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2022年  第37卷  第6期

综述
材料前沿测试表征技术及其在船舶材料领域的应用展望
刘晓勇, 陈洁明, 房坤, 刘攀, 徐魁龙, 罗先甫, 陈沛, 杜卓同, 高琛, 查小琴, 张欣耀
2022, 37(6): 1-11,101.
摘要:
材料测试表征技术是了解材料宏观和微观特征、剖析材料科学问题、进行材料应用评价的基础,测试表征技术的发展极大地加速了材料科学重大发现和重要理论创新的进程,密切跟踪测试表征技术前沿动态并尝试在科研生产中加以运用是材料研究的主要创新途径。通过了解材料基础研究和工程应用所关注的关键性能特征(如力学性能、化学成分、微观特征、疲劳性能、腐蚀性能等)的测试表征技术的发展现状,并分析前沿测试表征技术在船舶材料中的应用前景,为船舶领域的材料研制和工程应用研究提供参考。
一次镁空气电池阳极材料研究进展
冯壮壮, 梅迪, 朱世杰, 王利国
2022, 37(6): 12-21.
摘要:
金属空气电池是一种安全高效无污染的新型电池,其广泛的应用前景得到了全球研究者的关注。镁空气电池是金属空气电池的代表之一,也是继锂电池之后电池发展的新方向,然而现有的镁空气电池利用率远未达到期望,而且电压不够稳定,所以提升其利用率及稳定性对于充分发挥镁空气电池的潜力至关重要。本研究从一次镁空气电池的结构出发,全面介绍了镁空气电池系统的相关概念,从阳极开发的角度全面介绍了镁空气电池最新的相关研究进展。同时基于近年来发表的结果,讨论了阳极开发所需要关注的因素,总结了一次镁空气电池阳极材料的设计方法,展望了未来镁空气电池的研究方向。
力学性能
ASTM E 837标准20版与08版和13版的主要差异对比
李荣锋, 饶德林, 李淦, 余立, 吴凯, 张书彦
2022, 37(6): 22-26,101.
摘要:
通过对ASTM E 837-08、ASTM E 837-13和ASTM E 837-20版标准进行对比分析发现:根据工件厚度等因素的不同,ASTM E 837-20对残余应力测量方法的描述最全,补全了08版和13版缺乏的中等厚度工件的测量方法。同时 20版通过采用几种常用的钻孔直径、钻孔深度和工件厚度的规制化设计方案,引入孔径系数、应力深度系数和工件厚度系数,新增孔径系数计算公式、应力深度系数和工件厚度系数等计算公式等来简化计算实际孔径、实际应力深度和实际工件厚度条件下的应力释放标定常数,删减了大量繁琐的查表工作,方便了标准使用者的理解与操作。另外20版对工件厚度、钻孔钻速下限、钻孔偏心距离和测量结果适用范围的规定,与08版和13版相比,也有差异,总体是放松了要求,扩大了该标准的使用范围。总体而言,ASTM E 837-20标准的适用性和可操作性大大提高,逻辑性更加清晰。
单轴拉伸局部屈服状态下的应力方程理论推导与分析
李东铭, 李荣锋, 汪静, 王卫东, 李淦, 张强升, 张书彦
2022, 37(6): 27-31.
摘要:
为了进一步研究屈服状态对小孔周围应力的影响,无限大平板在单轴拉伸下,小圆孔垂直方向上产生局部Tresca条件屈服状态下,对屈服圈外的应力方程进行理论推导,并就残余应力小孔应变法测量标准GB/T 31310—2014所推荐应变花尺寸的适用性进行了讨论分析。计算结果表明,GB/T 31310—2014推荐的应变花适用于残余应力水平低于0.971倍屈服强度的残余应力场测试。
铝-铝-钢与铝-钛-钢复合板疲劳性能对比研究
柴希阳, 穆晓彪, 罗小兵, 柴锋, 徐魁龙
2022, 37(6): 32-38.
摘要:
针对船体结构对铝-钢复合板的选材与节点设计需求,对铝-铝-钢与铝-钛-钢复合板开展了轴向拉-压疲劳试验,测试了材料的条件疲劳强度与S-N曲线,对比分析了两种铝-钢复合板的疲劳断裂行为与断裂位置。结果表明,在应力比为-1,轴向拉-压载荷条件下,铝-铝-钢复合板的条件疲劳强度为28.8 MPa,铝-钛-钢复合板的条件疲劳强度为55.0 MPa。在疲劳寿命接近的条件下,后者比前者能够承受更大的应力,抵抗疲劳扩展能力更强。铝-铝-钢复合板疲劳断裂主要发生于1060纯铝层,铝-钛-钢复合板疲劳断裂发生于3003铝合金层,疲劳断裂位置与铝-钢接头组成材料的抗拉强度大小密切相关。
基于连续球压痕法的45钢强度与韧性测试研究
窦磊, 翟建明, 王晶, 孙永辉, 商学欣
2022, 37(6): 39-46.
摘要:
为研究在役设备的材料强度与韧性测试评价问题,针对工程中常用材料45钢,采用连续球压痕方法,获取了材料的屈服强度、抗拉强度与断裂韧性,通过与常规力学性能试验结果比较,对该方法的可靠性进行了验证。通过研究球压头下压产生的塑性功,与冲击启裂能及断裂韧性之间的关联关系,建立基于仪器化球压痕测试技术的冲击韧性估算评估方法。试验结果表明,利用连续球压痕方法获取的屈服强度、抗拉强度与实际结果的偏差均小于10%,断裂韧性值与试验结果的偏差为12.3%,计算结果在试验值偏差数据范围内。利用连续球压痕技术,建立的断裂韧性与冲击韧性之间的关联公式,所预测的冲击韧性结果与仪器化冲击试验值具有较好的一致性,为在役设备材料的韧性快速评价提供了有效的测试方法。
组织-性能关系
Al-Mg合金电子束填丝焊接头的显微组织与力学性能
王永鹏, 王少刚, 江恒, 徐俊珂
2022, 37(6): 47-54.
摘要:
采用ER5183焊丝作为填充材料,对厚度为2 mm的Al-Mg合金进行真空电子束填丝焊接,并对焊接接头的微观组织及力学性能进行分析测试。结果表明,在合适的焊接工艺条件下,获得的Al-Mg合金接头焊缝成形良好。微观分析显示,接头熔合区为柱状晶和等轴状枝晶组织,主要由α(Al)基体相和β(Al3Mg2)强化相组成,焊缝中存在大量的缠结位错和第二相粒子。力学性能测试表明,与母材区的硬度相比,接头熔合区的硬度有所降低。在最佳工艺条件下获得接头的抗拉强度为311.2 MPa,达母材抗拉强度的96.9%。接头拉伸断口表面分布的韧窝数量较多,呈明显的韧性断裂特征。
激光冲击强化对300M钢微观组织和力学性能的影响
马云飞, 王迎辉, 熊毅, 栾泽伟, 舒康豪, 吕威
2022, 37(6): 55-62.
摘要:
采用激光冲击强化(LSP)技术在300M钢表层制备梯度纳米结构,并借助三维表面形貌仪、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪及拉伸试验机对300M钢不同脉冲能量LSP处理后的微观组织演变和力学性能变化进行表征。结果表明,300M钢经LSP处理后表层形成梯度纳米结构,随着脉冲能量的增加,表层晶粒尺寸从15 nm(3J)细化至10 nm(7J)左右,晶粒出现非晶化;同时,次表层组织中形成了大量位错缠结及形变孪晶等亚结构缺陷,且随着脉冲能量的增加位错密度急剧增高,同时形变孪晶数量也随之增多。LSP后300M钢表层纳米压痕硬度得到显著提高,且随着脉冲能量的增加而增加;强度和塑性得到一定程度的改善,断口形貌由典型的韧性断裂转变为韧-脆混合型断裂。
超音速微粒轰击诱导表面纳米化对TC11钛合金组织和力学性能的影响
武永丽, 王迎辉, 熊毅, 张鑫, 杨苗苗
2022, 37(6): 63-70.
摘要:
采用超音速微粒轰击(SFPB)表面纳米化技术,在TC11钛合金表层构筑了一定层深的梯度纳米结构,研究了SFPB气体压力对TC11钛合金微观组织和力学性能的影响。结果表明,在低气体压力(0.5 MPa)下,形成了25 μm厚的严重塑性变形层,表层晶粒细化至纳米量级(17.7 nm)。随着气体压力的增大,表层纳米晶尺寸降低,严重塑性变形(SPD)层增大,在高气体压力(1.5 MPa)下,表层纳米晶尺寸和严重塑性变形层深度分别为9.4 nm和51 μm。随着SFPB气体压力的增大,表层显微硬度及硬化层深度逐渐增加,屈服强度、抗拉强度显著增加,而伸长率变化不大,断口形貌从典型的韧性断裂向韧-脆性混合断裂转变。
不同压缩比2205双相不锈钢轧制复合板组织及性能对比研究
王迎辉, 孙绪鲁, 查小琴
2022, 37(6): 71-75,101.
摘要:
研究了不同压缩比2205双相不锈钢轧制复合板界面和复层的组织和性能。结果表明,压缩比为4和6的复合板复层均由奥氏体和铁素体组成,奥氏体和铁素体相界呈锯齿状;基层和复层界面处碳钢侧为单一铁素体,不锈钢侧可见一条不连续黑色条带;相比压缩比为4的复合板,压缩比为6的复合板复层铁素体含量更高,奥氏体γ相尺寸更小更长,耐腐蚀性更好,但强度无明显差异;基层和复层界面更平整,结合力更低。
Ta掺杂对γ-TiAl基合金块状组织和力学性能的影响
张可人, 张乐乐, 潘恒沛, 陈洁明, 赵惠
2022, 37(6): 76-82.
摘要:
研究了Ti-48Al-2Nb-2Cr-xTa(x=0,1.0,2.0)(原子分数,%)合金α单相区淬火,块状组织(γm相)的演变规律,采用EBSD(电子背散射衍射)技术对晶粒取向进行表征。结果表明,在快速冷却条件下,微量Ta元素的添加能够促进γm相的析出,促进(体积分数大于50%)或者抑制(体积分数小于50%)γm相析出的Ta元素临界含量为2 %(原子分数)。Ta元素能够细化γm相亚颗粒,同时,不同种类γm变体可直接在α2晶粒内以BOR形核,在生长过程中发生了沿着{111}γ密排面的变体选择,使得第二代γm变体偏离BOR。
腐蚀性能
低温高锰钢的局部腐蚀行为研究
罗先甫, 张文利, 陈飞, 孙超, 张恒坤, 蔡佳兴, 查小琴, 刘晓勇
2022, 37(6): 83-91.
摘要:
采用间浸腐蚀试验、极化曲线测试、扫描观察(SEM)和透射电镜观察(TEM)等方法研究了在3.5%NaCl溶液中添加氧化剂以及敏化处理对低温高锰钢局部腐蚀性能的影响。结果表明:经间浸腐蚀试验后,各试样均主要发生全面非均匀腐蚀,局部可见点腐蚀特征。试样在3.5%NaCl溶液中腐蚀产生的锈层疏松,在3.5%NaCl+0.25%Na2S2O8溶液中腐蚀,试验初期自腐蚀电流密度提高两个数量级,在较短时间内产生致密的锈层,阻止了试验后期腐蚀向内层的快速扩展,试样平均腐蚀速率降低,点腐蚀深度减小。800 ℃×5 h敏化处理后,高锰钢的组织结构没有发生改变,晶界析出了断续分布的碳化物,其抗腐蚀性能与原始态相当,极化曲线印证了这一结果。
Q345R钢焊缝区大气腐蚀行为研究
都俐俐, 张红兵, 许守武, 张凯丽, 邱萍
2022, 37(6): 92-101.
摘要:
研究了储罐钢Q345R钢焊缝区的大气腐蚀特征,并通过极化曲线和交流阻抗技术对比分析了热影响区、焊缝和母材的腐蚀行为,结合扫描电子显微镜、激光拉曼光谱仪对样品表面腐蚀微观结构和组成进行表征。研究结果揭示:母材的腐蚀敏感性最大,焊缝区较热影响区相比更耐蚀。腐蚀倾向与显微组织存在一定关系,焊缝区的显微组织为粒状贝氏体与针状铁素体,因该区域组织细化明显降低该区域的腐蚀敏感性,同时因焊接工艺使焊缝处几乎成为无孔区,母材处存在的微孔隙会导致母材具有更高的腐蚀速率。
石墨烯无溶剂纳米流体的制备及其在防腐导热涂料中的应用
杜群报, 王小玲, 盛军德
2022, 37(6): 102-107.
摘要:
通过在氧化石墨烯(GO)表面沉积Fe3O4纳米粒子制备得到GO@Fe3O4复合纳米粒子,再进一步通过表面接枝KH560-M2070,成功制备出石墨烯无溶剂纳米流体,从而改善石墨烯类材料在环氧树脂基体中的分散性和相容性。采用TEM、XRD分析方法对制备的石墨烯无溶剂纳米流体进行表征,同时对石墨烯流体/环氧树脂涂层的耐水、耐酸碱和导热性能进行了探究。
成分分析
氨气配位-电感耦合等离子体串联质谱法在镍基高温合金痕量元素检测中的应用
王亚宁, 高颂, 杨春晟
2022, 37(6): 108-113.
摘要:
基于NH3配位的价键理论,建立电感耦合等离子体串联质谱法应用于镍基高温合金多种痕量元素的检测。以Zn元素为例,选择NH3作为反应气,Zn与NH3发生配位反应,仅产物离子Zn(NH3)x被检测,进而达到消除多原子离子干扰的目的。经确定离子产物、优化气流速和抑制参数,痕量Zn的检出限低至0.13 μg/g,相对标准偏差为4.2%~5.1%,加标回收率为93.0%~103%。该方法具有检出限低、灵敏度高、准确度高的优点,有望扩展应用于镍基高温合金中Ag、Cu、V、Fe等多种痕量元素的测定。
室内与实海环境中防污漆铜离子渗出率测试结果相关性对比分析
龚慧, 徐初琪, 姚敬华
2022, 37(6): 114-118.
摘要:
铜离子渗出率作为评估含铜防污漆防污性能的主要指标,其测试方法是否准确与高效对于筛选和评价防污漆配方具有重要意义。试验通过自制室内防污漆渗出率测试装置,对比分析了在实海环境和室内模拟环境条件下,防污漆铜离子渗出率的变化规律,比较了两种试验方法的关联性与差异性。结果表明,两种试验方法测试的铜离子渗出率曲线变化趋势及最终结果基本一致,室内模拟环境方法更快捷、准确、方便。
失效分析
高强焊丝用H10Mn2SiNiMoTi盘条拉拔横裂分析
温娟, 来萍, 陈涛, 易敏, 张莉霞
2022, 37(6): 119-123.
摘要:
某高强焊丝用盘条在拉拔过程中出现很多横向断裂裂纹,采用扫描电镜、金相显微镜、直读光谱仪、显微硬度计等设备对断裂试样进行检测分析,结果表明,断裂的盘条化学成分和金相组织正常,夹杂物不严重,引起横裂产生的主要原因是边部的马氏体组织。焊丝在拉拔过速或者拉拔时润滑条件差的情况下,焊丝圆周与模具的接触位置摩擦生热,在高温下发生奥氏体相变,后续冷却又形成了马氏体组织。马氏体组织硬度高、脆性大,在焊丝拉拔轴向拉应力的作用下产生了横向开裂。
钛合金Ti6Al4V螺钉断裂原因分析
何伟, 马红征, 苗壮, 白新房
2022, 37(6): 124-128.
摘要:
针对钛合金Ti6Al4V螺钉在装配过程中发生断裂的问题,分别采用电感耦合等离子体发射光谱法、扫描电镜与金相检验的方法,进行了化学成分分析、断口分析、表面形貌观察与显微组织分析。结果表明:螺钉的化学成分符合要求;螺钉先发生脆性开裂,后发生韧性断裂;螺钉的螺纹表面存在麻点、缺口与伤痕等缺陷。螺纹表面的麻点、缺口与伤痕等缺陷是因为螺纹在滚压成形的过程中由于磨具和材料润滑不好,发生了粘连和嵌入而形成的。其中根部表面形成的一处严重伤痕在螺纹受力过程中产生应力集中,形成裂纹源并断裂。