亚结构和高密度位错,使合金显著强化,其中低温下的高变形能力主要与合金在低温下具有高的加工硬化能力密切相关,而强度提升主要来自于固溶强化和变形位错强化的贡献。虽然超低温变形能够明显加快淬火态高强7050铝合金的时效进程,但直接时效处理可使超低温变形态7050铝合金保有较高的强度和一定延伸率,其中析出和位错强化是其强化主因,而时效引起的回复和强化相析出共同促进延伸率的改善。淬火态高强7050铝合金在室温变形过程中,形变热引起基体中析出的溶质原子团簇(或GP区)和η′相与变形位错发生交互作用,导致大量剪切带(失稳区)形成,从而易引发轧板开裂或边裂,而超低温变形过程中溶质扩散受阻以致强化相析出被抑制,从而明显降低了剪切失稳区的发生,使合金能够获得均匀、稳定的塑性变形或良好的加工硬化,确保获得较高质量的超低温轧板。高强铝合金在低温下所表现出来的优异塑性变形和加工能力有望成为改善高强铝合金难变形加工的有效途径。

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溶质Ti对Al-Ti-B中间合金细化Al影响的新认识:TiB2粒子的动力学行为及溶质Ti的影响
张丽丽, 江鸿翔, 赵九洲, 李璐, 孙倩
金属学报. 2017, 53 (9): 1091-1100.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00084
摘要   HTML   PDF (5889KB)

实验研究了Ti添加量对Al-Ti-B中间合金细化工业纯Al晶粒效果的影响,建立了Al熔体中TiB2粒子动力学行为模型,模拟分析了Al-Ti-B中间合金细化工业纯Al过程中TiB2粒子的溶解、粗化和快速长大行为及溶质Ti的影响。实验和模拟结果表明,Al-Ti-B中间合金细化工业纯Al过程中,TiB2粒子的动力学行为对中间合金细化能力的影响不可忽视,溶质Ti能有效抑制Al熔体中TiB2粒子的溶解、粗化和快速长大行为,影响Al-Ti-B中间合金的细化能力。

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利用管状试样测试各向异性材料双向应力状态力学性能的新方法
林艳丽, 何祝斌, 初冠南, 闫永达
金属学报. 2017, 53 (9): 1101-1109.   DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00074
摘要   HTML   PDF (2174KB)

为解决各向异性材料双向加载性能测试理论模型存在的测试物理量过多且实测困难的问题,提出了一种采用管状试样胀形直接测试双向加载力学性能的新方法:一点法。利用圆几何轮廓线为显性函数表达式的特征,推导了胀形过程中最高点轴向曲率半径和壁厚理论模型。仅需在胀形过程中测量最高点胀形高度,即可获得材料双向加载下的力学性能,为建立一个简单可靠且能在线实时测量的材料力学性能测试方法奠定了基础。并利用所建立的测试方法进行了AA6061铝合金挤压管坯的胀形实验。结果表明:管坯自由胀形时,其最高点实时壁厚和曲率半径均可表示为最高点胀形高度的显示函数。轮廓形状理论模型的预测精度随膨胀率的增大先提高后降低,膨胀率约为13%时预测精度最高,当膨胀率超过20%后,预测精度开始下降,但最大误差不超过±0.9%。最高点实时壁厚理论模型的预测精度基本不受试件几何尺寸的影响,长径比和径厚比改变时,差异很小,预测误差均不超过0.8%,这对保证双向加载条件下的力学性能测试精度是非常有益的。一点法可同时测得环向和轴向的应力应变分量,这为进一步分析各向异性对复杂应力状态下材料的流动及后继屈服奠定了基础。

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Al-7Si-Mg铝合金拉伸过程应变硬化行为及力学性能模拟研究
陈瑞, 许庆彦, 郭会廷, 夏志远, 吴勤芳, 柳百成
金属学报. 2017, 53 (9): 1110-1124.   DOI: 10.11900/0412.1961.2016.00547
摘要   HTML   PDF (3563KB)

建立了时效析出动力学模型、强化模型以及应变硬化模型,针对Al-7Si-Mg合金开展拉伸性能模拟研究。时效析出动力学模型可以模拟析出相密度、尺寸、分布、体积分数、基体中元素含量等微观组织参数,并结合强化模型获得合金的屈服强度。通过应变硬化模型可模拟合金在拉伸过程的应力-应变曲线,并结合关系式(σUTSY)=Y+n+f (Tss)获得合金的抗拉强度和延伸率。本工作首先模拟了Al-7Si-0.4Mg合金的析出相特征参数及屈服强度并进行实验验证,分析了模拟结果与实验结果之间存在偏差的可能原因。采用应变硬化模型模拟了Al-7Si-0.36Mg合金在拉伸过程的应力-应变曲线,分析时效处理和铸态组织细化程度对位错存储速率、动态回复速率及合金的应力-应变曲线的影响规律。采用本模型预测了Al-7Si-0.4Mg合金在不同时效温度下的抗拉强度和延伸率,并与实验结果进行对比,分析了二次枝晶臂间距对拉伸性能的影响。最后,对模型存在的局限性及影响拉伸性能预测精度的因素进行了分析。

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基于GA-ELM的铝合金压铸件晶粒尺寸预测
梅益, 孙全龙, 喻丽华, 王传荣, 肖华强
金属学报. 2017, 53 (9): 1125-1132.   DOI: 10.11900/0412.1961.2016.00573
摘要   HTML   PDF (3139KB)

为提高铝合金压铸件晶粒尺寸预测的效率和准确率,应用遗传算法-极限学习机(GA-ELM)模型预测晶粒尺寸。ELM的输入层权值矩阵及隐含层阈值矩阵具有随机性,通过GA算法对ELM的输入层权值矩阵和隐含层阈值矩阵进行优化,建立GA-ELM模型。以晶粒尺寸作为输出参数,相关压铸工艺参数作为输入参数,通过压铸生产实验及金相测量获得相应数据,对GA-ELM模型进行实例分析,并与同样使用遗传算法优化的GA-BP神经网络模型和原始ELM模型预测结果进行对比。最后,通过金相组织测量实验验证GA-ELM模型预测结果的可靠性。结果表明,利用GA-ELM模型预测铝合金压铸件晶粒尺寸具有较高的预测精度及预测效率,与其它算法相比,具有一定的优越性。

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Mg1-xZnx合金的弹性和热力学性质的第一性原理研究
崔荣华, 王歆钰, 董正超, 仲崇贵
金属学报. 2017, 53 (9): 1133-1139.   DOI: 10.11900/0412.1961.2016.00583
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基于密度泛函理论及密度泛函微扰理论为基础的第一性原理计算,采用虚晶近似的方法,研究了具有hcp结构且Zn含量在2% (原子分数)范围内的8种Mg1-xZnx合金的晶格常数、弹性性质和热力学性质。通过优化结构计算Mg和Zn含量不同的Mg1-xZnx合金弹性常数,对Young's模量、Poisson比、弹性各向异性等进行了详细分析,给出了Mg及Mg1-xZnx合金的晶格振动Helmholtz自由能、内能、熵和定容热容等随温度变化情况。结果表明,随着Zn含量增加晶格常数ac均相应减小,弹性常数、自由能和内能增大,熵及定容热容减小;另一方面,随温度升高,Zn含量对自由能和熵的影响程度增大,而对定容热容的影响程度先增大后减小。Mg1-xZnx合金中Zn含量的增加有利于提高材料硬度和韧性,但也增大了材料的各向异性。

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Ti-6Al-4V合金熔模铸造过程中的固态相变微观组织演变的数值模拟
邵珩, 李岩, 南海, 许庆彦
金属学报. 2017, 53 (9): 1140-1152.   DOI: 10.11900/0412.1961.2016.00579
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针对Ti-6Al-4V合金熔模铸造固态相变过程中的微观组织演变,对α相片层的生长,采用了多组元Zener-Hillert模型计算片层边缘生长速率,根据溶质守恒,建立片层宽面的生长速率多元溶质扩散生长模型,模拟得到了多个α相集束竞争生长的微观组织。模拟结果表明,Ti-6Al-4V合金熔模铸造固态相变过程中,α相片层边缘生长受杂质元素影响较小,而在宽面上,杂质元素含量引起的过冷度占总过冷度的比例约为0.45;Ti-6Al-4V合金熔模铸造固态相变潜热约为70 kJ/kg,与JMatPro软件中的数据吻合较好。模拟得到的组织形态结果与金相组织吻合较好,模拟得到的生长速率与实验估测的速率相当。

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