材料开发与应用

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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

2023年第38卷第3期

栏目

强度与失效
焊接技术
腐蚀与防护
组织与性能
工艺研究
非金属材料
综述

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强度与失效

圆棒试样单向拉伸试验颈缩阶段试样形状的数学模型

薛钢

2023, 38(3): 1-11,16.

[摘要](76) [PDF 16770KB](33)

摘要:
在分析圆棒试样单向拉伸试验颈缩阶段试样形状特征的基础上建立了描述试样形状的数学模型,即试样自由表面上任一点所在垂直于中心轴线截面的半径r关于该截面与颈缩底部最小截面间的距离z(z≥0)的分布函数为r=${r_n} + \frac{{{r_c} - {r_n}}}{{1 + {{(\frac{z}{{{z_1}}})}^{{p_1}}} + {{(\frac{z}{{{z_2}}})}^{{p_2}}}}}$,在以颈缩底部最小截面中心为原点、中心轴线为z轴的直角坐标系中,试样自由表面的曲面函数为√x²+y²=${r_n} + \frac{{{r_c} - {r_n}}}{{1 + {{(\frac{z}{{{z_1}}})}^{{p_1}}} + {{(\frac{z}{{{z_2}}})}^{{p_2}}}}}$;在该数学模型中,试样形状可以通过6个特征参数(r_c、r_n、z₁、z₂、p₁、p₂)来表征。一种低合金钢圆棒试样单向拉伸试验颈缩形状实测数据和3种不同的各向同性均质弹塑性材料圆棒试样单向拉伸试验数值模拟结果验证了上述数学模型的有效性。

焊接技术

某高强钢焊接工艺分析

董自虎, 胡剑

2023, 38(3): 12-16.

[摘要](82) [PDF 2622KB](40)

摘要:
某高强钢具有强度高、碳当量高、焊接冷裂倾向大等特点。作者通过对比分析手工电弧焊、气体保护焊、双面双弧焊等焊接工艺,对焊接效率、焊接力学性能、焊接工艺性等进行了分析。分析发现:气体保护焊效率为手工焊效率2倍以上,双面双弧焊接效率最高;焊接线能量增加,强度下降,韧性增加;为保证层/道间温度,在立焊位置,手工焊条电弧焊焊道长度不宜大于1.2 m,气体保护焊焊道长度不宜大于0.9 m;在横焊位置,手工焊条电弧焊焊道长度不宜大于1.9 m,气体保护焊焊道长度不宜大于2.8 m。

中间层辅助钎焊陶瓷与金属缓解残余应力研究进展

马蔷, 陈永威, 王涛, 何鹏, 陈晓江, 金晓, 郑斌

2023, 38(3): 17-23.

[摘要](77) [PDF 9968KB](26)

摘要:
当陶瓷与金属进行钎焊连接时,由于两种材料热膨胀系数差异较大,接头中易产生较大残余应力,降低接头强度。引入中间层缓解接头残余应力是最简单高效的方法之一。本研究主要从提高焊缝塑韧性和接头形成良好热膨胀系数梯度过渡两方面来分析引入中间层辅助钎焊缓解残余应力的特点。综述了Cu箔软性中间层、三维SiO₂纤维增强复合材料中间层(3D-SiO₂-fiber)、泡沫金属中间层(泡沫Cu、泡沫Ni和泡沫不锈钢)以及多孔SiC陶瓷缓解接头残余应力的研究现状,重点介绍了采用以上中间层辅助钎焊后,接头微观组织的优化对接头力学性能的影响,最后对中间层辅助陶瓷与金属钎焊连接的发展趋势进行展望,以期为未来陶瓷与金属连接技术的突破提供参考。

基于氮气保护的316L不锈钢大功率激光焊接工艺研究

雷小伟, 陈利阳, 张毅, 马照伟

2023, 38(3): 24-30.

[摘要](93) [PDF 8400KB](34)

摘要:
针对316L不锈钢大功率激光焊接气孔问题,利用大功率光纤激光焊接设备,对10 mm厚316L奥氏体不锈钢进行激光焊接试验,发现采用氮气作为侧吹保护气体时,相比纯氩保护气,焊缝气孔率明显下降,焊缝截面更窄。采用氮气作为侧吹实现了成型美观的"小孔型"激光深熔焊接,焊缝正面宽度约2 mm,焊缝背面宽度约1.5 mm,焊缝正面有轻微下凹,深宽比达5∶1。对焊接试板进行了射线检测和渗透检测,均满足NB/T 47013—2015的Ⅰ级标准;对焊接接头按照NB/T 47014—2011进行了力学、工艺性能测试,测试结果均满足标准要求;冲击性能测试显示焊缝冲击性能优良,韧窝明显,为典型的韧性断裂。微观金相显示焊缝区主要为树枝状奥氏体+析出相,热影响区主要为孪晶奥氏体+少量δ铁素体。

腐蚀与防护

低合金高强钢极地环境加速腐蚀试验谱编制与研究

冷文俊, 崔中雨, 王昕, 崔洪芝

2023, 38(3): 31-36.

[摘要](106) [PDF 3845KB](27)

摘要:
针对低合金高强钢在极地低温环境下的腐蚀演化行为与寿命预测需求,开展极地环境加速试验环境谱及加速腐蚀试验方法研究,为探究低合金钢在低温、冻-融循环服役环境下的耐蚀性及腐蚀机理提供技术手段。根据中山站大气环境数据建立极地自然环境谱,将南极环境分为潮湿空气、冻融循环、低温冰冻3个阶段。利用大气腐蚀传感器,采用电化学工作站监测电偶电流变化,计算当量折算系数。通过盐雾-冻融-冰冻耦合加速腐蚀试验完成对南极腐蚀环境的仿真过程,为低温环境谱的编制提供方法及依据,编制的极地环境加速腐蚀试验环境谱与室外环境腐蚀具有较好的相关性。

碳化钨涂层模拟氧化及其对老化性能的影响

刘仲晔, 何智洋

2023, 38(3): 37-42,58.

[摘要](71) [PDF 8116KB](25)

摘要:
为了分析国产某大型装备关键部件表面喷涂的钴-碳化钨涂层在厂房放置后出现蓝紫色现象,并评估其对涂层服役性能的影响,采用同样的超音速火焰喷涂工艺制备一批钴-碳化钨涂层样品,利用环境试验箱调节湿度和温度,模拟现场环境进行加速氧化试验并实时观察。采用拉拔法、往复摩擦法和电化学试验对腐蚀后的样品进行结合力、摩擦以及抗腐蚀性能测试。发现采用同样参数制备的钴-碳化钨涂层在模拟条件下成功复现了现场腐蚀样貌。对比研究腐蚀前后钴-碳化钨涂层各项性能发现,腐蚀前后涂层的结合力均大于60 MPa;腐蚀前后涂层同条件下的磨损体积基本一致,无明显下降;腐蚀氧化仅发生在涂层表面,未深入涂层内部,涂层内部和基体并无损伤。分析认为,现场发生的涂层表面变色是由于当地夏季环境高温高湿,导致涂层表面发生Co的氧化。氧化后涂层的结合强度和耐磨性无明显下降,经过综合研究认定,现场涂层表面氧化不会影响其服役性能及寿命。

组织与性能

钛合金微结构力学性能和氢扩散分析

张文娟, 杨帆, 陈超鹏

2023, 38(3): 43-50,58.

[摘要](91) [PDF 10155KB](27)

摘要:
为了获得钛合金微结构组织不均匀性对氢扩散以及力学性能的影响,建立多晶体微结构模型,运用Voronoi图剖分原理生成随机晶粒,分析加载载荷、晶粒取向、晶粒大小和材料属性对微结构力学性能和氢扩散的影响。结果表明:载荷对氢扩散有促进作用,对应力集中无影响;晶体取向是微结构应力分布不均的主要原因,晶粒尺寸越大应力集中越严重;相同载荷下,β钛合金比α钛合金的应力集中更明显,且氢容易在β钛合金中富集。

MARK Ⅲ货物围护系统专用不锈钢板的检验及性能研究

刘春辉, 周瀚森, 袁刚

2023, 38(3): 51-58.

[摘要](39) [PDF 6166KB](12)

摘要:
基于MARK Ⅲ货物围护系统的工作特点,分析了专用不锈钢板应满足的基本性能要求。为了保证产品质量和性能要求,总结了专用不锈钢板应采用的生产工艺流程以及关键质量控制点。对专用不锈钢板进行检验分析,将其与常规AISI 304L不锈钢板的性能进行对比,并基于试验结果分析了专用不锈钢的性能特点。

工艺研究

ZCuAl8Mn14Fe3Ni2锻造开裂原因分析

杨慧慧, 范芳雄, 刘鑫

2023, 38(3): 59-62,68.

[摘要](77) [PDF 8981KB](14)

摘要:
针对ZCuAl8Mn14Fe3Ni2合金在锻造过程中外圆部分发生开裂问题,通过对开裂部位进行宏观和微观组织观察,从原材料及锻造工艺两方面对开裂原因进行分析。结果表明,锻造时由于锻造工艺不合理,心部与外圆塑性变形能力不一致,且原材料中的原始缺陷未得到有效愈合,使得材料在锻造时发生开裂。通过对锻造工艺进行优化,成功锻造出了Φ920 mm×Φ440 mm×110 mm的环坯。

船舶增材制造的认可与船级社标准分析

周瀚森, 施佳慧, 徐博文, 曾柯

2023, 38(3): 63-68.

[摘要](61) [PDF 4569KB](24)

摘要:
增材制造技术在各行业的发展趋于成熟,船舶领域方面的应用发展也有了广泛进展。针对船舶领域的增材制造应用,分析研究了目前船舶领域应用中主流的粉末床熔融、定向能量沉积和电弧熔丝沉积的技术原理、技术应用、设计评估、认可和检验。重点分析了中国船级社《增材制造检验指南》部分典型船用产品增材制造技术与认可检验流程,以及增材修复工艺认可流程,研究验证了标准体系对船舶增材制造技术的必要性。

船用ZG14CrNi3MoV铸钢两相区热处理工艺研究

戴乐, 杨超飞, 刘健, 牛继承

2023, 38(3): 69-72,104.

[摘要](55) [PDF 8616KB](16)

摘要:
对比了"单相区淬火+两相区淬火+高温回火"和"单相区保温+缓冷进入两相区+高温回火"和"两相区直接淬火+高温回火"3种热处理工艺对船用ZG14CrNi3MoV铸钢显微组织和力学性能的影响。结果表明,ZG14CrNi3MoV铸钢采用"单相区淬火+两相区淬火+高温回火"工艺进行热处理后,组织为铁素体+回火索氏体混合组织,强韧性匹配良好。

非金属材料

高压大容积全缠绕气瓶的Workbench ACP参数化结构分析

王庚, 孙永伟, 邓欣

2023, 38(3): 73-76.

[摘要](81) [PDF 3658KB](24)

摘要:
运用ANSYS软件对高压大容积全缠绕气瓶进行Workbench ACP参数化结构分析,实现了碳纤维复合材料铺层的层数据参数化可调单一材质气瓶内胆模型与碳纤维复合材料铺层模型联合分析,并通过模拟分析结果的反馈情况,便捷地调整铺层参数,优化高压大容积全缠绕气瓶的设计。该Workbench ACP参数化结构分析研究,将大量工程缠绕试验以模拟分析的方式完成,有效缩短了产品设计周期和成本投入,为该类型气瓶的可靠性设计提供参考。

硅橡胶/高吸油树脂共混改性研究

王明明, 吴喜娜, 许博文, 郭增贤, 高闪, 王国军

2023, 38(3): 77-81.

[摘要](95) [PDF 5445KB](6)

摘要:
以高吸油树脂为硅橡胶的共混改性剂,添加适量的高吸油树脂后,硅橡胶的力学性能得到了有效改善,其拉伸强度和断裂伸长率都显著提高。通过实验发现,硅橡胶的硬度可通过改变高吸油树脂添加量来调节。同时,改性后的硅橡胶提高了吸油膨胀性能和耐有机溶剂性能。利用高吸油树脂高亲油、吸油膨胀的特性,可以解决硅橡胶在使用中老化、腐蚀变质导致的密封性缺失、材料破损等问题,增加硅橡胶材料的使用寿命。

风电叶片前缘防护

叶维维, 苏雅丽, 李陈郭, 叶章基

2023, 38(3): 82-87.

[摘要](137) [PDF 4355KB](10)

摘要:
风能被认为是当今所有可用能源中最具有发展潜力的,已经成为新能源发电中不可或缺的一部分。风力机叶片是风力机的重要部件,对风力机的运行效率和使用寿命起着至关重要的作用。但风力发电场通常都建在具有高温或高寒、酸碱腐蚀和沙尘暴环境的地方,风力发电机组工作条件差,风电叶片的前缘由于线速度高,极易受到侵蚀。作者综述了影响风电叶片前缘防护的因素及前缘防护的保护方案,并提出了风电叶片前缘防护发展中所存在的问题。

综述

载人深潜器耐压壳体用金属材料研发进展

王华, 赵坦, 陈妍

2023, 38(3): 88-95.

[摘要](96) [PDF 4189KB](38)

摘要:
介绍了目前6 000 m以上国内外载人深潜器耐压壳体的选材现状,以各海洋强国载人深潜器应用的金属材料为例,对载人深潜器耐压壳体用金属材料的研发进展情况进行了梳理,分析了未来技术发展趋势。

锂硫电池正极材料的研究进展

王唯嘉, 李丰源, 张紫萱, 杨东澍, 黄英

2023, 38(3): 96-104.

[摘要](150) [PDF 8725KB](76)

摘要:
能源领域未来发展趋势着重于绿色清洁能源,锂硫电池以其高比能量以及成本低廉等优点,成为电池研究中的新热点。然而,目前锂硫电池仍存在较多问题阻碍其商业化,如正极材料硫导电性能差、正极产物多硫化物的穿梭效应、在充放电过程中,电池内部电极表现出体积膨胀等。本研究综述了近年来锂硫电池正极材料的研究进展,主要讨论了金属有机骨架化合物、碳材料以及导电聚合物在锂硫电池正极材料中的应用,并对锂硫电池正极材料的发展进行了展望。

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