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  • 材料工程
      2017年, 第45卷, 第10期 刊出日期:2017-10-20 上一期   
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    2017, 45 (10): 0-0.  
    摘要 ( 173 )   PDF (3150KB) ( 112 )   引文文本
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    观点
    一代新材料,一代新型发动机:航空发动机的发展趋势及其对材料的需求
    刘大响
    2017, 45 (10): 1-5.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.100001
    摘要 ( 796 )   HTML( PDF (698KB) ( 334 )   引文文本
    在对世界航空动力技术加速发展态势进行简要综述的基础上,对航空发动机关键材料技术的发展现状与趋势进行分析研究,并按照一代新材料、一代新型发动机的思路,提出先进航空发动机主要部件和系统对材料技术的发展需求,并从质量稳定性和工艺成熟度、工程化研究和验证、材料体系和数据、复合材料、适航取证等方面,对提高我国材料技术的发展和应用水平提出了建议。
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    研究论文
    热还原石墨烯的制备及其对重金属Pb2+的吸附性
    王艳春, 曾效舒, 敖志强, 袁秋红, 杨文庆, 沈佐健
    2017, 45 (10): 6-11.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000815
    摘要 ( 331 )   HTML( PDF (3349KB) ( 135 )   引文文本
    利用瞬时加热还原氧化石墨的方法制备石墨烯,将热还原的石墨烯用于吸附水中的重金属Pb2+,研究接触时间和pH值对吸附的影响。结果表明:pH值很大程度上影响了石墨烯的吸附性能,pH值大于7时吸附量显著增加,并在5min内达到平衡。透射电子显微镜和扫描电子显微镜分析表明石墨烯的片层很薄,层数较少。采用Langmuir和Freundlich吸附等温式拟合实验数据,Langmuir吸附等温式计算出的最大理论吸附量为86.5mg/g,相关系数R2为0.9982,Langmuir常数KL为10.7,与实验结果更接近。表明石墨烯具有超强的吸附能力,以单分子层的化学吸附为主。吸附动力学符合准二级动力学模型。
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    水热法合成铁掺杂的硫化镉及光催化性能
    刘阳龙, 郑玉婴, 曹宁宁, 王翔
    2017, 45 (10): 12-17.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000498
    摘要 ( 366 )   HTML( PDF (4312KB) ( 190 )   引文文本
    以硝酸镉、硝酸铁和硫脲为原料,水为溶剂,通过水热法一步合成铁掺杂的硫化镉。产物经SEM,XRD,EDS和XPS等技术进行表征,以亚甲基蓝的光催化降解为目标反应,评价其光催化活性。结果表明:水热温度对硫化镉的形貌影响较大,不同反应温度可分别得到球状、花状、簇状和棒状的硫化镉,其中花状硫化镉的光催化性能最高。XRD分析表明,160℃反应时,所得掺铁的硫化镉均为六方晶体结构。光催化实验表明,铁掺杂能进一步提高硫化镉的催化活性,当Fe和Cd的掺杂比为1∶10时,催化效果最佳。
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    Ag/InP复合材料的制备、表征及其性能
    刘淑玲, 韩晓莉, 仝建波
    2017, 45 (10): 18-22.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001198
    摘要 ( 253 )   HTML( PDF (2936KB) ( 120 )   引文文本
    通过溶剂热法制得磷化铟微晶,然后以光化学还原法成功将Ag单质均匀地复合到磷化铟微晶表面,制备Ag/InP复合材料。采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜等对所得产物进行分析,结果表明:复合材料由尺寸为500 nm左右的球状微晶组成,其中20 nm左右的Ag纳米颗粒均匀附着在立方相InP微球表面上,表面较为粗糙。以刚果红为目标降解物,利用荧光和紫外光谱对所得产物进行光催化性能测试,结果发现,与单体InP微晶相比,Ag/InP复合材料形成后,其对刚果红的光催化降解活性提高,这可能是由于Ag纳米颗粒均匀附着后,有效分离InP的光生电子和空穴。此外,对不同银负载量的Ag/InP的光催化性能进行研究。研究表明:当负载量为73.3%时,所得产物的光催化性能最佳,降解率可达64%。
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    FV520B沉淀硬化不锈钢的MAG堆焊再制造力学特性
    柳建, 朱胜, 蔡志海, 张平, 刘军, 秦航, 仝永刚
    2017, 45 (10): 23-31.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000433
    摘要 ( 264 )   HTML( PDF (5473KB) ( 90 )   引文文本
    采用堆焊熔敷成形技术进行FV520B沉淀硬化不锈钢再制造实验,并通过与基材相应性能进行对比分析,研究FV520B不锈钢MAG堆焊再制造成形层力学特性。结果表明:FV520B不锈钢MAG堆焊再制造成形层具有高强度和高硬度特性,其抗拉强度达到1195MPa,超过基材的1092MPa,屈服强度和硬度平均值分别为776MPa和336HV,与基材的859MPa和353HV相近;但是,再制造成形层的静拉伸伸长率与冲击韧性相对较低,分别为8.72%和61J/cm2,与基材的19.67%和144J/cm2相比差距较大。试样断口和组织分析表明,MAG堆焊再制造成形层的快冷非平衡结晶板条马氏体+NbC,MoC,M23C6等碳化物沉淀强化相组织是其具有高强度和高硬度力学特性的根本原因。不过,缺少时效处理和Cu元素强化相作用,以及夹杂脆性相和大尺寸球形颗粒与基体间的弱界面作用会恶化材料受力时的变形能力,容易引起应力集中并开裂,是再制造成形层具有较低静拉伸伸长率和较差冲击韧性的主要原因。
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    转速对水下搅拌摩擦焊接7A04-T6铝合金组织与性能的影响
    王文, 李天麒, 乔柯, 徐瑞琦, 王快社
    2017, 45 (10): 32-38.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001234
    摘要 ( 265 )   HTML( PDF (12771KB) ( 146 )   引文文本
    对7A04-T6铝合金板进行水下搅拌摩擦焊接(FSW),研究转速对水下FSW接头组织和力学性能的影响。结果表明:水下FSW接头的硬度最小值均位于热机械影响区。高转速条件下(950r/min)接头的硬度分布呈现"W"形,焊核区平均硬度值高于低转速条件下(475,600,750r/min)接头的硬度值。当焊速恒定为235mm/min,转速从475r/min提高到750r/min时,接头焊核区的析出相随转速的增大逐渐粗化,接头抗拉强度系数从89.71%降低到82.33%;当转速升高到950r/min时,析出相发生固溶时效,呈现细小弥散的分布特征,接头的强度系数提高到89.04%。接头具有较高的应变硬化能力,塑性伸长率较高。水下FSW接头的拉伸断口均呈现微孔聚合和解理混合断裂特征。
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    等离子旋转电极雾化法制备高品质Ti-6.5Al-1.4Si-2Zr-0.5Mo-2Sn合金粉末
    邝泉波, 邹黎明, 蔡一湘, 刘辛, 程军, 易健宏
    2017, 45 (10): 39-46.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001045
    摘要 ( 292 )   HTML( PDF (5739KB) ( 125 )   引文文本
    旨在制备高品质Ti-6.5Al-1.4Si-2Zr-0.5Mo-2Sn粉末,为后续粉末高温钛合金构件的制备奠定基础。首先采用真空自耗电弧熔炼(VAR)技术制备Ti-6.5Al-1.4Si-2Zr-0.5Mo-2Sn合金铸锭,对铸锭进行化学成分检测,并分析其合金元素损耗、成分均匀性以及显微组织和物相组成。利用制得棒料,采用等离子旋转电极雾化法(PREP),选取不同转速制备得到钛合金粉末,将粉末筛分成不同粒度范围。研究了棒料转速与粉末理化性能间的关系。采用X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、金相显微镜(OM)分别分析了粉末的物相组成、形貌和微观组织。研究表明:通过独特的压制电极设计,可制得成分均匀、元素损耗小的钛合金铸锭,且各合金元素含量满足国标的要求。铸锭微观组织为层片状结构,基体中存在少量大小不均的Ti5Si3硅化物相。PREP法制得的钛合金粉末呈正态分布,且球形度好,无空心球和卫星球。随着转速增加,小颗粒粉末占比增加,大颗粒粉末占比大幅度降低。粉末颗粒以胞状组织为主,存在少量的枝晶。合金粉末主要由α'马氏体相组成。相比合金铸锭,粉末中各合金元素略有损耗,O元素质量分数小于0.1%,有利于制得高性能的粉末钛合金。
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    2219铝合金动态力学性能及其本构关系
    张子群, 姜兆亮, 魏清月
    2017, 45 (10): 47-51.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000859
    摘要 ( 646 )   HTML( PDF (834KB) ( 179 )   引文文本
    针对2219铝合金在高温、高应变率加工条件下的变形特征以及流动应力变化规律,利用分离式Hopkinson压杆设备对该合金进行了室温以及高温动态压缩力学性能研究,并利用电子万能试验机对其进行准静态压缩力学性能测试,得到了2219铝合金在不同应变率和温度下的真实应力-应变曲线。结果表明:2219铝合金对温度有较高的敏感性,其流动应力随着温度的升高而降低;当应变率在1000~3000s-1范围内时,材料的流动应力变化并不明显;基于Johnson-Cook模型拟合出的模型参数,能较好地预测实验中材料的流动应力。
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    电流密度对微/纳结构电铸成型模芯质量的影响
    翁灿, 王飞, 杨冬娇, 吕辉, 蒋炳炎
    2017, 45 (10): 52-58.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000104
    摘要 ( 232 )   HTML( PDF (4490KB) ( 97 )   引文文本
    利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics,模拟微/纳结构电铸过程中阴极表面的电场分布,研究不同电流密度下微/纳结构表面的电场分布及电铸层生长前沿情况。仿真结果表明:采用较低的初始电流密度,可有效改善微/纳结构生长前沿铸层厚度的均匀性。选用纳米光阑和纳米柱阵列2种微/纳结构母板进行电铸实验,将初始电流密度从4A/dm2调至1A/dm2,纳米光阑母板成型最大误差60nm降至±20nm之内。通过合理设置初始电流密度、增强阴极表面溶液流动强度等措施,纳米柱阵列模芯特征直径尺寸误差由6.27%下降至2.49%,有效提高电铸模芯的复制质量。
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    含氢硅油制备SiC晶须的研究
    王瑶, 陈旸, 乔宁, 李欣, 张文婷
    2017, 45 (10): 59-64.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001112
    摘要 ( 234 )   HTML( PDF (11748KB) ( 109 )   引文文本
    以高含氢硅油为原料,在石墨基体上生长出SiC晶须。主要研究石墨基体的表面状态和加热温度对SiC晶须生长的影响,探究SiC晶须形成过程。影响SiC晶须形核和生长的主要因素为热处理温度,随着热处理温度的升高,SiC晶须的结晶产量也相应增高。石墨基体的表面状态对SiC晶须的形成也有一定的影响,随着石墨基体缺陷提供形核点的增多,SiC晶须的结晶产量提高,并且出现相互搭接的现象。SiC晶须的形成过程分为形核和生长两个部分,低温形核,高温生长,遵循VLS(气-液-固)生长机理。
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    Al-TiO2-C晶粒细化剂对工业纯铝细化效果的影响
    韩小伟, 张瑞英, 王鹏
    2017, 45 (10): 65-70.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000521
    摘要 ( 243 )   HTML( PDF (25848KB) ( 96 )   引文文本
    以TiO2粉、C粉、Al粉为原料,利用放热弥散法制备Al-TiO2-C晶粒细化剂,采用XRD,SEM,EDS等研究不同C与TiO2比例的细化剂的显微组织,并对工业纯铝进行细化实验。结果表明:Al-TiO2-C晶粒细化剂析出相为Al3Ti,TiC和Al2O3。当C与TiO2摩尔比为1∶25~1∶20时,Al-TiO2-C细化剂组织中Al2O3颗粒数量适中且分布相对弥散。当C与TiO2摩尔比为1∶20,该细化剂添加量为0.2%(质量分数)时,可将工业纯铝细化到约142μm,且保温1h未出现细化衰退。
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    阳极氧化法制备铝基超疏水涂层及其稳定性和耐蚀性的研究
    郑顺丽, 李澄, 项腾飞, 胡玮, 丁诗炳, 王晶, 刘盼金
    2017, 45 (10): 71-78.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000301
    摘要 ( 241 )   HTML( PDF (12512KB) ( 122 )   引文文本
    铝由于在潮湿的环境中很容易受到污染和损坏,从而严重影响了其美观性和用途。为了改善铝基材料的耐腐蚀性能,采用电化学阳极氧化法与十四酸修饰相结合的方式在铝基底上制备了超疏水涂层。通过场发射扫描电镜(FESEM)和X射线能量色散光谱(EDS)对涂层表面形貌和化学组成进行了表征。同时利用接触角测量仪、喷砂实验和电化学测试分别对涂层表面的润湿性、机械稳定性以及耐腐蚀性能进行了研究。结果表明:当阳极氧化电压为20V时,所制备的涂层为最佳铝基超疏水涂层,此时涂层的接触角为(155.2±0.5)°,滚动角为(3.5±1.3)°。其对应的腐蚀电流密度较铝基底降低了2个数量级,腐蚀电位从-0.629V正移到-0.570V,呈现出优异的耐腐蚀性能。此外,该涂层还具有良好的机械稳定性。
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    燃气热循环下7YSZ热障涂层的微结构演变与阻抗谱特征
    陈文龙, 刘敏, 张吉阜, 宋进兵
    2017, 45 (10): 79-87.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000713
    摘要 ( 189 )   HTML( PDF (17919KB) ( 78 )   引文文本
    在1250℃燃气热循环条件下,测试热障涂层抗冷热冲击性能,以模拟发动机叶片的启动升温与关闭降温循环过程。采用电化学阻抗谱测试和扫描电镜(SEM)系统研究热循环过程中热生长氧化物(TGO)生长与YSZ陶瓷层微结构演变。结果表明:随着热循环次数增加,热障涂层内TGO不断生长变厚,在中频阶段的阻抗谱响应越来越显著。YSZ陶瓷层内部经历了微裂纹的萌生与扩展两个阶段。经过100次热循环后的YSZ层表现出与喷涂态涂层相似的阻抗特征,表明高温下烧结会使YSZ层产生的微裂纹在短时间内愈合。但经过300次热循环后的YSZ层表现出与喷涂态完全不同的阻抗谱,并随热循环次数增加,YSZ颗粒间隙阻抗值不断增加,表明YSZ内层产生了不可愈合的微裂纹,是导致YSZ层最终失效的主要因素。
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    采用端面带孔电极进行电火花沉积制备自润滑涂层
    曹同坤, 孙何, 王晓明
    2017, 45 (10): 88-94.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000691
    摘要 ( 190 )   HTML( PDF (9857KB) ( 87 )   引文文本
    采用端面带孔电极,在孔中填充MoS2,利用电火花沉积(ESD)方法在高速钢基体上制备Cu-MoS2自润滑涂层。分析自润滑涂层的成分及微观形貌,研究电容、沉积时间对自润滑涂层厚度的影响,以及自润滑涂层的摩擦性能和磨损机理。结果表明:采用这种电极制备的自润滑涂层中只存在MoS2和Cu。其微观形貌显示,自润滑涂层表面凹凸不平,并存在气孔,呈现典型的电火花沉积特征;在第3挡电容下,自润滑涂层的表面质量最好。随着电容、沉积时间的增加,涂层厚度出现先增加后下降的规律。在第3挡下制备的自润滑涂层的摩擦因数最小,随着摩擦时间的增加,在第1挡和第3挡下制备的自润滑涂层的摩擦因数都比较稳定,而在第5挡下制备的自润滑涂层的摩擦因数具有明显的上升趋势。SEM照片表明,磨损表面具有滑移剪切的现象。
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    航空紧固件用Ti-5553合金的组织和性能
    赵庆云, 由洋, 王立东, 董利民, 刘风雷
    2017, 45 (10): 95-102.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000170
    摘要 ( 347 )   HTML( PDF (19496KB) ( 105 )   引文文本
    采用扫描电镜和透射电子显微镜研究不同热处理制度对Ti-5553高强钛合金显微组织与力学性能的影响。结果表明:在(α+β)两相区进行固溶处理时,随着固溶温度的升高,Ti-5553合金组织中的初生α相含量逐渐减少,β相的尺寸和体积分数均增加,合金强度逐渐降低。时效后β基体发生转变,晶界和晶内析出大量次生α相。次生α相的尺寸对力学性能产生重要影响,随着时效温度的升高,次生α相逐渐粗化,导致抗拉强度逐渐下降。1240MPa级航空紧固件用Ti-5553的固溶温度应选择Tβ以下,使组织中留有足够的β相,从而时效时在β相中有大量次生α相析出,获得需要的高强度。同时,保留一定含量的初生α相,以便获得良好的塑韧性。经810~820℃,1.5h,水淬+510℃,10h,空冷热处理后,合金可以获得较好的综合性能,抗拉强度达1500MPa,伸长率达14.8%,断面收缩率为38.6%。固溶和时效态的拉伸断口均存在大量韧窝,材料具有良好的塑韧性。
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    聚丙烯腈纤维对汽车摩擦材料性能的影响
    刘伯威, 李亚林, 刘咏, 杨阳, 唐兵, 匡湘铭
    2017, 45 (10): 103-110.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001439
    摘要 ( 250 )   HTML( PDF (6576KB) ( 73 )   引文文本
    在一种成熟低金属配方基础上,采用热压法制备聚丙烯腈纤维增强摩擦材料,研究聚丙烯腈纤维含量对摩擦材料物理性能、力学性能、摩擦磨损性能及制动噪音的影响。结果表明:随聚丙烯腈纤维含量增加,摩擦材料的密度逐渐降低,而气孔率、压缩变形量和内剪切强度先升高然后降低;添加聚丙烯腈纤维对名义摩擦因数的影响较小,但会降低材料的抗高温衰退性能,并且随着其含量的增多,摩擦因数的衰退幅度增大;添加聚丙烯腈纤维会提高材料的磨损率,并随其含量的增加呈现先降低后略有增加的趋势;添加适量的聚丙烯腈纤维有利于抑制噪音的产生,在质量分数为3%~5%左右时,噪音表现最佳。
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    电子束辐照诱导丙烯酸接枝尼龙66织物的改性研究
    桑伟, 周岚, 冯新星, 张建春
    2017, 45 (10): 111-116.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001319
    摘要 ( 231 )   HTML( PDF (4326KB) ( 104 )   引文文本
    利用电子束引发丙烯酸单体接枝尼龙66织物,研究不同接枝条件对接枝反应的影响。利用红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TGA)、扫描电镜(SEM)以及YG065型织物强力仪研究了接枝前后织物的化学结构、热性能、表面形貌及力学性能变化,并通过垂直燃烧评价接枝织物的抗熔滴性能。结果表明:红外谱图1720.2cm-1等处出现单体中羧基的特征吸收峰,说明丙烯酸成功接枝到尼龙66上。接枝后,尼龙66织物的抗熔滴性得到显著改善,主要因为交联状炭层骨架对纤维熔体的支撑作用,但力学性能有一定程度降低。随着接枝率的增加,尼龙66的初始分解温度逐渐降低,成炭性能明显提升,织物损毁长度变短,熔滴速率更低,而断裂强力有轻微提升。
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    CFRP筋拉伸强度预测模型评价及应用
    王彬, 杨勇新, 岳清瑞, 曾滨
    2017, 45 (10): 117-123.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001435
    摘要 ( 211 )   HTML( PDF (870KB) ( 112 )   引文文本
    在初步建立CFRP筋拉伸强度预测模型基础上,对该模型典型因子影响材料强度权重进行研究评价,根据结果提出CFRP筋制备过程中强度补偿机制。结果表明:典型因子碳纤维拉伸强度(σf)和体积分数(Vf)对CFRP筋拉伸强度影响最为显著(影响率为39.1%~46.7%和43.5%~52.6%),是决定CFRP筋拉伸性能的最重要因素。公称直径(D)对CFRP筋拉伸强度存在一定程度影响(影响率7.1%~15.4%)。基体树脂强度(σm)对CFRP筋拉伸强度影响不明显(影响率0.3%~1.0%),相比其他三种因素,可近似忽略。依据预测模型典型因子强度补偿规律,可较方便推测CFRP筋组分碳纤维强度及体积分数参数。
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    复合材料胶接修理层合板拉伸性能及影响参数
    聂恒昌, 徐吉峰, 关志东, 黎增山, 王鑫
    2017, 45 (10): 124-131.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000802
    摘要 ( 267 )   HTML( PDF (8618KB) ( 103 )   引文文本
    胶接修理是效率较高、应用较广的复合材料结构修补技术。对采用不同参数进行挖补和贴补修理的复合材料层合板的拉伸性能进行实验研究。结果表明:挖补修理实验件的强度恢复率约为66%~91%,贴补修理实验件的强度恢复率约为44%~61%。在挖补修理实验件中,减小挖补斜度、采用双面挖补、使用热压罐固化,在贴补修理实验件中,采用双面贴补、增大补片尺寸,均可得到更高的强度恢复率。在实验基础上建立的有限元模型,能够有效预测实验件的失效载荷、破坏模式,并可分析实验件的应力分布和渐进损伤过程,为设计修理方案提供参考。
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    304奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的非线性超声表征
    侯天宇, 李萍, 陈雷, 赵杰, 李廷举
    2017, 45 (10): 132-137.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000130
    摘要 ( 236 )   HTML( PDF (4462KB) ( 142 )   引文文本
    利用非线性超声检测技术并辅助于XRD与微观组织分析,探讨了在650℃经过2,6,10h敏化处理的304奥氏体不锈钢样品非线性超声特征参数的变化规律。结果表明:随着敏化时间的延长,归一化非线性系数单调增大;相比于固溶试样,经2,6,10h敏化处理后样品的归一化非线性系数分别增加28%,32%,43%,意味着以非线性系数表征304不锈钢的敏化度是可行的。分析认为:晶界析出碳化物(Cr23C6)与奥氏体基体产生的错配引发了局部应变场,干扰了超声波的传播;此外,随敏化时间延长,析出相的增加进一步加剧了超声波的畸变。
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    充氢Cr-Mo钢变形过程的声发射特征
    滕全全, 汪悦, 有移亮, 张峥
    2017, 45 (10): 138-144.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001146
    摘要 ( 266 )   HTML( PDF (6978KB) ( 88 )   引文文本
    对电化学充氢后的2.25Cr-1Mo钢进行拉伸实验,并在实时拉伸过程中采集声发射信号。结果表明:充氢后2.25Cr-1Mo钢抗拉强度为536.30MPa,下降约57MPa;断面收缩率为43.62%,下降约7%。拉伸断口上出现由氢脆引起的"白点"特征与准解理断裂形貌。充氢后试样拉伸过程弹性阶段的声发射信号活动增强,而屈服阶段的声发射信号活动减弱,变形过程的声发射信号累积绝对能量值要比未充氢试样低约1个数量级。充氢试样拉伸产生的声发射信号比未充氢试样的信号幅值降低约0.33mV,频宽降低0.06MHz。通过对声发射信号的分析发现,充氢试样变形的微观机制为氢促进位错发射与运动,而交叉滑移受到抑制。
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