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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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  2024年, 第60卷, 第3期 刊出日期:2024-03-11 上一期   
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综述
超声冲击对增材制造组织改善及强化机理影响的研究进展
孙徕博, 黄陆军, 黄瑞生, 徐锴, 武鹏博, 龙伟民, 姜风春, 方乃文
金属学报. 2024, 60 (3): 273-286.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00542
摘要   HTML   PDF (4515KB)

增材制造作为一种快速发展的先进技术已在制造业领域得到广泛应用,但在金属制件增材制造过程中存在的晶粒粗大、组织方向性明显等问题制约了该技术的发展。超声冲击处理作为一种强化手段,因其能够有效改善增材制造金属制件应力状态、细化组织并提高其综合性能等特点而得到认可。本文从超声冲击在金属增材制造过程中对组织的作用机制和强化机理出发,总结了基于表面塑性变形实现增材制造强化的理论观点及局限性,阐述了超声冲击和增材制造复合作用下的组织细化机理和柱状晶向等轴晶转变机制,最后提出了超声冲击辅助金属增材制造强化理论建立过程中仍需进行深入研究的问题及建议。

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研究论文
轻质高强高阻尼HfO2@CNT/聚合物/CuAlMn复合材料的制备及性能
蒋招汉, 邱文婷, 龚深, 李周
金属学报. 2024, 60 (3): 287-298.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00210
摘要   HTML   PDF (3213KB)

由于阻尼合金和聚合物分别在减振效果和力学性能方面存在不足,为了实现宽频域和温域内的功能结构一体化,本工作采用烧结蒸发法和真空渗入工艺成功制备了一种新型阻尼复合材料。该复合材料以多孔CuAlMn形状记忆合金为骨架,孔隙中填充了负载HfO2颗粒的碳纳米管与黏弹性聚合物组成的复合体。对样品进行了动态力学分析和室温单轴压缩实验,结果表明,当骨架孔隙率为80%、碳纳米管质量分数为1%时,该复合材料的压缩屈服强度和弹性模量分别为27 MPa和1040 MPa,密度仅为2.11 g/cm3,损耗因子在0.1~200 Hz和20~100℃范围内都在0.055以上,最大值可达0.102。相比于同等孔隙率的CuAlMn骨架,复合材料的弹性模量、压缩屈服强度和损耗因子分别提高了1、2和1.5倍。引入三相模型研究了复合材料的阻尼机理,计算结果表明,新型复合材料的主要阻尼机制是界面阻尼。

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GH3535合金焊缝高温氦离子辐照效应
白菊菊, 李健健, 付崇龙, 陈双建, 李志军, 林俊
金属学报. 2024, 60 (3): 299-310.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00040
摘要   HTML   PDF (4017KB)

焊缝因其组织及力学性能不均匀性常被视为结构材料的薄弱环节。本工作对焊缝进行高温氦离子辐照效应研究,明确辐照缺陷在焊缝与母材中的演化差异。850℃下,对GH3535合金焊接接头进行2 × 1016 ions/cm2氦离子辐照,利用TEM和纳米压痕仪对焊缝和母材的微观结构及力学性能进行表征,对比分析高温下焊缝中微观缺陷的演化行为及力学性能变化。结果表明,850℃下,焊缝中He泡多分布在位错线和碳化物-基体界面上,碳化物-基体界面上的He泡较位错线上的He泡尺寸更小,密度更高;焊缝中峰值处He泡平均数密度小于母材,尺寸略大于母材,而位错环的数密度和尺寸均小于母材。纳米压痕结果表明,同样辐照条件下,焊缝的辐照硬化程度(36%)约为母材(70%)的一半。经DBH模型计算确认辐照后样品中He泡和位错环是造成辐照硬化的主要因素。分析认为,高温下纳米碳化物和位错线对He原子以及间隙子的捕获是导致焊缝与母材辐照行为差异的关键原因。

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多道次压缩变形对AZ80镁合金微观组织演化的影响
李振亮, 张欣磊, 田董扩
金属学报. 2024, 60 (3): 311-322.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00010
摘要   HTML   PDF (6964KB)

镁合金具有密排六方结构,可动滑移系少导致其室温塑性差,而热加工对调控镁合金塑性有重要作用。本工作对AZ80镁合金分别进行恒温、阶梯降温多道次压缩变形,利用电子背散射衍射(EBSD)技术观察分析了不同变形程度、不同变形路径下AZ80镁合金的微观组织,研究了AZ80镁合金热压缩变形过程中晶界、位错密度、Schmid因子和极图演化规律。结果表明:晶粒尺寸、孪晶、织构综合作用对AZ80镁合金塑性调控的影响优于单一动态再结晶对其塑性调控的影响,恒温三次变形(ε = 0.6) (3P)有利于发生动态再结晶,而阶梯降温三次变形(ε = 0.6) (3P)更有利于塑性变形。晶粒取向差减小、小角度晶界(LAGBs)数量增多、几何必需位错(GND)密度增加3者共同作用产生更多86°{101¯2} <12¯10>拉伸孪晶是影响阶梯降温三次变形塑性调控的重要因素。

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脉冲电流辅助等离子弧焊Al-Mg合金晶粒细化机理
袁涛, 赵晓虎, 蒋晓青, 任学磊, 李博阳
金属学报. 2024, 60 (3): 323-332.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00036
摘要   HTML   PDF (4118KB)

在焊接热处理过程中,通过施加电流脉冲对熔池附加的振动效果可以有效改善焊缝成形差、晶粒粗大等问题。本工作通过对常规焊缝、传统脉冲电流焊缝以及复合脉冲电流焊缝的晶粒尺寸分析,探讨了脉冲电流对Al-Mg合金组织细化的影响及晶粒细化的机制。对于传统脉冲电流,当频率由0 Hz升高到100 Hz时,平均晶粒尺寸由78.2 μm降至53.3 μm,细化程度提高约30%。在传统脉冲电流波形上复合了低频脉冲电流后,晶粒尺寸最小可达到48.2 μm,细化效果达到近40%。对各焊缝区显微组织的EBSD结果表明,施加脉冲电流后小尺寸晶粒分布明显增加,且大角度晶界占比明显增加。热力学以及EDS分析结果表明晶粒细化的主要机制为枝晶破碎。

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航空用TC21钛合金变截面模锻件的显微组织和力学性能不均匀性分析
杨杰, 黄森森, 尹慧, 翟瑞志, 马英杰, 向伟, 罗恒军, 雷家峰, 杨锐
金属学报. 2024, 60 (3): 333-347.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00313
摘要   HTML   PDF (6511KB)

针对β锻制备的航空用TC21钛合金变截面模锻件的组织和力学性能不均匀性,采用Deform软件模拟、OM、SEM、XRD、EBSD、拉伸和示波冲击,对不同等效应变处的显微组织和力学性能进行表征,对比分析了影响拉伸和冲击及其各向异性的主要因素。结果表明,模锻件整体形状复杂,等效应变集中于0.75~1.20范围,应变高处流线组织明显,亚结构增多,窄截面导致冷速较快,使得初生α相含量减少以及次生α相细化,共同导致了强度升高。分析了高应变处在热变形和热处理过程中各相组成的织构演化,最终为残余β相的<110>//LD的强织构及转变α相的{0002} 2种较弱织构,从α相滑移系和β相密排面分析了强织构导致的强度各向异性。示波曲线表明冲击功主要消耗于萌生能,结合原始β晶粒排布讨论了不同取向冲击和拉伸断口的断裂模式差异,最后提出拉伸断裂模型,解释了高应变1.20处具有良好强塑性匹配的原因。

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柔性、可拉伸变形微型热电器件的设计与集成
刘瑞, 于治, 赵洋, 李晓齐, 喻海龙, 何娟, 聂鹏程, 王春雨, 邰凯平, 刘畅
金属学报. 2024, 60 (3): 348-356.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00171
摘要   HTML   PDF (2122KB)

在能源匮乏、环境污染严重的今天,研发可循环利用、环境友好的新型能源材料与器件具有重要意义。热电材料可直接实现热能与电能的相互转换,为解决这一问题提供了新的途径。特别是,近年来由于柔性热电器件展现出自供电、可穿戴等优势,受到了人们的高度重视。本工作通过引入聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)基底,利用单壁碳纳米管(single-wall carbon nanotube,SWCNT)/Bi2Te3热电复合薄膜材料优异的热电性能和柔韧性,设计制作了一种可拉伸变形的三维拱形结构的微型热电发电器件。该器件充分利用薄膜材料面内最佳热电性能方向,通过器件内外温差获得热-电性能转换,在电极两端产生电势差,实现发电。该微型柔性热电器件在温差为4 K时,输出电压为4.8 mV,最大输出功率达2.6 × 10-9 W,功率密度为3.9 × 10-9 W/cm2,器件的最小弯曲半径为3 mm。这种微型柔性热电器件的制备工艺简单易行、成本低廉,为柔性热电薄膜发电器件的研制提供了新途径。

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AlCr协同作用提高核用高强钢耐水蒸气氧化性能
彭祥阳, 张乐, 李聪聪, 侯硕, 刘迪, 周建明, 路广遥, 蒋虽合
金属学报. 2024, 60 (3): 357-366.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00463
摘要   HTML   PDF (3300KB)

前期研发的Fe-Ni-Al基超高强度马氏体时效钢表现出了良好的力学和抗辐照性能,然而典型Cr2O3氧化保护膜的耐热钢在轻水反应堆高温高压含水蒸气的服役环境中极易失效,亟待研发兼具抗高温水蒸气氧化、优异力学和抗辐照性能的先进材料。本工作在前期研发的Fe-Ni-Al系超高强度马氏体时效钢基础上添加不同含量的Cr元素,在保持新型马氏体钢优异力学性能的同时,对其在干燥空气和含水蒸气环境中的氧化性能进行研究。采用非自耗真空电弧炉制备合金铸锭,并对时效处理后的高强钢进行600℃干燥空气和潮湿空气2种环境中的抗氧化性能测试,对氧化后样品的表面和截面形貌进行微观组织表征。结果表明,添加9%Cr后的Fe-13Ni-2.3Al高强钢在600℃空气 + 10%水蒸气的气氛中氧化100 h的平均单位面积增重仅为0.1 mg/cm2,是添加5%Cr的Fe-13Ni-2.3Al高强钢和Fe-18Ni-3Al马氏体时效钢的1/50。对氧化后高强钢微观组织表征分析表明,在Al和Cr元素协同作用下,Fe-13Ni-9Cr-2.3Al高强钢在600℃空气 + 10%水蒸气条件下表面自发形成了富Fe、Cr、Al的复合氧化膜,提高了抗高温水蒸气氧化性能,其中Cr通过第三组元效应降低氧化物膜-基体界面氧分压,从而促进在高温水蒸气条件下在基体表面形成致密连续的富Al氧化膜。

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δ-铁素体对钠冷快堆用316KD奥氏体不锈钢热变形行为和动态再结晶的影响
陈胜虎, 王琪玉, 姜海昌, 戎利建
金属学报. 2024, 60 (3): 367-376.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00039
摘要   HTML   PDF (3849KB)

奥氏体不锈钢中δ-铁素体的存在显著影响热加工过程中奥氏体晶粒度的控制,造成晶粒不均匀现象,关于δ-铁素体对奥氏体动态再结晶行为的影响机制尚不清楚。本工作利用Gleeble-3800热力模拟试验机在1423 K、0.1 s-1条件下进行了铸态样品和均质化处理态样品的热压缩实验,结合SEM、EBSD和TEM等研究了δ-铁素体对热变形行为和动态再结晶的影响。结果表明:1473 K均质化处理14 h可基本消除δ-铁素体,同时伴随着奥氏体晶粒的显著长大,计算表明δ-铁素体向奥氏体的转变速率主要受控于Cr在奥氏体中的扩散。铸态样品变形过程中,δ-铁素体内部、δ-铁素体/奥氏体界面处的塑性变形先于奥氏体相,高温下较软δ-铁素体的存在,造成铸态样品的流变应力明显低于均质化处理态无δ-铁素体样品。随着变形的进行,δ-铁素体易发生动态回复,动态回复引起的软化导致流变应力显著下降。均质化处理态样品的动态再结晶机制是原始奥氏体晶界弓出形核的不连续动态再结晶。而δ-铁素体的存在促进了δ-铁素体/奥氏体界面附近奥氏体的动态再结晶,其机制为连续动态再结晶。铸态样品中的原始奥氏体晶界为不连续动态再结晶的形核位置,2种动态再结晶机制的耦合作用使得铸态样品的动态再结晶程度显著高于均质化处理态样品。

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初始组织及冷轧压下量对工业低牌号电工钢相变织构及磁性能的影响
杨平, 马丹丹, 顾晨, 顾新福
金属学报. 2024, 60 (3): 377-387.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00406
摘要   HTML   PDF (4234KB)

有相变的低牌号电工钢连铸坯中普遍存在的{100}柱状晶显示了连铸过程中强烈的相变滞后及相变被抑制的特性。这时,热轧加热温度的变化会造成热轧组织与织构的多样性,并对后续冷轧退火组织与织构产生影响。本工作在前期初步考察热轧工艺对工业低牌号电工钢相变织构影响的基础上,结合连铸坯中柱状晶相变滞后现象,提出了亚稳态铁素体热轧保留{100}织构从而提高磁性能的思路,进一步考察了冷轧前不同初始组织及冷轧压下量对相变织构的影响,并探索了织构遗传的规律。结果表明,低温加热热轧的热轧板中存在较多{100}取向的形变晶粒,冷轧及相变退火后显示了明显的{100}织构遗传规律,有效改善了磁性能。压下量的提高削弱了{100}相变织构。分析认为,虽然工业低牌号电工钢中的Al、P元素阻碍了表面效应诱发的{100}相变织构,但低温热轧产生有利的初始{100}织构促进了最终遗传型相变织构。此外,高退火温度下得到的相变织构仍优于低退火温度下得到的再结晶织构。

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基于界面追踪-动网格技术模拟凝固收缩下Fe-C合金宏观偏析
董士虎, 张红伟, 吕文朋, 雷洪, 王强
金属学报. 2024, 60 (3): 388-404.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00494
摘要   HTML   PDF (4156KB)

Fe-C系合金铸锭因C元素分配系数小、铸锭尺寸较大,易产生C偏析缺陷;同时因合金液-固相密度差异以及铁素体、奥氏体等相密度的差异都易产生并加剧凝固收缩。对凝固收缩的模拟研究表明,气相(渣相)的引入对偏析影响甚微,主要起补充顶端收缩腔的作用,但却导致气-合金界面模拟困难。为了简化模拟的复杂性,本工作基于液-固混相的连续介质模型,将凝固过程中收缩的体积与固相区、糊状区及液相区下降的体积建立关联,从而确定熔体顶端边界;结合动网格技术,开发了一种追踪收缩腔界面的模型,实现了Fe-C合金铸锭凝固收缩和宏观偏析的耦合模拟,预测的收缩腔形状与实验相符。结果表明:Fe-0.3%C合金铸锭凝固过程中,在热-溶质浮升力影响的基础上,考虑凝固收缩后,预测的铸锭顶部正偏析最大值减少了4.78%。铸锭顶端界面的换热,会减轻铸锭顶端正偏析。耦合热-溶质浮升力及凝固收缩影响,顶端与环境换热系数为h = 2.0 W/(m2·K) 的铸锭上部溶质分布更符合文献实验测量结果。在热-溶质浮升力影响的基础上,考虑凝固收缩增强了糊状区内溶质浮力影响,致使铸锭凝固前沿主流股旋流方向更快反转,熔钢流速超过仅考虑热-溶质浮升力时的流速,从而加快了铸锭凝固速率。本模型预测的铸锭底端负偏析小于文献实验结果,这是由于本模型仅考虑了液-柱状晶混相,进一步的模型中需加入等轴晶粒沉降的影响。

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低温轧制对高强高导Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金性能及析出行为的影响
李龙健, 李仁庚, 张家郡, 曹兴豪, 康慧君, 王同敏
金属学报. 2024, 60 (3): 405-416.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00180
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随着现代工业中交通、电气、航空航天、电子等领域的快速发展,对铜合金的性能要求越来越高。强度和导电率是相互矛盾的性质,实现铜合金兼具高强度和高导电率是现代铜工业发展的重要课题。采用真空熔炼、低温轧制、时效处理等工艺制备了Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb (质量分数,%)合金,研究了低温轧制对Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金显微组织、力学性能和导电性能的影响,分析了时效工艺对析出相种类、形貌和分布的影响。结果表明,Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金主要由Cr相、富Zr相、Cr2Nb相及Cu基体相组成。450℃短时(30 min)时效后Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金即可析出纳米级fcc结构的Cr析出相,在长时间(300 min)时效后,会形成bcc结构的Cr析出相。Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金经过低温轧制和时效处理后,在Cu基体中形成了纳米析出相、纳米变形孪晶和位错等混合组织并获得了优异的综合性能。低温轧制Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金450℃时效30 min后,抗拉强度为700 MPa,导电率为73.29%IACS;450℃时效300 min后,导电率可达79.81%IACS,此时,抗拉强度、屈服强度和硬度分别为646 MPa、606 MPa和212 HV。结合实验结果和对强度贡献计算表明,位错强化和析出强化是Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金的主要强化机制。

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