ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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钢铁耐磨材料研究进展
本文介绍了钢铁耐磨材料的发展历史,重点综述了高锰钢、高铬铸铁、高钒高速钢3类典型耐磨材料的成分、显微组织、磨损性能、抗磨机理和改性技术。以高锰钢为代表的耐磨钢依靠高强韧性的基体抵抗磨损,而以高铬铸铁和高钒高速钢为代表的耐磨合金主要依靠高硬度的耐磨相抵抗磨损,高钒高速钢比高铬铸铁具有更优良的耐磨性,与VC硬度高、形态好的特性有关。提出了高性能耐磨材料应具备3个要素:高强韧基体,高硬度多尺度协同作用的优质耐磨相,耐磨相与基体良好结合。
金属学报, 2020 Vol. 56 (4): 523-538    DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00370
 
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  2020年, 第56卷, 第7期 刊出日期:2020-07-11 上一期   
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研究论文
热镀锌工艺中锌液表面流速的在线电磁测量
郑锦灿, 刘润聪, 王晓东
金属学报. 2020, 56 (7): 929-936.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00024
摘要   HTML   PDF (2009KB)

通过Lorentz力测速方法对热镀锌工艺中锌锅内锌液流速进行了测量研究。该方法具有非接触式、在线、连续测量的特点和优势。设计了适合镀锌工艺特点的电磁流速测量仪,通过数值建模和模拟实验进行了校准,并进行了工厂测试,分析了锌液的流动行为和流场特点。测量结果表明,该方法可对锌液的表面流速进行实时、在线、定量的测量,为冶金工业生产中高温金属液流速监测提供了一种新手段。

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1100 MPa级高强钢的低周疲劳行为
周红伟, 白凤梅, 杨磊, 陈艳, 方俊飞, 张立强, 衣海龙, 何宜柱
金属学报. 2020, 56 (7): 937-948.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00291
摘要   HTML   PDF (3391KB)

研究了在对称应变控制条件下1100 MPa级调质态高强钢的低周疲劳性能,借助OM、SEM、TEM等手段对高强钢在低周疲劳载荷下的微观组织、断口形貌、裂纹扩展特性、夹杂物形态等进行了研究。结果表明,调质态1100 MPa高强钢具有优异的低周疲劳性能,主要有2个原因:一是由于夹杂物形态为近圆形,直径为2~5 μm,低于夹杂物引起疲劳裂纹萌生的临界尺寸,裂纹萌生于试样表面,提高了疲劳裂纹萌生寿命;二是原奥氏体晶界、马氏体板条包/束界、夹杂物/孔洞都会诱导裂纹偏转,使裂纹走向曲折,降低了裂纹扩展速率,提高了疲劳裂纹扩展寿命。

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Mn23%CrNi型双相不锈钢高温拉伸行为的影响
邓亚辉, 杨银辉, 蒲超博, 倪珂, 潘晓宇
金属学报. 2020, 56 (7): 949-959.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00376
摘要   HTML   PDF (6645KB)

利用热模拟试验机在应变速率为0.01 s-1和变形温度为300~1050 ℃的条件下,对23%Cr不同Mn含量(6.26%~14.13%,质量分数)节Ni型双相不锈钢进行高温拉伸研究。结果表明,高温拉伸变形时的主要承载相为奥氏体相,且Mn含量增加提高了奥氏体相的体积分数,有利于增强热塑性,但对抗拉强度影响较小。在550~1050 ℃变形时,随着Mn含量的增加断面收缩率增加,但在300 ℃变形时,断面收缩率有所下降。Mn含量的增加使得较低温度拉伸(450和750 ℃)的“易裂敏感点”略有增大,不同Mn含量条件下的最佳塑性温度区在500~650 ℃和850~1050 ℃。300 ℃变形时,Mn含量对加工硬化率影响小,1050 ℃变形时高Mn含量有利于在较低应变量下发生动态再结晶。不同Mn含量试样拉伸变形组织主要受奥氏体相位错结构演变影响,Mn含量较高(14.13%)时奥氏体相上形成的大量高密度、小尺寸位错胞可细化晶粒,有利于提高热塑性。

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AlNi1Cr9Al(1~3)Ni(1~7)WVNbB钢热变形行为的影响
赵嫚嫚, 秦森, 冯捷, 代永娟, 国栋
金属学报. 2020, 56 (7): 960-968.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00403
摘要   HTML   PDF (2926KB)

在T92钢的成分基础上添加了Al元素并对Ni含量进行适当调整后制备出新型1Cr9Al(1~3)Ni(1~ 7)WVNbB高铝铁素体耐热钢。利用Gleeble-3800热模拟试验机,对1Cr9Al(1~3)Ni(1~7)WVNbB高铝钢进行了950~1150 ℃、0.1~10 s-1应变速率下60%变形量的等温恒速热压缩实验,研究了Al、Ni加入量对钢热变形行为、峰值应力及热变形激活能的影响,并通过拟合得到了含有Zener-Hollomon参数的流变应力表达式,建立了该耐热钢的本构方程。结果表明,Al的添加及Al含量的增大明显降低了热压缩下的流变应力与峰值应力,即明显降低了钢的加工难度;与T92钢相比,4组试样的热变形激活能分别提高了38.136%、19.188%、28.003%和11.915%。

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二次枝晶取向对镍基高温合金晶粒竞争生长行为的影响
张小丽, 冯丽, 杨彦红, 周亦胄, 刘贵群
金属学报. 2020, 56 (7): 969-978.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00396
摘要   HTML   PDF (3738KB)

采用精密铸造法制备板状双晶和三晶试样,研究晶粒的二次枝晶取向对晶粒竞争生长的影响。结果表明,对于一次枝晶取向相同的双晶,随二次晶界角增大,晶界位置始终位于板状试样的中间,2个晶粒之间几乎不存在竞争生长。对于一次枝晶取向不同的三晶,汇聚晶粒和发散晶粒的竞争生长情况不同。在汇聚生长的情况下,择优取向枝晶与非择优取向枝晶互相阻挡,导致晶界向择优取向晶粒倾斜,这与经典的Walton-Chalmers模型不一样。并且二次取向不影响汇聚晶粒的竞争生长。在发散生长的情况下,择优取向枝晶与非择优取向枝晶都能分枝出新的枝晶,使晶界向非择优取向晶粒倾斜,这与Walton-Chalmers模型一样。此外,二次取向不影响发散晶粒的竞争生长。

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Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B合金的包套热挤压组织与拉伸性能
刘先锋, 刘冬, 刘仁慈, 崔玉友, 杨锐
金属学报. 2020, 56 (7): 979-987.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00388
摘要   HTML   PDF (5319KB)

采用包套近等温热挤压工艺制备了Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B合金方形棒材,通过OM、SEM、XRD、TEM和拉伸等实验方法研究了方棒不同状态和位置的组织及拉伸性能。结果表明,方棒材的挤压态组织较为均匀,不同位置的微观组织无明显差异;挤压变形使铸锭组织片层取向趋于一致,趋向平行于挤压方向;晶界处γ相存在颗粒状、块状和长条状3种形态;β相在挤压过程中碎化和被拉长呈平行挤压方向纤维状。在TEM下观察,棒材边部位置片层完全碎化,而心部位置片层断裂后呈长条状。β0相中生成大量ω0相,两者位相关系遵循:[111ˉ]β0//[0001]ω0、{110}β0//{21ˉ1ˉ0}ω0。方棒材的室温拉伸强度达到1000 MPa以上,室温延伸率为0.5%左右;800 ℃拉伸屈服强度达到400 MPa以上,表现明显塑性。热挤压合金经时效热处理后在β0相中生成大量透镜状γ相,时效处理提高了合金的高温拉伸性能,但无法消除ω0相。

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难变形高温合金GH4975的铸态组织及均匀化
向雪梅, 江河, 董建新, 姚志浩
金属学报. 2020, 56 (7): 988-996.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00429
摘要   HTML   PDF (3295KB)

应用FESEM、EBSD、萃取相分析及热模拟压缩等实验方法研究了难变形高温合金GH4975的铸态组织,铸态热压缩及均匀化过程中的组织演变。结果表明,GH4975合金铸态组织的主要析出相为γ′相、一次MC碳化物相及共晶相。合金中的主要偏析元素为Ti、Nb和W。铸态合金经热压缩后极易开裂,开裂主要由一次碳化物、共晶相及一次粗大γ′相的不协调变形导致。经1180 ℃、50 h均匀化热处理后,合金中的元素偏析完全消除。在1180 ℃均匀化过程中除共晶相回溶外,一次碳化物的数量和形态发生了明显的变化。均匀化后合金中的强化相和一次碳化物发生了综合互协调作用,使合金的热变形能力显著提高。

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时效路径对Al-0.7Mg-0.5Si-0.2Cu-0.5Zn合金沉淀析出行为的影响
朱亮, 郭明星, 袁波, 庄林忠, 张济山
金属学报. 2020, 56 (7): 997-1006.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00386
摘要   HTML   PDF (4298KB)

利用DSC、TEM、拉伸实验以及硬度测试等方法系统研究了时效路径对高Mg/Si比Al-Mg-Si-Cu-Zn合金沉淀析出行为的影响。结果表明,固溶淬火态和预时效态合金在非等温时效过程中β″相的析出激活能分别为80.1和64.5 kJ/mol;在等温时效过程中表现出不同的时效硬化和组织演化行为,其中固溶淬火态合金时效硬化速率较快,但最终2种路径处理的合金峰值硬度和强度基本相同;但经预时效处理的合金,峰时效态延伸率和应变硬化速率以及过时效阶段硬度降低速率均较高。与此同时,预时效态合金还可析出大量复合溶质原子团簇,虽然在高温等温时效时会进一步长大,但使得欠时效、峰时效和过时效态合金的沉淀相尺寸呈多尺度特征,而固溶淬火后直接等温时效的不同状态合金却无此特征。时效路径并未改变合金沉淀析出序列,但对沉淀相形核、长大速率影响显著,据此提出了时效路径对沉淀相形核和长大过程影响的模型示意图。

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预变形对超高强Al-Zn-Mg-Cu合金时效组织与力学性能的影响
韩宝帅, 魏立军, 徐严谨, 马晓光, 刘雅菲, 侯红亮
金属学报. 2020, 56 (7): 1007-1014.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00402
摘要   HTML   PDF (2794KB)

利用TEM、XRD、SEM、DSC以及室温拉伸等方法,研究了预变形对超高强Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的影响。通过对比未经预变形和预变形量为3%及4%的Al-Zn-Mg-Cu合金时效态微观组织与拉伸力学性能,发现:预变形可以提高铝合金时效析出速率和密度,变形量为3%时可促进析出相在晶内弥散分布,但增加到4%会导致析出相粗化;经预变形处理后晶间析出相尺寸减小,晶界无析出带宽度降低;抗拉强度和屈服强度提高,伸长率略微提高,经3%预变形以及80 ℃、12 h和120 ℃、8 h时效后的抗拉强度可达到(813±4) MPa,伸长率为10.10%±0.77%。分析认为,预变形产生的位错为析出相形核提供了异质形核的质点,改善了其在晶内与晶间的分布状态。

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WC-TiC-TaC-Co硬质合金中TaC含量对其显微组织和力学性能的影响
和淑文, 王鸣华, 白琴, 夏爽, 周邦新
金属学报. 2020, 56 (7): 1015-1024.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00400
摘要   HTML   PDF (2809KB)

利用SEM、EDS、三点弯曲装置及硬度计等手段研究了TaC含量对WC-TiC-TaC-Co硬质合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,WC-TiC-TaC-Co硬质合金主要由3种相组成:WC相、(W, Ti, Ta)C相和γ相。随着TaC的质量分数从4.6%增加到7.3%,尺寸小于0.5 μm的WC晶粒比例增加;尺寸大于1 μm的复合碳化物(W, Ti, Ta)C晶粒比例增加,且均匀分散分布的(W, Ti, Ta)C开始聚集。合金的密度、硬度与断裂韧性均呈先下降后上升再下降的变化趋势;合金的抗弯强度呈先上升后下降的趋势。当TaC含量为6.3%时,合金的综合力学性能最佳:硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为1749 HV30、10.2 MPa·m1/2和2247 MPa。

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Ti-6Al-4V表面电子束熔覆(Ti, W)C1-x复合涂层的形成及摩擦性能
刘东雷, 陈情, 王德, 张睿, 王文琴
金属学报. 2020, 56 (7): 1025-1035.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00340
摘要   HTML   PDF (4567KB)

通过高能电子束熔覆技术,利用WC-10Co粉末在Ti-6Al-4V (TC4)合金表面制备了(Ti, W)C1-x复合涂层。采用SEM、EPMA和XRD等手段对不同熔覆电流下复合涂层的显微组织和相组成进行了分析,讨论了各相的形成机理;采用显微硬度计和球盘摩擦实验设备对复合涂层的显微硬度和摩擦性能进行分析,讨论了不同熔覆电流下复合涂层的摩擦机理。结果表明,3种复合涂层中WC粉末均全部分解,涂层由α-Ti、β-Ti、树枝状和块状(Ti, W)C1-x及少量W组成。复合涂层厚度为400~600 μm,涂层与基体结合性良好。与基体相比,(Ti, W)C1-x复合涂层的平均硬度和耐磨性提高2~3倍且随熔覆电流增加而降低,在熔覆电流为12 mA时,表面显微硬度最高为860 HV;熔覆电流为12和15 mA时摩擦机理分别为轻微磨粒磨损和严重的磨粒磨损,而18 mA时还伴随着少量疲劳磨损。

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合金化元素对W-Cu体系多类界面特征影响的第一性原理计算
盖逸冰, 唐法威, 侯超, 吕皓, 宋晓艳
金属学报. 2020, 56 (7): 1036-1046.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00401
摘要   HTML   PDF (2492KB)

基于第一性原理界面模型对W-Cu复合材料体系中W/Cu相界、W晶界和Cu晶界的溶质偏聚行为进行了系列计算分析,定量化研究了W-Cu体系中多类界面的键合特征和Sc、Ti、Y、In等多种合金化元素的界面偏聚特点。结合W-Cu体系的偏聚能和电子结构计算,揭示了W-Cu体系中同种合金化元素在晶界偏聚和相界偏聚过程中可能存在的显著差异及其微观机理。通过W-Y和W-Sc体系中合金化元素添加结果的对比分析,阐述了强偏聚元素与界面稳定性之间的关联。进一步,结合晶界偏聚能、相界偏聚能、铜基固溶体形成能等计算,提出了W-Cu复合材料体系筛选溶质元素的基本判据,从原子尺度上为研究多相复合体系的合金化元素优选策略提供了普适性分析方法,同时为高性能W-Cu基复合材料的研发提供了新的设计思路。

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铝电解槽中局部阴极电流增大对电解质-铝液两相流场的影响
王富强, 刘伟, 王兆文
金属学报. 2020, 56 (7): 1047-1056.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00344
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采用数值模拟方法建立了三维非稳态电解质-铝液两相流500 kA全槽模型,并通过铝液流速和电解质/铝液的界面变形测试数据验证了模型的准确性。在此基础上模拟并定量评估了6种实际电解生产中存在的局部阴极电流增大60%对铝液流场和界面变形产生的影响程度。结果表明,局部阴极电流增大并不能改变全槽的铝液流场和界面变形的整体趋势,只是局部位置的铝液流速和界面变形幅度略有差异,其中A2A3阴极电流增大有利于抑制B侧中部的界面隆起,极距平均改善幅度为3.0%。分别通过增大电解槽两端部,中部和A、B两侧的部分阴极电流比例对比分析了两相流场变化规律。结果表明,适当增加电解槽两端部的阴极电流有利于抑制界面变形,尤其是A1~A4和A21~A34阴极电流增加28%可将界面隆起最大值降低2.4 mm,B7~B18的极距平均拉高9.5%。该研究为母线优化和改善电解槽磁流体稳定性提供了一条新思路。

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