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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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  2019年, 第55卷, 第3期 刊出日期:2019-03-11 上一期    下一期
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双脉冲HiPIMS放电特性及CrN薄膜高速率沉积
吴厚朴,田修波,张新宇,巩春志
金属学报. 2019, 55 (3): 299-307.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00109
摘要   HTML   PDF (10389KB)

提出了一种新型的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术,即放电由脉宽短、电压高的引燃脉冲和脉宽长、电压低的工作脉冲2部分组成的双脉冲高功率脉冲磁控溅射技术,目的是解决传统高功率脉冲磁控溅射沉积速率低的问题。研究了引燃脉冲电压及传统高功率脉冲磁控溅射条件对Cr靶在Ar气气氛下的放电特性的影响,并制备CrN薄膜。结果表明:随着引燃脉冲电压的施加,双脉冲高功率脉冲磁控溅射Cr靶放电瞬间建立,并获得较高的峰值电流,而传统HiPIMS模式的输出是渐渐爬升的三角波电流;与传统高功率脉冲磁控溅射相比,单位功率下双脉冲高功率脉冲磁控溅射具有更高的基体电流积分以及更多的Ar+和Cr0数量;引燃脉冲电压为590 V时,双脉冲高功率脉冲磁控溅射单位功率下CrN薄膜沉积速率为2.52 μm/(h·kW),比传统高功率脉冲磁控溅射提高近3倍。

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N掺杂对磁控溅射Ta涂层微观结构与耐磨损性能的影响
杨莎莎,杨峰,陈明辉,牛云松,朱圣龙,王福会
金属学报. 2019, 55 (3): 308-316.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00136
摘要   HTML   PDF (17619KB)

采用磁控溅射技术,以AISI304不锈钢为基体,通过在溅射过程中引入不同流量的N2,制备出不同程度N掺杂的Ta涂层,研究了少量N掺杂对Ta涂层微观结构、物相组成、力学及磨损性能的影响。结果表明,无N掺杂时,Ta涂层中的物相组成为α-Ta,晶粒粗大,(211)和(110)晶面竞争生长;N掺杂后涂层中的物相组成为TaN0.1,晶粒细小并呈(110)择优取向。少量N掺杂可以显著提高Ta涂层的硬度和弹性模量,并大幅度改善其抗磨损性能。涂层硬度和弹性模量的提高与晶粒细化、N原子固溶及涂层中存在的压应力有关。N掺杂后涂层的磨损机制由磨粒磨损向黏着磨损转变。

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含Cu界面层碳纤维增强铝基复合材料制备工艺及其力学性能研究
吕钊钊,祖宇飞,沙建军,鲜玉强,张伟,崔鼎,严从林
金属学报. 2019, 55 (3): 317-324.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00323
摘要   HTML   PDF (13418KB)

为了改善碳纤维与Al基体的润湿性和抑制Al基体对碳纤维的反应腐蚀,采用电镀工艺结合超声辅助振荡分散法,在碳纤维表面制备了均匀、光滑、连续的Cu界面层。通过真空压力浸渗法制备了碳纤维增强铝基复合材料。微观组织结构分析表明,Cu界面层的引入,使得所制备的复合材料中碳纤维分散好、基体致密度高、Al熔体能很好地浸渗到碳纤维束丝中形成结合良好的碳纤维-基体界面;同时,Cu界面层的引入可以避免Al熔体对碳纤维的腐蚀。力学性能测试表明,与工业纯Al相比,当碳纤维的体积分数为8%时,材料的拉伸强度可以提高143%。断口分析表明,在拉应力作用下,碳纤维-基体复合区域的碳纤维在Al基体中发生了滑移或拔出,因此在碳纤维的滑移和拔出过程中裂纹扩展被抑制,从而大大提高铝基复合材料的强度。

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0.8PbTiO3-0.2Bi(Mg0.5Ti0.5)O3铁电薄膜90°分步畴转与温度效应
何东昱,刘玉欣
金属学报. 2019, 55 (3): 325-331.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00107
摘要   HTML   PDF (15612KB)

通过压电力显微镜对溶胶凝胶法制备的0.8PbTiO3-0.2Bi(Mg0.5Ti0.5)O3铁电薄膜电畴结构进行研究。结果表明,薄膜中铁电相为主相,面内极化的a畴和离面极化的c畴同时存在于铁电纳米晶粒中。在针尖极化电场的作用下,薄膜晶粒内的电畴取向发生变化,180°电畴翻转分为两步90°畴转实现,最终完成c-a-c的电畴转变。温度的变化影响畴转的过程,温度越高越有利于畴转,这与有效电场的增大有关。

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淬火配分贝氏体钢不同位置残余奥氏体C、Mn元素表征及其稳定性
田亚强,田耕,郑小平,陈连生,徐勇,张士宏
金属学报. 2019, 55 (3): 332-340.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00270
摘要   HTML   PDF (18645KB)

采用部分奥氏体化-两相区保温-淬火-配分(IQ&PB)热处理工艺,借助SEM、TEM、XRD研究了淬火配分贝氏体钢组织形貌及残余奥氏体特征,利用EPMA、EBSD、纳米压痕等表征了不同位置残余奥氏体中合金元素的分布情况,结合室温拉伸应力-应变曲线,研究了C、Mn元素对不同位置残余奥氏体稳定性的影响及其相变规律。结果表明,淬火贝氏体钢室温组织中残余奥氏体以块状和薄膜状形态存在。在拉伸形变过程中,发生TRIP效应,残余奥氏体体积减小,相变优先发生在铁素体晶界,最后发生在贝氏体板条之间,C、Mn元素对残余奥氏体有稳定作用,使残余奥氏体不易发生相变。拉伸断口处应力集中,残余奥氏体完全转变为马氏体,距离断口2和4 mm处,残余奥氏体体积分数分别为3.12%和5.03%。薄膜状残余奥氏体比块状残余奥氏体稳定性更强,并且<111>γ晶向的残余奥氏体不稳定,容易向马氏体转变。

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G20Mn5N铸钢件微细观孔洞三维特征及形态演化
闫华东,靳慧
金属学报. 2019, 55 (3): 341-348.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00131
摘要   HTML   PDF (9858KB)

基于高分辨率X射线三维成像技术,研究G20Mn5N低合金铸钢件中的初始微细观孔洞,对气孔、气缩孔和缩孔3类孔洞的数量、大小及圆整度等参数进行统计分析。此外,研究分析了G20Mn5N低合金铸钢件内部微细观孔洞在单调拉伸载荷作用下的演化行为。结果表明,G20Mn5N低合金铸钢中气孔的数量最多、形状最规则、体积最小;缩孔的数量最少,但体积最大、形状最复杂;气缩孔的数量、形状复杂程度和大小均介于气孔和缩孔之间。拉伸载荷作用下,微细观孔洞演化机制包括原有孔洞体积的增长、新孔洞的产生以及孔洞之间的聚合。使用统计方法进一步分析了微细观孔洞的形核和增长规律,结果表明,考虑材料初始孔洞密度和形核应变的指数函数能精确地拟合孔洞形核行为,孔洞平均半径的大小和增长速率不仅受孔洞体积增长的影响,还与孔洞形核有关。

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核用304不锈钢辐照促进应力腐蚀开裂研究
邓平,孙晨,彭群家,韩恩厚,柯伟,焦治杰
金属学报. 2019, 55 (3): 349-361.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00359
摘要   HTML   PDF (24156KB)

采用2 MeV质子束在360 ℃对国产核用304不锈钢试样进行了辐照实验,利用高温高压水环境的慢应变速率拉伸实验(SSRT)和SEM、EBSD、TEM等研究了核用304不锈钢辐照促进应力腐蚀开裂(IASCC)机理。结果表明,慢应变速率拉伸过程中辐照促进材料晶界和表面滑移台阶处形成应变集中,且其程度随辐照剂量增加而增加。滑移台阶穿过或终止于晶界,终止于晶界的台阶造成晶界处产生不连续滑移,易将位错传输到晶界,在晶界区域形成位错塞积和残余应变集中。而台阶不连续滑移的形成则受毗邻晶粒的Schmidt因子对的类型影响。另一方面,辐照促进晶界发生贫Cr富Ni元素偏析,其偏析程度随辐照剂量增加而增加。SSRT实验后辐照试样表面发生明显的沿晶应力腐蚀开裂,且裂纹数量随辐照剂量和外加应变增加而增加。同时,裂纹尖端区域发生明显晶界腐蚀,且氧化物宽度和长度随辐照剂量增加而增加。分析认为,辐照致晶界应变集中和元素偏析的协同作用造成材料变形行为和晶界腐蚀行为变化是IASCC发生的关键因素。

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基于磁畴结构交互作用的激光刻痕取向硅钢磁致伸缩系数计算
储双杰,杨勇杰,和正华,沙玉辉,左良
金属学报. 2019, 55 (3): 362-368.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00242
摘要   HTML   PDF (2380KB)

基于取向硅钢磁畴结构与磁致伸缩系数的定量关系,综合考虑激光刻痕参数和取向偏差角对应力封闭畴与横向畴2种90°磁畴结构的影响,提出反映刻痕参数与取向偏差角交互作用的磁致伸缩系数计算模型。计算结果表明,取向偏差角的大小决定了激光刻痕条件下磁致伸缩行为是由横向畴还是应力封闭畴主导;激光刻痕产生的局部封闭畴与杂散磁场可降低取向偏差角引起的磁致伸缩系数。刻痕能量密度和刻痕线间距等参数对取向硅钢磁致伸缩系数影响的计算结果与实测结果相吻合,表明本工作所提模型可为降低激光刻痕取向硅钢的噪音提供理论基础。

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Ni-Mn-Ga-Ti铁磁形状记忆合金的相稳定性和磁性能的第一性原理计算
白静, 石少锋, 王锦龙, 王帅, 赵骧
金属学报. 2019, 55 (3): 369-375.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00102
摘要   HTML   PDF (1858KB)

通过第一性原理计算系统地研究了掺杂Ti含量对Ni8Mn4-xGa4Tix (x为单胞中掺杂Ti原子的个数,x=0、0.5、1、1.5和2)铁磁形状记忆合金相稳定性和磁性能的影响。根据能量最低原理,掺杂的Ti组元优先占据Ni2MnGa合金中的Mn阵点。随着Ti含量的增加,顺磁奥氏体与铁磁奥氏体相的总能之差减小,从本质上导致了实验观察到的合金Curie温度(TC)的降低。随着Ti含量的逐渐增加,Fermi面以下自旋向上总电子态密度逐渐降低,而自旋向下的部分几乎不变,导致自旋向上与自旋向下的电子数之差减小,这是Ti含量增加而合金总磁矩降低的本质原因。本工作的计算结果对指导实验中的成分设计和开发新型磁控形状记忆合金具有重要意义。

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焊接线能量对5182-O/HC260YD+Z异种材料CMT搭接接头组织与性能的影响
吉华,邓运来,徐红勇,郭伟强,邓建峰,范世通
金属学报. 2019, 55 (3): 376-388.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00219
摘要   HTML   PDF (27746KB)

以AlSi5焊丝作为填充材料,采用冷金属过渡(CMT)焊接技术对5182-O/HC260YD+Z异种材料进行搭接熔钎焊,借助OM、XRD、SEM、EDS分析了不同工艺参数下搭接接头的宏观形貌及微观组织特征,并对接头显微硬度及剪切强度进行了测试。结果表明,焊接线能量通过影响钎焊界面IMCs层厚度进而影响接头性能及断裂类型;当送丝速率为5 m/min、焊接速率为9 mm/s时,IMCs层厚度约为6 μm,接头剪切强度可达160 MPa;接头断口形式分为“熔焊界面型”及“钎焊界面型”,近起弧处均为“熔焊界面型”断口,随着焊接线能量增加,钎焊界面IMCs层厚度增加,近收弧处断口类型逐渐由“熔焊界面型”向“钎焊界面型”演变;当焊缝单位长度上焊机输出功为150~210 J/mm时,IMCs层厚度小于9 μm,接头剪切强度较好,且较易获得“熔焊界面型”断口。

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Er对Mg-5Zn-xEr镁合金热裂敏感性的影响
刘耀鸿,王朝辉,刘轲,李淑波,杜文博
金属学报. 2019, 55 (3): 389-398.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00399
摘要   HTML   PDF (11584KB)

采用优化的RDG (Rappaz-Drezet-Gremaud)热裂模型预测了Mg-5Zn-xEr (x=0.83、1.25、2.5、5,质量分数,%)三元多相合金的铸造热裂敏感性,并利用“约束杆”钢模铸造(CRC)实验评价了该合金的热裂敏感性。结果表明,优化的RDG热裂模型可准确地预测Mg-5Zn-xEr镁合金的热裂敏感性:随着Er含量的增加,合金的热裂敏感性呈先增加后降低的趋势,当Er含量为2.5%时合金的热裂敏感性最高,当Er含量为5.0%时合金的热裂敏感性最低,与实验结果相一致。对铸件凝固曲线、相组成、微观组织等进一步分析表明,当Er含量提高至2.5%时,合金凝固过程发生包晶反应生成I相的同时消耗了液相,并且扩大了合金的凝固温度区间,使合金的热裂敏感性上升;Er含量继续提高至5.0%时,合金在凝固过程中发生L→α-Mg+W的共晶反应,凝固温度区间减小,有利于凝固后期枝晶间裂纹的补缩,显著降低了合金的热裂敏感性。

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弥散固态颗粒对Al-Bi合金液-液相分离过程的影响
张林,满田囡,王恩刚
金属学报. 2019, 55 (3): 399-409.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00327
摘要   HTML   PDF (9854KB)

通过向Al-Bi难混溶合金中添加稀土生成CeBi2颗粒,在液淬和自然冷却2种冷却方式下研究固态颗粒对液-液相分离的作用。固态颗粒成为富Bi液滴的形核质点,提高了形核率,促进液滴尺寸细化和弥散分布,进而提高了合金耐磨性能。通过分散粒子法对富Bi液滴的运动、生长和凝并行为进行模拟分析,发现Stokes运动是富Bi液滴宏观偏析的主要成因,熔体自然对流对液滴分布也有一定影响。添加Ce增加了凝固各时间段的富Bi液滴数量,细化液滴尺寸,使液滴运动速度降低。与较快出现宏观偏析的Al-Bi合金相比,Al-Bi-Ce合金中虽然有同样的粗化和偏析趋势,但进行速度相对较慢,宏观偏析较轻。液滴在凝并后期出现了尺寸的多峰分布,峰值随液滴尺寸增加由高向低排列。数值模拟结果与实验统计结果体现了较好的一致性。

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磁场对含CaO铁氧化物还原的影响
金永丽,于海,张捷宇,赵增武
金属学报. 2019, 55 (3): 410-416.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00492
摘要   HTML   PDF (11025KB)

以分析纯Fe2O3和Fe2O3掺杂2.5%CaO (质量分数) 2种体系为研究对象,在1073 K、75%CO+25%CO2 (体积分数)气氛中进行有磁和无磁条件下的等温还原实验,研究了磁场作用下CaO对铁氧化物还原的影响。结果表明:磁场加快了铁氧化物还原生成金属Fe的反应速率,反应过程中相组成未发生变化;磁场促进了Ca元素在Fe2O3+2.5%CaO体系内的扩散,还原样品呈疏松多孔状。通过热力学计算可知,磁场降低了Fe2O3还原和CaFe5O7相分解反应的Gibbs自由能,提高了反应平衡常数,使铁氧化物的还原和中间相CaFe5O7的分解反应更容易进行。

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高合金化GH4065镍基变形高温合金点状偏析研究
王资兴,黄烁,张北江,王磊,赵光普
金属学报. 2019, 55 (3): 417-426.   DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00218
摘要   HTML   PDF (32277KB)

以真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗重熔三联冶炼GH4065高合金化镍基变形高温合金棒材(直径280 mm)为对象,系统研究了该合金点状偏析的低倍组织、元素分布、第二相及晶粒形貌,分析了典型溶质元素对点状偏析行为的影响,探讨点状偏析的形成规律与机制及控制思路。结果表明,GH4065合金点状偏析主要源于枝晶间富Ti、Nb等元素的熔体密度较小冲破枝晶臂流动形成的通道偏析;锻造后生成较多的板条状η相、块状M3B2型硼化物与MC型碳化物。热力学相计算亦证实了点状偏析区较正常组织区域更容易生成η相、M3B2MC。热处理后,与正常组织区域相比,点状偏析中仍存在板条状η相,一次γ′相的尺寸和数量明显增加,二次γ′相尺寸和形貌基本相同但数量减少。分析发现,由于点状偏析区的成分变化使得γ′相回溶温度升高,导致锻造中粗大γ′相阻碍再结晶长大,点状偏析区晶粒尺寸小于正常组织区域。采取前道次冶炼精细化控制、释放电极残余应力、适度降低真空自耗重熔熔化速率、加强真空自耗重熔冷却等措施,可以有效降低点状偏析的形成倾向。

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