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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9期 刊出日期:2020-09-11 上一期    下一期
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K4169合金循环加载过程中的微观组织演变
吴贇, 刘雅辉, 康茂东, 高海燕, 王俊, 孙宝德
金属学报. 2020, 56 (9): 1185-1194.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00026
摘要   HTML   PDF (4614KB)

通过熔模精密铸造、循环加载和微观组织表征等方法研究了K4169合金循环加载过程中的微观组织演变特征,重点分析了不同循环周次后Laves相和δ-Ni3Nb相的变形和断裂特征。结果表明,在室温380 MPa应力幅值循环加载实验中,循环寿命主要取决于显微疏松体积分数,裂纹优先萌生于试样表面的显微疏松位置。Laves相的断裂不受循环周次的影响,在循环加载初期,显微疏松附近的长带状Laves脆性相容易开裂,其内部还产生平行排列的二次裂纹,成为裂纹扩展的敏感区域。δ-Ni3Nb层片呈现2种变形和断裂特征:沿长度方向的开裂;层片表面滑移和断裂。循环加载初期,显微疏松附近的δ-Ni3Nb层片容易产生沿长度方向的开裂,而随着循环周次的增加,远离显微疏松的δ-Ni3Nb层片表面滑移迹线逐渐增多直至滑移断裂。γ-Ni基体在循环加载过程中产生孪生变形特征,导致应变局部化程度加剧,进而使Laves相和δ-Ni3Nb层片周围产生应力集中。

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热等静压对铸态及固溶态第二代镍基单晶高温合金显微缺陷及持久性能的影响
和思亮, 赵云松, 鲁凡, 张剑, 李龙飞, 冯强
金属学报. 2020, 56 (9): 1195-1205.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00020
摘要   HTML   PDF (3597KB)

以初始组织分别为铸态组织和固溶态组织的第二代镍基单晶高温合金为研究对象,通过进行1300 ℃、30 MPa、2 h+1300 ℃、100 MPa、3 h两阶段的热等静压处理,对比热等静压前后显微缺陷及微观组织的变化,并在980 ℃、250 MPa条件下进行高温持久性能实验,明确了热等静压处理对不同初始组织状态下镍基单晶合金组织状态及持久性能改善的影响机制。结果表明:固溶处理显著促进Re、W、Al、Ta等合金元素的扩散,降低铸态组织共晶面积分数但显著提高显微孔洞平均面积分数及平均尺寸。热等静压处理可以显著降低显微孔洞平均面积分数及平均尺寸且对固溶态组织的作用更为显著,但热等静压对共晶组织的消除作用不如固溶处理明显。固溶态组织经热等静压处理后,显微孔洞面积分数降低至0.005%;共晶组织基本消除;Re、W、Al、Ta等元素枝晶偏析程度显著缓解;其980 ℃、250 MPa高温持久寿命相比未经热等静压处理的标准热处理态合金提高了40%左右。对固溶态组织进行热等静压处理的工序安排有利于提高显微孔洞闭合作用,促进成分均匀化并显著提高合金高温持久寿命。

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应用稀土氧化物冶金技术改善高强钢焊接性能
陆斌, 陈芙蓉, 智建国, 耿如明
金属学报. 2020, 56 (9): 1206-1216.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00052
摘要   HTML   PDF (4358KB)

在高强钢中加入5×10-6和23×10-6稀土Ce,研究了Ce对焊接热影响区冲击韧性、微观组织、原奥氏体晶粒以及焊接接头断口形貌的影响与机理。钢中含Ce量为5×10-6时,能在镁铝夹杂物外围生成少量CeAlO3夹杂物,但不能完全改性镁铝夹杂物,当Ce添加量达到23×10-6后,Ce能够完全改性MgO-Al2O3尖晶石,生成(CeCa)S+MgO-Al2O3+MnS稀土夹杂物。对含有Ce的高强钢板进行模拟焊接,结果表明,在4组不同焊接热输入条件下,钢中加入23×10-6Ce后,比钢中加入5×10-6Ce的钢焊接热影响区的Charpy冲击功有所提高。微观组织分析发现,23×10-6Ce含量的高强钢试样焊接热影响区断口形貌呈现韧窝状,韧性更好;当热输入从25 kJ/cm逐步提高到100 kJ/cm时,含5×10-6Ce的高强钢热影响区原奥氏体晶粒平均尺寸增加了75.6%;含23×10-6Ce的高强钢的原奥氏体晶粒平均尺寸增加了52.4%,即钢中Ce含量的增加抑制了焊接热影响区原奥氏体晶粒的长大。通过微观组织分析对比,说明稀土Ce在高强钢中起到了延迟焊接热影响区上贝氏体组织形成的作用,同时抑制焊接过程中原奥氏体晶粒的长大。利用高温共聚焦显微镜观察到了稀土夹杂物钉扎于原奥氏体晶界,抑制焊接过程中晶粒的长大,验证了稀土Ce对高强钢焊接热影响区性能改善的机理。本工作表明应用稀土氧化物冶金可以改善稀土高强钢的焊接性能。

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固溶温度对Fe-19Mn合金的γε相变和阻尼性能的影响
王世宏, 李健, 柴锋, 罗小兵, 杨才福, 苏航
金属学报. 2020, 56 (9): 1217-1226.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00005
摘要   HTML   PDF (3920KB)

采用动态机械分析仪(DMA)对Fe-19Mn合金经950~1100 ℃固溶处理后的的阻尼性能进行了测试,利用OM和TEM观察了显微组织的演变,利用XRD进行了物相分析和不同类型层错几率的计算。结果表明:经固溶处理的Fe-19Mn合金的阻尼性能随振幅的增加呈近似线性增加,且振幅小于临界振幅A' (A'≈30 μm)时的阻尼性能变化符合G-L位错模型,振幅高于A'时的阻尼性能变化与微塑性变形有关。随着固溶温度的升高,Fe-19Mn合金的阻尼性能降低,其中经950 ℃固溶处理后的阻尼性能最好。在不同的振幅范围内,其阻尼性能呈现不同的变化特征:当振幅小于等于170 μm时,阻尼性能呈指数形式降低,并且与ε-马氏体中的形变层错几率的变化趋势相似,此时Fe-19Mn合金的阻尼性能主要受ε-马氏体中的形变层错边界的影响;当振幅大于170 μm时,阻尼性能呈线性降低,并且与γ/ε相界面相对长度的变化趋势相似,此时Fe-19Mn合金的阻尼性能随固溶温度的变化主要受γ/ε相界面的影响。由γ-奥氏体中的层错观察可知,γ-奥氏体中的层错边界对Fe-19Mn合金的阻尼性能随振幅的变化无明显贡献。

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海洋平台用Ni-Cr-Mo-B超厚钢板的截面效应
张守清, 胡小锋, 杜瑜宾, 姜海昌, 庞辉勇, 戎利建
金属学报. 2020, 56 (9): 1227-1238.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00007
摘要   HTML   PDF (6696KB)

采用OM、SEM、TEM、EBSD、拉伸和冲击等分析和检测技术,研究了工业生产的117 mm厚Ni-Cr-Mo-B超厚钢板在厚度方向上微观组织的变化及其对力学性能的影响。结果表明,从表层到芯部,超厚板的屈服强度逐渐降低,表层和芯部的屈服强度分别为798和718 MPa;延伸率变化不大,为20.0%~22.0%;然而超厚板的-60 ℃冲击功变化较大,其中表层、1/8T (T代表板厚)和芯部的冲击功分别为35、160和20 J,使得整个厚度方向上的冲击功变化曲线呈现“M”型。从表层到芯部,超厚板的板条宽度(198.7~500.6 nm)、界面碳化物尺寸(130.6~226.6 nm)和晶内碳化物尺寸(45.8~106.2 nm)均逐渐增加,芯部还存在一定的块状区,板条的细晶强化和碳化物的析出强化效果均减小,使得屈服强度从表层到芯部逐渐降低。从表层到芯部,有效晶粒尺寸先减小后增加,表层(2.2 μm)和芯部(2.7 μm)的有效晶粒尺寸较大,对解理裂纹扩展的阻碍作用较弱,使得表层和芯部的冲击功较低;而1/8T位置具有较小的有效晶粒尺寸(1.7 μm),对解理裂纹的阻碍作用较强,从而获得较高的冲击功。

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电磁搅拌对TiB2颗粒增强钢组织和力学性能的影响
张林, 郭晓, 高建文, 邓安元, 王恩刚
金属学报. 2020, 56 (9): 1239-1246.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00019
摘要   HTML   PDF (2815KB)

在立式线型电磁搅拌器的作用下凝固制备TiB2颗粒增强钢,研究了电磁搅拌对组织中的颗粒形态和尺寸分布,以及对材料的Vickers硬度分布和拉伸力学性能的影响。结果表明,电磁搅拌有效地细化了颗粒增强钢中的初生TiB2颗粒尺寸,颗粒平均尺寸随励磁电流的上升而逐步减小。较高的励磁电流下颗粒的分布更均匀弥散,且去除了颗粒周围的裂缝缺陷。电磁搅拌降低了TiB2颗粒增强钢的宏观偏析,减小了铸锭中不同高度组织的硬度差。较大的励磁电流有助于提高材料的平均硬度,在350 A励磁电流下硬度达到275 HV。电磁搅拌可提高TiB2颗粒增强钢的抗拉强度和断裂应变,励磁电流为350 A时,抗拉强度达到520.2 MPa,断裂应变约为8.5%。颗粒细化的主要原因是受到电磁搅拌下的熔体流动冲击和电磁力的作用。理论分析了颗粒所受电磁力的影响因素,电磁力随磁场强度升高而增大,随熔体温度的上升而减小,随颗粒尺寸的增加而增大。

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碳钢和耐候钢在南沙海洋大气环境中的初期腐蚀行为
刘雨薇, 赵洪涛, 王振尧
金属学报. 2020, 56 (9): 1247-1254.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00013
摘要   HTML   PDF (2389KB)

采用腐蚀失重法、宏观形貌观察法、SEM、XRD、白光干涉及拉伸实验等分析手段对碳钢Q235和耐候钢Q450NQR1在南沙大气环境下的初期腐蚀行为进行了研究。结果表明,Q235和Q450NQR1在南沙大气环境中的初期腐蚀比万宁及西沙等海洋大气环境中的腐蚀严重,2种钢的朝天面都比朝地面腐蚀严重,朝地面的锈层更容易脱落。暴晒2个月时,Q235和Q450NQR1的腐蚀失厚相近。暴晒5个月时,Q235的腐蚀失厚明显高于Q450NQR1的腐蚀失厚。2种钢在暴晒2个月时,朝天面和朝地面的腐蚀产物都主要为γ-FeOOH、α-FeOOH和Fe3O4;而暴晒5个月时,朝天面产物中出现了β-FeOOH,而朝地面β-FeOOH极少。朝天面的产物中Fe3O4相对含量少于朝地面,γ-FeOOH的相对含量多于朝地面。

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非等温时效对7B50铝合金组织及性能的影响
李吉臣, 冯迪, 夏卫生, 林高用, 张新明, 任敏文
金属学报. 2020, 56 (9): 1255-1264.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00004
摘要   HTML   PDF (4533KB)

采用硬度测试、电导率测试、室温拉伸、TEM观察、DSC分析以及剥落腐蚀实验,研究了非等温时效对7B50铝合金热轧厚板的微观组织及耐蚀性能的影响。结果表明:经过480 ℃、1 h固溶后室温水淬火,再经1 ℃/min的加热速率升温至215 ℃后立即炉冷至室温的非等温时效,7B50铝合金的晶内析出相细小弥散,晶界相粗大断续。合金抗拉强度可达605 MPa,剥落腐蚀等级可达EB,综合性能优于单级等温峰时效(T6)和双级等温过时效(T76),与回归再时效(RRA)态性能类似。非等温时效技术实现了短流程操作,且取消等温保温的措施更适用于厚板的时效热处理。

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激光工艺参数对TiC增强钴基合金激光熔覆层组织及性能的影响
童文辉, 张新元, 李为轩, 刘玉坤, 李岩, 国旭明
金属学报. 2020, 56 (9): 1265-1274.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00438
摘要   HTML   PDF (4001KB)

采用6 kW CO2激光制备了含10%的TiC-钴基合金熔覆层,通过OM、SEM、EDS、XRD及显微硬度计,研究激光工艺参数对熔覆层显微组织、成分、物相及硬度变化的影响规律。结果表明,熔覆层主要由γ-Co、TiC/(Ti, W)C1-x、Cr-Ni-Fe-C和少量的 Cr7C3相组成,从基体表面到熔覆层表层,组织由细树枝晶→等轴枝晶→细树枝晶,TiC弥散分布于二次枝晶臂根部、顶端或一次枝晶臂上。随激光功率降低或扫描速率增加,熔覆层枝晶含量增加,枝晶间距呈现增大趋势,TiC含量显著增加,尺寸变小,分布更均匀,而TiC形貌从边缘平滑的近圆形向不规则多边形转变,TiC溶解再析出会抑制一次枝晶或二次枝晶生长。实验范围内,随激光功率降低或扫描速率增加,熔覆层表层硬度增加,最高硬度为1246.6 HV0.2,相对基体提升接近5倍。

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SiCf/Ti65复合材料界面反应与基体相变机理
王超, 张旭, 王玉敏, 杨青, 杨丽娜, 张国兴, 吴颖, 孔旭, 杨锐
金属学报. 2020, 56 (9): 1275-1285.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00027
摘要   HTML   PDF (3055KB)

采用磁控溅射先驱丝法并结合热等静压技术制备了SiCf/Ti65复合材料,对其在650、750、800和900 ℃进行了长时间热暴露实验。结果表明,热等静压和热暴露过程中,SiCf/Ti65复合材料内部各元素同时参与界面互扩散和基体相变扩散。热等静压后,SiCf/Ti65复合材料界面反应层产物主要为TiC,基体中相变产物为等轴的(Zr, Nb)5Si4。热暴露过程中,界面反应逐渐生成了Ti5Si3和(Zr, Nb)5Si4,基体相变则有了Ti3(Al, Sn)C和TiC生成。SiCf /Ti65复合材料反应层长大激活能为93 kJ/mol,该材料界面可以在650 ℃及以下温度长时间保持稳定。

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体心立方Fe中微裂纹与间隙型位错环相互作用的分子动力学模拟
梁晋洁, 高宁, 李玉红
金属学报. 2020, 56 (9): 1286-1294.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00021
摘要   HTML   PDF (1244KB)

采用分子动力学方法,在原子尺度详细研究了bcc结构Fe中间隙型位错环与微裂纹之间的相互作用过程。模拟结果表明,二者之间的相对距离、裂纹开裂斜率、位错环尺寸以及是否存在自由表面,都对二者的相互作用过程及最终形成的微观结构具有重要的影响。在不同条件下,辐照形成的间隙型位错环与微裂纹的相互作用会形成复杂的辐照缺陷结构、位错环被微裂纹吸收,或者造成裂纹尖端凹凸不平,这些均会对微裂纹的开裂及扩展产生影响,研究结果为理解辐照过程提供一种可能的解释。

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UO2烧结过程的相场模拟
孙正阳, 杨超, 柳文波
金属学报. 2020, 56 (9): 1295-1303.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00440
摘要   HTML   PDF (1638KB)

利用相场模型对UO2陶瓷粉末的烧结过程进行了模拟。在修正的相场模型中,不仅考虑了表面扩散、晶界扩散和晶格扩散3种各向异性的扩散机制对烧结组织形貌和烧结动力学的影响,而且考虑了不同陶瓷颗粒之间的界面能对烧结形貌的影响。基于实验条件和热力学物性参数,对UO2陶瓷粉末在2000 K的烧结过程进行了模拟。模拟结果显示:初始形貌为圆形的陶瓷粉末有利于烧结过程的进行;烧结过程中存在大晶粒吞噬小晶粒的现象;晶界扩散机制是UO2烧结过程中的主导机制;晶界能的改变导致晶界与相界之间的平衡二面角发生改变。在此基础上,模拟了多晶UO2陶瓷粉末的烧结过程,模拟结果与实验结果吻合较好。

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无序β-Ti1-xNbx合金自由能及弹性性质的第一性原理计算:特殊准无序结构和相干势近似的比较
张海军, 邱实, 孙志梅, 胡青苗, 杨锐
金属学报. 2020, 56 (9): 1304-1312.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00015
摘要   HTML   PDF (2028KB)

采用第一性原理方法(VASP及EMTO)结合特殊准无序结构(SQS)和相干势近似(CPA)的方法,对比研究了bcc结构β-Ti1-xNbx无序合金的晶格参数、自由能及弹性常数随成分x的变化。结果表明,VASP-SQS及EMTO-CPA计算得到的晶格参数符合良好,均随Nb含量增加而增加,局域晶格弛豫对晶格参数的影响可以忽略;EMTO-CPA自由能计算预测β-Ti1-xNbx中存在相分解,但VASP-SQS计算因依赖于具体SQS结构,难以合理地描述合金的相分解。EMTO-CPA及无弛豫VASP-SQS计算得到的弹性常数C11C12随Nb含量增加而增大,C44减小,但EMTO-CPA高估了合金的弹性稳定性;低Nb含量时,由于β-Ti1-xNbx的bcc结构不稳定,导致VASP-SQS计算得到的局域晶格畸变显著增加,使得考虑原子弛豫的VASP-SQS计算得到的自由能及弹性常数随Nb含量的变化偏离正常趋势。

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