材料开发与应用

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刊载范围

本刊定位于“成为船舶及海洋工程材料技术交流平台，加强材料界学术交流，促进船舶行业和海洋工程领域技术创新和产业发展”。主要刊载各类金属材料、高分子聚合物材料、无机非金属材料、复合材料以及腐蚀与防护、失效分析、测试评价等技术相关的高水平论文。

主编：廖志谦

执行主编：马玉璞

副主编：全识俊

主管：中国船舶集团有限公司

主办：洛阳船舶材料研究所; 中国造船工程学会船舶材料学术委员会

编辑出版：《材料开发与应用》杂志社

ISSN 1003-1545

CN 41-1149/TB

当期目录
2024年第39卷第3期

栏目

金属材料
非金属材料
材料结构设计

上一期

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金属材料

机器学习在铝基复合材料组分和工艺设计中的应用

杜晓双, 曲囡, 张学习, 刘勇, 朱景川

2024, 39(3): 1-9.

[摘要](12) [PDF 8932KB](1)

摘要:
铝基复合材料具有优异的力学性能,在航空、航天、国防、汽车等领域都得到一定的应用,机器学习在铝基复合材料组分和工艺设计中应用潜力巨大。首先介绍了机器学习的概念和常用算法,然后从性能预测、组分设计、工艺设计和材料体系与工艺一体化设计等4个方面详细论述了机器学习在铝基复合材料研发应用的进展,最后对机器学习在铝基复合材料领域未来的发展应用做了总结与展望。

Ni-Ti-Si三元合金热力学性质及非晶形成范围计算

董洪娜, 李桂杰

2024, 39(3): 10-19.

[摘要](10) [PDF 12124KB](0)

摘要:
基于Chou模型计算了在1 273 K下Ni-Ti-Si三元合金的形成焓ΔH、过剩熵S^E、过剩吉布斯自由能G^E、各组元的活度以及8个Ni-Ti-Si三元合金金属间化合物的形成焓。基于Toop模型预测了在1 273 K下Ni-Ti-Si三元合金的非晶形成范围。结果表明:Ni-Ti-Si三元合金在x_Ni=0.39、x_Ti=0.25、x_Si=0.36时的ΔH、S^E、G^E取得最小值,分别为ΔH_min=-56.25 kJ/mol、S^E_min=-6.38 J/mol、G^E_min=-48.14 kJ/mol。8个金属间化合物中,金属间化合物τ₁的ΔH最负,这说明τ₁的相稳定性最高,在凝固时最先析出,然后是τ₂、τ₆、τ₈析出,最后是τ₃、τ₄、τ₅析出;Ni-Ti-Si三元系各组元活度值与理想熔体之间存在非常大的负偏差;Ni-Ti-Si三元合金可以形成非晶,并且非晶形成范围很大,主要位于x_Ti=20%~80%和x_Ni=15%~90%的成分范围内。本研究计算出的Ni-Ti-Si三元合金的金属间化合物成分范围以及非晶形成范围均与实验结果吻合良好。

基于自适应面-体热源模型的6005A-T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊温度场数值模拟

贺巍亮, 许婷, 李华芳, 李晓燕

2024, 39(3): 20-27.

[摘要](18) [PDF 9506KB](4)

摘要:
以3 mm厚6065A-T6铝合金板为研究对象,利用ABAQUS软件模拟静止轴肩搅拌摩擦焊接过程中温度场以及焊缝区域各点的热循环曲线,研究不同焊接速度对焊缝区域温度峰值的影响规律。结果表明:随着焊接速度的增大,热源中心的峰值温度逐步降低,焊核高温区域面积明显减小。常规搅拌摩擦焊横截面温度云图呈上宽下窄的“碗状”分布,而静止轴肩搅拌摩擦焊的则类似于搅拌针的“锥形”形貌。在相同工艺参数下,静止轴肩搅拌摩擦焊相比于常规焊接工艺,能使焊核区域峰值温度降低大约30 ℃,所得的横截面温度场分布也更均匀。金相实验观测到的接头横截面形貌与模拟结果相匹配,有限元模拟结果与温度场实测结果良好吻合,说明所建立的自适应面-体热源模型能指导和预测实际焊接过程。

脉冲熔化极气体保护焊弧长神经网络建模及参数预测

关皓真, 张裕, 孙磊, 吴艳明

2024, 39(3): 28-35.

[摘要](10) [PDF 9167KB](0)

摘要:
针对脉冲熔化极气体保护焊中的基值电流、脉冲电流、脉冲时间、脉冲频率和电流上升速度等5个核心脉冲参数,通过高速摄影系统采集不同参数组合下焊接过程中的电弧弧长变化,并基于60条所得试验结果建立了关于电弧长度的BP神经网络预测模型。利用该模型预测脉冲参数与焊接弧长的相关性规律,建立的弧长预测模型相关系数R²=0.91,预测误差波动范围为[-7.065 2%,7.301 0%],在单因素预测中能够较好地反映脉冲参数对弧长的影响规律和变化趋势。

钛/钢异种金属混合连接界面组织和性能研究

戴乐, 李龙腾

2024, 39(3): 36-41.

[摘要](13) [PDF 8349KB](1)

摘要:
针对钛/钢异种金属连接难点,采用钛合金粉末和船用钢,通过表面结构设计和粉末冶金技术,实现了钛/钢冶金连接+机械连接的混合连接界面结构。结果表明:钛/钢混合连接界面100%结合,Fe元素和Ti元素相互扩散,形成了冶金结合,在机械结合的共同作用下,混合连接接头的抗拉强度达到449 MPa, 剪切强度达到299 MPa,冲击吸收能量达到31 J。研究成果可满足高强度钛合金与钢复合、提升连接界面冲击韧性以及在曲面结构应用等钛/钢焊接需求。

不同焊补工艺对E260-450-MS铸钢件焊接组织及性能的影响

孙佳, 梁炬星, 罗涛, 马传平

2024, 39(3): 42-50.

[摘要](9) [PDF 13818KB](0)

摘要:
铸钢件的焊补效果关系到转向架构件的服役寿命,为确定合适的焊补工艺,本研究采用3种不同焊补工艺对E260-450-MS铸钢件焊接接头的金相组织、拉伸性能、硬度、冲击性能进行了对比研究。结果表明:3种不同焊补工艺的接头焊缝、热影响区和母材的金相组织无明显的差异;接头抗拉强度均高于450 MPa,断后伸长率均超过20%,断裂部位均位于母材;接头硬度分布规律一致,从母材到焊缝中心,维氏硬度值先升高后降低,硬度峰值均小于250HV3。焊接接头各区冲击吸收能量值大小关系为:焊缝>热影响区>母材,焊缝冲击断口为韧窝断口,热影响区和母材为解理断口。焊前不预热,焊后保温覆盖缓冷,且不进行热处理的焊补工艺为最优焊补工艺。

消应力热处理对12CrNi5MoV锻钢组织与性能影响研究

和卫平, 邓晚平, 唐敏, 牛继承, 杨超飞, 王任甫, 李旭

2024, 39(3): 51-55.

[摘要](12) [PDF 9475KB](4)

摘要:
研究了原始态和消应力热处理态12CrNi5MoV锻钢的组织与性能,结果表明,经消应力热处理后,12CrNi5MoV锻钢的强度和塑性与原始态试样的相比变化不大,而冲击韧性明显降低,锻钢发生明显脆化。试验用12CrNi5MoV锻钢含有一定量的P及易引发回火脆性的Ni、Cr、Si、Mn等元素,是发生脆化的根本原因。

高强度合金钢应力腐蚀性能研究

董志翔, 杨俊峰, 范芳雄, 王灵水

2024, 39(3): 56-60.

[摘要](12) [PDF 9045KB](2)

摘要:
通过真空熔炼法制备高强度合金钢,采用慢应变速率拉伸测试法检测应力腐蚀敏感性。结果表明,随着材料强度的增加,应力腐蚀敏感性变大,断口出现沿晶形貌,属于脆性断裂;不同材料进行充氢试验后,慢拉伸试样的H残留量随着Mo含量的增加而增加,说明Mo含量对H残留有一定的影响。

20Cr13钢制螺栓的断裂失效分析

陈俊锋, 倪世丰

2024, 39(3): 61-65,71.

[摘要](13) [PDF 11662KB](1)

摘要:
螺栓紧固件事关设备的安全运行,有必要对其失效原因进行分析。通过宏观形貌观察、化学成分分析、力学性能测试、显微组织和断口形貌观察及腐蚀产物能谱分析等手段,对船舶设备用20Cr13马氏体不锈钢制螺栓的断裂原因进行了综合分析。结果表明,低温回火处理的20Cr13钢,其回火脆性增加,硬度超过国家标准的要求。螺栓在海水环境和应力作用下,表面发生点蚀和缝隙腐蚀,产生微裂纹,最终导致应力腐蚀断裂。

电感耦合等离子体发射光谱法测定钨铁合金粉末中铁含量

葛宁, 范浩, 王佳晨, 邵宗义, 李明阳

2024, 39(3): 66-71.

[摘要](10) [PDF 4498KB](0)

摘要:
钨铁合金是性能良好的钨基金属陶瓷弥散燃料基体,铁的含量将直接影响钨铁合金的使用特性。为准确检测钨铁合金粉末中铁含量,本研究将0.1 g钨铁合金粉末采用硝酸和氢氟酸溶解,5.5 mol/L硝酸定容,实现样品完全溶解并有效消除了钨水解的影响。在电感耦合等离子体发射光谱仪上建立了钨铁粉中铁含量的检测方法。实验结果表明,仪器功率为1 300 W、雾化器流量为0.80 L/min、样品中铁含量为1.5%~15.0%时,铁元素在259.939 nm特征发射峰处强度的线性相关系数可达到0.999 985。本方法的相对标准偏差(RSD)能够达到0.45%(n=6),平均回收率在96%～107%。

主动钻杆接头金属复合陶瓷渗镀表面强化技术研究

李骏

2024, 39(3): 72-76.

[摘要](14) [PDF 6026KB](0)

摘要:
为提高主动钻杆接头表面硬度、耐磨性等各项力学性能,采用熔盐法,以TiO₂粉末为原料,在氮气气氛下,将TiO₂粉末置于NaCl-MgCl₂熔盐中并加入微量Ag、Cu粉末,在500～800 ℃下反应16 h得到接头表面梯度氮化物陶瓷相。对强化后的接头进行表面硬度、显微组织及物相和耐磨性能等的测试和分析,结果表明,渗镀层形成了TiN及Fe_xTi(Ag,Cu)强化相;表面硬度提高到1 710HV0.05;比磨损率下降到0.027 0 mm³/(N·m);耐磨性比常规氮化的提高了1.8倍,比基体材料的提高了6.8倍。这表明与常规氮化工艺相比,金属复合陶瓷渗镀工艺可在强化表面形成多梯度渗镀层结构,具备减磨、降温、自润滑的效果,能极大提高接头表面硬度及耐磨性等各项力学性能。

煅烧条件对溶胶-凝胶法合成超细ZrB₂粉体的影响

孟佳伟, 吕艳红, 崔唐茵, 白丽, 徐海森, 方惠一, 王鹏

2024, 39(3): 77-81.

[摘要](13) [PDF 5642KB](0)

摘要:
ZrB₂基陶瓷材料在超高温领域具有广阔的应用前景,为研究煅烧条件对ZrB₂粉体的影响,本研究分别以正丙醇锆、蔗糖和硼酸为Zr源、C源和B源,采用溶胶-凝胶法制备ZrB₂粉体,研究了煅烧温度、保温时间及氩气流量对ZrB₂粉体合成的影响。结果表明,随着煅烧温度的升高,生成物中的杂质相含量逐渐降低,ZrB₂相含量逐渐增加。B∶Zr∶C摩尔比为2.85∶1∶7的前驱体粉体在氩气气氛、1 550 ℃下分别保温30、60和120 min后均得到了纯ZrB₂粉体。由Scherrer公式计算得到的ZrB₂平均晶粒尺寸远小于SEM观测的粒径,表明制得的ZrB₂粉体由小晶粒组成。煅烧过程中通入的氩气流量会影响B₂O₃的挥发程度,进而影响产物的物相组成。

非金属材料

硅氧烷改性的乙烯基树脂复合材料的阻燃低毒性

李果, 魏建辉, 朱俊, 李想, 傅鑫

2024, 39(3): 82-88.

[摘要](10) [PDF 7205KB](1)

摘要:
对玻璃纤维增强的硅氧烷改性乙烯基树脂复合材料的成型工艺及力学、阻燃低毒性进行研究。研究发现,对厚度小于40 mm的层合板,使用一次成型的真空辅助成型工艺即可获得较好的形态,而厚度大于40 mm的层合板需使用二次成型方法。改性后的复合材料力学性能下降幅度在10%左右。从氧指数、低播焰、烟毒性、常温毒性、高温毒性等方面,对硅氧烷改性的乙烯基树脂复合材料的阻燃性和毒性进行研究,结果表明,磷、硅协同阻燃作用显著提高了该复合材料的阻燃性能,其氧指数从24.5%提高到38.0%,其低播焰性能够满足墙壁和天花板衬板的使用条件;硅氧烷化合物的低毒、低烟特性显著降低了该复合材料的烟毒性,其最大烟密度为189,毒性为低等毒性,满足密闭环境的使用要求。

大型风电叶片模具高精度制造技术研究

李辉, 陈万康, 李晓, 黄尚洪, 李义全

2024, 39(3): 89-98.

[摘要](16) [PDF 11333KB](3)

摘要:
大型风电叶片批量化、标准化以及高精度、高性能发展趋势对风电叶片模具材料、设计及精准制造工艺等方面提出了更高的要求,但目前尚缺乏相关的系统研究和梳理。本研究结合叶片模具实际成型过程,从蒙皮结构、钢架结构和蒙皮-钢架连接部分特征及协同效应等3方面总结了不同因素对风电叶片模具精准制造的影响,为工程预测和控制提供直观的数据参考。

CFRP对称层合板等效弹性模量参数敏感性研究

张二庆, 王绪超, 赵鑫, 胡艳志, 王旭, 马志魁

2024, 39(3): 99-109.

[摘要](14) [PDF 11050KB](3)

摘要:
实际工程结构设计中往往将复合材料层合板看成均匀的各向异性板,并用等效弹性模量来表征层合板的刚度。为便于表征复合材料层合板的弹性性能,本研究从理论计算和ANSYS ACP仿真模拟两方面研究单层工程弹性常数与刚度系数的关系、[0/90]_S正交对称层合板的等效弹性模量、准各向同性层合板的等效弹性模量和铺层顺序对对称层合板等效弹性模量的影响。结果表明,单层工程弹性常数与刚度系数有较为简单的对应关系;[0/90]_S正交对称层合板的等效弹性模量约为单层正轴弹性模量E_L与E_T之和的一半;准各向同性层合板的等效弹性模量约为E_L与E_T之和的三分之一;改变铺层顺序后,层合板的等效弹性模量没有发生变化,但对层合板的弯曲刚度有较大影响;并用理论验证有限元解法的合理性,为复合材料层合板的应用设计提供了理论和仿真模拟指导。

材料结构设计

多组元双切削消能抗爆防弹被动防护新材料结构设计

王思捷, 杨军伟, 訾皓然

2024, 39(3): 110-116.

[摘要](9) [PDF 10050KB](0)

摘要:
车辆底盘、门板、发动机盖等受到子弹、路边炸弹、地雷等攻击后极易导致装备受损和人员伤亡,传统装甲防护结构材料可靠性和安全性受到巨大考验,研发低密度、高防护、小体积、易挂载的新型抗震防弹材料十分必要。在引入碳纤维、陶瓷、非牛顿流体等轻质新材料的基础上,本研究提出一种多材料层合防护结构材料,采用非牛顿流体切削和蜂窝单元吸能柱(螺栓)切割的双切削消能模式。运用ANSYS Autodyn有限元分析仿真模拟,初步验证了该新型抗爆防弹装甲防护结构的抗弹性能。该防护结构材料能充分发挥金属、陶瓷、流体材料以及蜂窝嵌套的材料与结构组合优势,最大程度地发挥其抗爆震、抗冲击体、防火隔热等抗爆防弹能力,在提升装备和驾乘人员战场生存能力方面具有巨大潜在应用价值。

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