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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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  2020年, 第56卷, 第3期 刊出日期:2020-03-11 上一期    下一期
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综述
脉冲电流调控金属熔体中的非金属夹杂物
张新房, 闫龙格
金属学报. 2020, 56 (3): 257-277.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00391
摘要   HTML   PDF (15896KB)

通常非金属夹杂物会降低钢铁材料的性能,例如降低横向力学性能、萌生裂纹、减低疲劳寿命和诱发腐蚀。减少夹杂物的数量和改变夹杂物的形态可以显著提升钢铁材料的性能。所以,钢中夹杂物的去除以及形态控制一直以来都是研究的热点。虽然通过底吹Ar气、电磁搅拌和过滤方法可以在一定程度上去除夹杂物,但是上述方法难以有效地去除尺寸小于20 μm的夹杂物,并且不能有效地控制夹杂物的形态。最近,电流成为一种夹杂物去除与形态控制的新方法。本文简要综述了夹杂物的危害及其控制手段,并且详细回顾了电流对金属熔体中夹杂物的去除、取向和形态演变的影响,并介绍了电流控制夹杂物的3种机理:电泳、电自由能驱动、电磁斥力。电泳理论认为熔体中的夹杂物带有电荷,夹杂物在电场力的作用下平行于电流方向迁移。电自由能驱动理论和电磁斥力理论认为夹杂物垂直于电流方向迁移。电流波形显著影响夹杂物的去除效果,与直流电、交流电相比,脉冲电流具有较强的夹杂物去除能力,尤其是脉冲电流能够有效分离钢液中尺寸为5 μm以上的夹杂物。此外,脉冲电流不仅可以控制夹杂物取向与形态,还可以对气泡的形态产生影响;脉冲电流作用下夹杂物趋于细化、球化并平行于电流排列。最后,对电流控制夹杂物的研究现状进行了总结,并分析了未来的研究趋势。同时,对脉冲电流在抑制浸入式水口堵塞中的应用进行分析与展望。由于脉冲电流能耗低、夹杂物去除效果好以及工艺装备简易的优点,有望成为未来去除夹杂物、抑制水口堵塞的新技术。

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研究论文
Si对铸造超高铬高碳双相钢组织及性能的影响
王桂芹,王琴,车宏龙,李亚军,雷明凯
金属学报. 2020, 56 (3): 278-290.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00259
摘要   HTML   PDF (26061KB)

针对0.46%Si (质量分数)和1.36%Si 2种40%超高铬1.5%高碳双相钢,采用OM、SEM、EPMA、XRD及化学分析等方法研究了2种钢的成分、铸态组织和凝固过程,以及固溶处理后钢的组织和相结构的变化。结果表明,2种钢铸态组织均由γ奥氏体、σ相和M23C6组成。Si含量为0.46%时,先析出树枝状δ铁素体,随后为(δ+M23C6)eutecticγperitectic,最后为(γ+M23C6)eutectic,其中δ铁素体在后续冷却过程中共析转变为(γ2+σ)eutectoid。Si含量为1.36%时,δ铁素体量增加导致σ相明显增加,包晶γ变为断续不规则形状,无(γ+M23C6)eutectic形成。固溶处理后,0.46%Si和1.36%Si 2种超高铬高碳双相钢均由铁素体、奥氏体和M23C6型碳化物三相组成,但Si含量的增加,明显提高了组织中铁素体的含量和连续性。实验结果还表明,Si使超高铬高碳钢的硬度、抗拉强度和断裂韧性有所增加,对耐蚀性影响不明显,但使耐磨性能略有下降。

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部分再结晶退火对无取向硅钢的磁性能与力学性能的影响
于雷,罗海文
金属学报. 2020, 56 (3): 291-300.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00314
摘要   HTML   PDF (20406KB)

通过显微组织表征和磁性能、力学性能检测等实验,研究了含Nb高强无取向硅钢在900 ℃以下退火时的组织、织构、力学性能与磁性能的变化。在700~850 ℃范围内,随着退火温度增加,冷轧板回复并逐步发生部分再结晶,同时α织构总体趋于增强而γ织构减弱;而在900 ℃退火时发生完全再结晶,α织构受到抑制而γ织构显著增强。随着退火温度升高,由于回复和再结晶程度不断增强,位错密度显著降低和析出相的固溶、粗化,导致强度下降和塑性增强,高频铁损也显著降低。磁感应强度由α织构强度决定,850 ℃退火时,冷轧组织大部分发生再结晶,α织构最强,可以获得力学性能和磁性能的最佳匹配,此时磁感应强度B50最高为1.572 T,高频铁损P1.0/400为33.26 W/kg,屈服强度约为600 MPa,该高屈服强度主要来自位错强化、析出强化和细晶强化等综合贡献。

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高温合金单晶铸件中条纹晶的形成机制
马德新,王富,徐维台,徐文梁,赵运兴
金属学报. 2020, 56 (3): 301-310.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00287
摘要   HTML   PDF (32837KB)

对高温合金单晶叶片铸件中条纹晶起源处的微观组织进行了观察分析,提出了这种晶粒缺陷的产生机理。通过微观检测确认了条纹晶的出现是由于铸件表面单个枝晶主干在糊状区内被撕断,但又被残余液体焊合,呈现出明显的起点。导致这种撕裂的主要原因是型壳粘连引起的枝晶收缩严重受阻或是由夹杂切割引起的枝晶强度严重受损,从而形成了条纹晶缺陷产生的2种主要机制。撕裂后的枝晶会发生一定程度的整体偏转,在基体组织上形成一个由小角度晶界封闭而成的狭长晶粒。比较了条纹晶与其它晶粒缺陷的相似和不同之处,并讨论了减少条纹晶缺陷应该采取的工艺措施。

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γ/ε双相Fe-19Mn合金在拉伸变形过程中的组织演变和加工硬化行为
王世宏,李健,葛昕,柴锋,罗小兵,杨才福,苏航
金属学报. 2020, 56 (3): 311-320.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00181
摘要   HTML   PDF (17956KB)

采用OM、EBSD、TEM、XRD和拉伸实验等方法,研究了γ-奥氏体/ε-马氏体双相Fe-19Mn-0.0017C (质量分数,%)合金在拉伸变形过程中的组织演变和加工硬化行为。结果表明,Fe-19Mn发生了变形诱导马氏体相变,并且随着变形量的增加,相变过程由以γε相变为主转变为以εα'相变为主。对比分析加工硬化率的变化与相含量的变化,表明εα'相变比γε相变具有更高的加工硬化能力。同时,在变形过程中,ε-马氏体不仅发生了位错滑移,还形成了{101?2}<1?011>ε孪晶,以满足ε-马氏体的变形协调。在γεεα'双重相变引起的相变诱导塑性(TRIP)效应、γ-奥氏体/ε-马氏体/α'-马氏体中的位错滑移,以及ε-马氏体的孪生变形等机制的共同作用下,Fe-19Mn的抗拉强度和总延伸率分别达到722 MPa和31%,显示出良好的强塑性匹配。

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NbFe22Cr5Al3Mo合金显微组织和耐腐蚀性能的影响
钱月,孙蓉蓉,张文怀,姚美意,张金龙,周邦新,仇云龙,杨健,成国光,董建新
金属学报. 2020, 56 (3): 321-332.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00276
摘要   HTML   PDF (30332KB)

采用静态高压釜腐蚀实验研究了添加不同含量的Nb (0.5%、1.0%、2.0%,质量分数) 对Fe22Cr5Al3Mo合金在500 ℃、10.3 MPa过热蒸汽中耐腐蚀性能的影响;采用EBSD、TEM、EDS、SEM等手段研究了合金的显微组织及腐蚀不同时间后的氧化膜显微组织。结果表明,添加Nb的合金中析出了Nb(C, N)、Fe2(Nb, Mo)和Cr2(Nb, Mo)第二相,细化了合金晶粒;当Nb≥1.0%时,随着Nb含量的增加,合金的耐腐蚀性能得到进一步改善。合金氧化膜从外向内依次是Fe、Cr、Al的氧化物;含1.0%Nb的合金不同氧化物的界面比不含Nb合金的更清晰,由不同成分氧化物引起的分层现象更明显;含1.0%Nb合金的氧化膜厚度比不含Nb合金的更均匀;在金属和氧化膜界面处,不含Nb合金中的Al氧化膜呈不连续分布,在基体和Cr氧化层中都发现了Al氧化物颗粒,说明不含Nb合金发生了Al的内氧化现象;而1.0%Nb合金中的Al氧化膜呈连续均匀分布,说明添加Nb能够抑制Al的内氧化,促进均匀且致密的Al氧化膜的形成,从而降低合金的氧化速率。

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CoCrFeNiMo0.2高熵合金的不完全再结晶组织与力学性能
曹育菡,王理林,吴庆峰,何峰,张忠明,王志军
金属学报. 2020, 56 (3): 333-339.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00274
摘要   HTML   PDF (16723KB)

通过深冷轧制再结晶处理,在CoCrFeNiMo0.2高熵合金中实现了典型的不完全再结晶组织,并研究了其对力学性能的影响。对比研究了室温和深冷轧制及热处理后的不完全再结晶组织。结果表明,CoCrFeNiMo0.2高熵合金室温轧制35% (RTR35%)和深冷轧制35% (CTR35%)试样经800 ℃、30 min退火处理,均产生了由未再结晶的大晶粒和再结晶细小晶粒组成的不完全再结晶组织。深冷轧制能提高合金的再结晶速率,退火后产生的再结晶细小晶粒体积分数更高,更有利于提高合金的加工硬化能力。因此,CTR35%退火试样的屈服强度为539.3 MPa,延伸率为46.8%,与RTR35%退火试样相比,其屈服强度相似,但延伸率提高了30%。

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定向凝固Mg-xGd-0.5Y合金的微观组织及拉伸变形行为
孙衡,林小娉,周兵,赵圣诗,唐琴,董允
金属学报. 2020, 56 (3): 340-350.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00229
摘要   HTML   PDF (33665KB)

研究了Gd含量(3.0%、4.5%、6.0%,质量分数)对定向凝固Mg-xGd-0.5Y合金微观组织及室温力学性能的影响,并利用EBSD技术分析其室温拉伸形变行为。结果表明,在抽拉速率为3 mm/min条件下,Mg-xGd-0.5Y合金获得了纵向晶界与热流方向平行、主要沿(112?0)晶面的法线方向择优生长的柱状晶组织,且柱状晶的横截面呈“三角形”或“十”字形花瓣状,二次分枝由3.0%Gd的3个分枝逐渐变为6.0%Gd的4个分枝。室温下,柱状晶晶体生长取向多集中在<224?3>的Mg-6.0Gd-0.5Y合金具有较高的抗拉强度(107 MPa)和断后延伸率(32.56%),其形变机制以基面<a>滑移和{101?2}拉伸孪生为主。晶体生长取向较为分散(集中在<1?21?0>和<224?3> 2个取向)的Mg-3.0Gd-0.5Y合金形变时,因晶粒取向不同导致孪生机制不同,既有以{101?2}拉伸孪生协调应变的晶粒,也有以{101?1}压缩孪生协调应变的晶粒,各柱状晶协同变形能力较差,故其室温塑性较低,断后延伸率仅有14.88%。

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新型多层金属复合材料的制备与性能
张乐,王威,M. Babar Shahzad,单以银,杨柯
金属学报. 2020, 56 (3): 351-360.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00245
摘要   HTML   PDF (18672KB)

以超高强度马氏体时效钢和316L奥氏体不锈钢作为材料组元,研究了在高真空度下热压变形量对异质多层金属复合材料界面结合强度和界面特征的影响,探索了异质多层金属复合材料制备的可行性。结果表明,在真空热压过程中,不同变形量下复合材料的界面均十分清晰并保持平直,且发生了轻微的元素扩散。由于高温下各材料组元的流变性能存在差异,316L奥氏体不锈钢层发生明显的动态回复与动态再结晶,而马氏体时效钢层以变形态组织为主。将轧制和热处理工艺组合,制备出9层和11层块体金属复合材料。三点弯曲实验结果表明,裂纹最先萌生于受拉应力的最外侧,之后由于多层金属复合材料中异质界面的钝化、分层、桥接等作用,延长了裂纹的扩展路径并消耗了更多的能量,展现出极佳的阻碍裂纹扩展的能力。

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考虑塑性变形和相变耦合效应的NiTiNb记忆合金管接头装配性能模拟
陈翔,陈伟,赵洋,禄盛,金晓清,彭向和
金属学报. 2020, 56 (3): 361-373.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00197
摘要   HTML   PDF (6436KB)

基于考虑塑性变形和相变耦合效应的记忆合金(SMA)本构模型,对NiTiNb SMA管接头从扩径预处理到装配服役的全过程以及拉拔过程进行数值模拟。计算结果表明,由于相变和塑性变形的耦合作用,装配过程管接头内的von Mises应力、等效相变应变和等效塑性变形演化存在明显的规律。在一定尺寸范围内,随着扩径量的增加,拉拔力降低;不同壁厚尺寸配比的9种方案中,拉拔力随壁厚非线性变化,存在最优连接性能的方案;在室温变化范围内(0~40 ℃),服役环境温度对管接头连接系统的性能影响较小。随着临界相变应变的增加,管接头内的von Mises应力集中层由内侧向外侧移动,拉拔力在临界相变应变0.07~0.14的范围内逐渐增加。研究结果表明,接触时端部von Mises应力集中会显著增加系统的拉拔力。

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钛合金薄壁件选区激光熔化应力演变的数值模拟
柯林达,殷杰,朱海红,彭刚勇,孙京丽,陈昌棚,王国庆,李中权,曾晓雁
金属学报. 2020, 56 (3): 374-384.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00198
摘要   HTML   PDF (9051KB)

建立了选区激光熔化(SLM)热-结构耦合瞬时动态有限元模型,探究了激光扫描速率和铺粉层厚度对SLM成形钛合金薄壁件应力演变的影响。结果表明,在热循环作用下,SLM成形钛合金薄壁件的应力演变呈周期性变化。在热应力循环去应力退火作用下,热应力极大值在加热阶段先增加后减小,最后在冷却阶段趋于稳定并接近残余应力。SLM成形薄壁件最终残余应力小于加热过程中的瞬时应力峰值。随沉积高度的增加,热循环作用减弱,应力极大值下降幅度逐渐减小。经过多次热循环去应力退火作用后,SLM成形薄壁件过程中的热应力极大值下降幅度可达30%以上。

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