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  • 材料工程
      2022年, 第50卷, 第4期 刊出日期:2022-04-20 上一期    下一期
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    2022, 50 (4): 0-0.  
    摘要 ( 66 )   HTML ( 9 )   PDF (2519KB) ( 55 )   引文文本
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    储能材料专栏
    柔性储能电池电极的设计、制备与应用
    黄英, 陈晨, 李超, 王佳明, 张帅, 张政, 贾全兴, 路梦伟, 韩小鹏, 高小刚
    2022, 50 (4): 1-14.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000512
    摘要 ( 222 )   HTML ( 15 )   PDF (22299KB) ( 252 )   引文文本

    随着便携式、可穿戴电子器件的迅速发展,柔性储能器件的研究逐渐转向微型化、轻柔化和智能化等方向。同时人们对器件的能量密度、功率密度和力学性能有了更高的要求。电极材料作为柔性储能器件的核心部分,是决定器件性能的关键。柔性储能电子器件的发展,又迫切需要新型电池技术和快速、低成本且可精准控制其微结构的制备方法。因此,柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池等新型储能器件的研发成为目前学术界研究的热点。本文论述了近年来柔性储能电池电极的研究现状,着重对柔性电极材料的设计(独立柔性电极和柔性基底电极)、不同维度柔性电极材料的制备工艺(一维材料、二维材料和三维材料)和柔性储能电极的应用(柔性锂/钠离子电池、柔性锂硫电池、柔性锌空电池)进行对比分析,并对电极材料的结构特性和电化学性能进行了讨论。最后,指出了柔性储能器件目前所面临的问题,并针对此类问题展望了柔性储能器件未来的重点在于新型固态电解质的研发、器件结构的合理设计及封装技术的不断优化。

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    固态电解质中的聚合物复合体系研究进展
    董常熠, 于德梅
    2022, 50 (4): 15-35.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000442
    摘要 ( 137 )   HTML ( 4 )   PDF (9599KB) ( 105 )   引文文本

    固态聚合物电解质因其质量轻、柔性好,且与电极材料接触良好、界面阻抗小,成为开发新一代高能量密度、高安全性乃至高柔韧性电化学器件的潜在材料,近年来获得了广泛关注。但因其离子电导率低、力学性能差等缺陷也成为限制其进一步商业化的关键问题。通过交联、共混、共聚等手段组成聚合物的复合体系有可能很好地解决这些问题,因此本文首先对聚合物中的离子导电机理进行了简要介绍,旨在从原理的角度阐释上述问题的解决策略;随后综述了近年来多种聚合物基复合电解质在电化学器件中的应用以及改性策略。最后对复合固态聚合物电解质目前面临的基础研究和实际应用问题进行了讨论,给出了解决这些问题的建议,以期为新型聚合物复合固态电解质的设计与制备提供新思路。

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    磺酸基修饰石墨烯复合材料的储钠性能研究
    吴乾鑫, 刘磊, 孙晋蒙, 李一帆, 刘宇航, 杜洪方, 艾伟, 杜祝祝, 王科
    2022, 50 (4): 36-43.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001197
    摘要 ( 114 )   HTML ( 6 )   PDF (13258KB) ( 213 )   引文文本

    对石墨烯进行功能化处理,可得到具有合适层间距和较高离子扩散速率的理想石墨烯基电极材料,其作为钠离子电池负极材料有着重要的应用潜力。通过在石墨烯结构中进行原位插层反应,成功制备出聚对苯乙烯磺酸钠(PSS)插层的石墨烯复合材料(PSS-rGO)。这种插层结构是基于石墨烯的π电子可以与PSS结构中的π电子相互作用,使得石墨烯层间距增大并抑制其堆积。同时,PSS中的磺酸钠基团可有效提高钠离子扩散速率,增强电极对钠离子的吸附能力,从而提升钠离子电池的循环性能。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)、电化学工作站和多通道电池综合测试仪对样品进行测试分析。结果表明,PSS-rGO电极在5 A·g-1的电流密度下循环6000圈后容量可保持在256 mAh·g-1,单圈衰减率为0.003%,表现出优异的循环性能。本研究为开发高比容、快速储钠以及长寿命的钠离子电池负极材料提供了可行思路。

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    MoS2/Ru异质结构的制备及其电催化析氢反应性能
    马海霞, 王太和, 赵玉洁, 王旭, 李嘉辰
    2022, 50 (4): 44-52.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000991
    摘要 ( 98 )   HTML ( 3 )   PDF (12031KB) ( 203 )   引文文本

    二维层状二硫化钼(MoS2)是一种非常有前景的替代贵金属铂的电水解制氢催化剂。然而,MoS2电子导电性较差,且在碱性氢析出反应(HER)中对水分子吸附/裂解的活化能垒较高,限制其在碱性电水解的应用。通过一步水热法将MoS2纳米片均匀生长在三维导电碳布(CC)上,以有效提高电极导电性。随后在RuCl3的乙醇溶液中通过溶剂热法可控制备超小Ru纳米颗粒负载MoS2纳米片,形成CC@MoS2/Ru异质结构。Ru的负载能有效促进水吸附/裂解反应,从而和MoS2协同催化HER。采用X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等方法对MoS2/Ru进行结构和形貌表征。结果表明:MoS2呈纳米片状交错生长在碳布上,并且超小Ru纳米颗粒(平均粒径2.5 nm)均匀负载在MoS2纳米片上。将CC@MoS2/Ru作为工作电极,石墨棒和Hg/HgO电极分别为对电极和参比电极进行碱性HER测试。在电流密度为-10 mA·cm-2下的过电位仅为71.3 mV,Tafel斜率为104.8 mV·dec-1。通过对其进行计时电位滴定法稳定性测试,发现在恒电流密度-10 mA·cm-2下能够维持至少35 h而没有明显性能衰减。

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    莴笋叶制备多孔碳材料的优化设计及储锂性能
    李鑫, 王秋芬, 缪娟, 田会芳, 张成立, 张延磊, 张志林
    2022, 50 (4): 53-61.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000960
    摘要 ( 73 )   HTML ( 0 )   PDF (19804KB) ( 81 )   引文文本

    生物质多孔碳材料作为绿色环保的新能源材料,是近年来研究的热点。通过探讨不同工艺条件(烧结温度、活化剂以及原料与活化剂质量比)下制备的莴笋叶多孔碳材料(简写为LLs-温度-比例-活化剂)的储锂性能,优化了工艺条件。结果显示,每种材料均可见两个宽且弱的XRD衍射峰,分别在2θ=22°~26°和2θ≈43°,对应晶面(002)和(101),表明材料为有一定石墨化程度的无定形碳。另外,LLs-800-4R-K的首次放电比容量为674.5 mAh/g,循环200周次后的比容量为209.6 mAh/g,能量密度为146.8 Wh/kg,具有良好的循环性能和较高的比容量。从而得到最优工艺条件:烧结温度800 ℃、活化剂KOH、原料与活化剂质量比1:4。

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    综述
    电弧熔丝增材制造铝合金研究进展
    韩启飞, 符瑞, 胡锦龙, 郭跃岭, 韩亚峰, 王俊升, 纪涛, 卢继平, 刘长猛
    2022, 50 (4): 62-73.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000343
    摘要 ( 340 )   HTML ( 5 )   PDF (11774KB) ( 343 )   引文文本

    电弧增材制造因其独特的无模壳快速近净成形特点而备受关注,有望成为突破铝合金材料研发与工业应用瓶颈的先进制造技术。电弧增材技术在传统电弧焊接的基础上发展而来,二者均以高能电弧为热源、以金属丝材为原材料进行成形。本文综合分析了电弧增材制造工艺与设备研发现状、凝固与固态相变特性、显微组织特点、冶金缺陷概况以及力学性能特点,论述了热丝及多丝增材制造技术前景和电弧增材制造独特的成形方式与相变显微组织特征。针对电弧增材制造铝合金制造精度及稳定性较差、气孔及热裂缺陷严重、材料力学性能优势不突出的问题,提出了电弧增材制造专用设备开发、熔丝累加快速凝固冶金缺陷控制专用方法研发、专用材料成分及显微组织设计、专用热处理工艺制定等发展方向,为加快电弧增材制造铝合金高端化、定制化、专属化发展提供重要参考。

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    介电型石墨烯吸波复合材料研究进展
    杜宗波, 时双强, 陈宇滨, 褚海荣, 杨程
    2022, 50 (4): 74-84.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000914
    摘要 ( 87 )   HTML ( 2 )   PDF (4290KB) ( 91 )   引文文本

    石墨烯因其独特的介电特性、高比表面积、低密度等性质, 被认为是新一代吸波材料的有力候选。然而, 单一组分的石墨烯吸波性能不佳, 因此近年来石墨烯基吸波复合材料成为研究热点。本文介绍石墨烯及其复合材料的吸波机理与特性, 指出介电型石墨烯作为极具发展潜力的吸波复合材料具有轻质、高强、宽频、薄层的特点。从石墨烯基体与掺杂体两方面综述了介电型石墨烯吸波复合材料的研究进展。最后指出, 开发损耗能力强的新型介电掺杂体、构筑多组分吸波复合材料体系、建立通用的设计方法以及探索大批量的制备方法是未来的研究方向。

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    基于MXene的电化学传感研究进展
    陈达, 石宇晴, 张伟, 练美玲
    2022, 50 (4): 85-95.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000216
    摘要 ( 81 )   HTML ( 3 )   PDF (6664KB) ( 62 )   引文文本

    MXene是一种早期过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成的二维(2D)层状材料。由于MXene具有独特的层状形态、高电导率、高比表面积、优异的亲水性和良好的热稳定性等特性, 在物理、化学和纳米技术领域具有广阔的应用前景, 可应用于催化、储能和传感器等多种科学领域。本文主要综述基于MXene的电化学传感器的研究进展, 介绍电化学传感器的原理、构成, 传感界面修饰和MXene制备方法, 着重讨论MXene在电化学酶传感器、电化学非酶传感器、电化学免疫传感器、电化学适体传感器和电化学分子印迹传感器方面的研究进展, 指出MXene电化学传感领域工业化和商业化利用不足、新种类MXene开发的挑战, 对其在各类分析物检测、更多潜在领域的应用进行展望。

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    陶瓷电介质储能材料研究进展
    姜莹, 申心畅, 郭丽敏, 毕科, 王晓慧, 李龙土
    2022, 50 (4): 96-103.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000192
    摘要 ( 86 )   HTML ( 3 )   PDF (1665KB) ( 96 )   引文文本

    为了更好地推动高储能密度和高效率无铅陶瓷介质电容器的研究与发展, 本文综合介绍了陶瓷电介质储能材料的储能原理及分类, 比较分析了近年来线性电介质、铁电体、弛豫铁电体和反铁电体储能材料的研究进展, 主要研究体系和性能优劣。总结了陶瓷储能材料目前面临的挑战以及改善其储能性能的策略, 展望了其未来在5G通信、新能源汽车、消费电子等工业应用中的发展及小型化、高耐电压性、高可靠性的技术发展趋势。

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    研究论文
    氮掺杂多孔碳负载铜钴纳米复合材料的制备及其电催化性能
    任美娟, 王淼, 吴芳辉, 贾虎, 叶明富, 文国强
    2022, 50 (4): 104-111.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000267
    摘要 ( 63 )   HTML ( 0 )   PDF (7230KB) ( 67 )   引文文本

    先以ZIF-8作为前驱体采用简单的高温炭化法制备出氮掺杂多孔碳纳米多面体(NPC), 再通过一步化学还原法将铜和钴颗粒负载到多孔碳上, 成功制备出Cu@Co/NPC纳米复合材料。运用X射线粉末衍射仪、透射电子显微镜和X射线光电子能谱等手段对复合材料进行表征, 将该复合材料修饰到玻碳电极表面上, 研究其对肼的电化学响应。结果表明, Cu@Co/NPC纳米复合材料发挥出协同作用, 从而对肼展现出比单一组分修饰电极更优异的电催化作用。在优化的实验条件下, 复合材料修饰电极与肼的浓度在5~1850 μmol/L范围内呈良好的线性关系, 检测限达0.08 μmol/L。此外, 该复合材料修饰电极测定肼的稳定性、重现性以及选择性均较好, 已被成功用于环境水样中肼的检测, 结果令人满意。

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    连续制动条件下泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料的摩擦磨损性能
    惠阳, 刘贵民, 兰海, 杜建华
    2022, 50 (4): 112-122.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000520
    摘要 ( 71 )   HTML ( 1 )   PDF (23879KB) ( 191 )   引文文本

    为解决履带式特种车辆机械制动器过热失效问题, 采用挤压铸造法制备SiC/Cu和SiC/Fe双连续相复合材料, 研究两种材料在连续紧急制动工况和连续高温制动工况下的摩擦磨损性能。结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、三维形貌仪等手段分析摩擦因数、温度和磨损率的变化规律, 揭示相应的磨损机理。结果表明: 在连续紧急制动实验中, 接触表面经历了摩擦膜形成和层间断裂过程, 摩擦因数随接合次数增加略微下降, 并趋于稳定。在前40次接合中, SiC/Cu和SiC/Fe摩擦副的磨损率整体下降。在40~60次接合中, SiC/Cu摩擦副黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损加剧, 磨损率升高。而SiC/Fe摩擦副以磨粒磨损为主, 磨损率较低。在连续高温制动实验中, 摩擦因数在前6次接合中逐渐升高, 制动时间逐渐缩短。在第6次接合后, 摩擦副边缘区域出现的黏着磨损和疲劳磨损导致力矩下降, 摩擦因数和制动时间均呈先降后升趋势。连续高温制动过程中以严重的黏着磨损为主, SiC/Cu和SiC/Fe摩擦副的磨损率均随接合次数增加而升高。

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    氮掺杂石墨烯原位生长碳纳米管复合过渡金属催化剂的制备及电催化性能
    张婷, 李生娟, 吉莹, 于沺沺, 李田成, 薛裕华
    2022, 50 (4): 123-131.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000176
    摘要 ( 58 )   HTML ( 1 )   PDF (21280KB) ( 46 )   引文文本

    采用直接热解法, 以石墨烯为载体, 2-甲基咪唑锌盐MAF-4(ZIF8)为模板, 尿素提供碳和氮源, Fe为过渡金属源, 合成氮掺杂石墨烯(N/GO)和Fe-ZIF8(N-GO@Fe/ZIF8)的复合催化剂, 并组装成锌空气电池。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及电化学工作站等分析手段对催化剂的形貌、结构及电化学性能进行表征。结果表明: 合成的N-GO@Fe/ZIF8-900催化剂具有优异的氧还原/氧析出(ORR/OER)性能。氧还原半波电位达到0.885 V, 优于Pt/C(0.856 V), 氧析出时, 在10 mA/cm2的电流密度下对应电位为1.811 V, 优于贵金属Pt/C(1.968 V), 与IrO2(1.75 V)性能相当。组装成锌空气电池后, 比能量和功率密度分别达到886.2 mW·h·g-1和73.44 mW/cm2, 高于贵金属Pt/C的比能量(791.04 mW·h·g-1)和功率密度(57.12 mW/cm2)。

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    铁氮掺杂活性炭载体增强碳载铂基催化剂氧还原反应稳定性
    李茂辉, 杨智, 潘廷仙, 同鑫, 胡长刚, 田娟
    2022, 50 (4): 132-138.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000232
    摘要 ( 74 )   HTML ( 0 )   PDF (7584KB) ( 57 )   引文文本

    修饰和改良载体是改善质子交换膜燃料电池阴极铂基催化剂性能的主要途径。以铁氮(FeN)掺杂活性炭(Black Pearl 2000, BP)为载体, 获得负载型铂基催化剂。使用电化学方法对催化剂的氧还原反应活性以及稳定性进行测试, 采用X射线衍射仪、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等分析手段对载体及催化剂结构进行表征。结果表明: Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位均为0.94 V, 具有相当的氧还原反应初始活性; 老化测试后, Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位损失分别约为10, 30 mV, 半波电位损失分别约为5, 60 mV, Pt/FeN-BP催化剂的稳定性明显优于商业Pt/C催化剂。这是因为, 铁氮掺杂碳载体具有适中的比表面积和孔径大小, Pt颗粒在载体上以小粒径的状态存在且老化测试后Pt颗粒无团聚现象, 以及载体与Pt颗粒之间可能存在一定的相互作用。

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    TA15钛合金表面原位合成TiC增强钛基激光熔覆层的组织与耐磨性
    安强, 祁文军, 左小刚
    2022, 50 (4): 139-146.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000996
    摘要 ( 66 )   HTML ( 2 )   PDF (10062KB) ( 57 )   引文文本

    采用激光熔覆技术在TA15钛合金表面原位合成TiC增强钛基涂层。利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、能谱分析仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机等研究涂层的成形质量、微观组织、物相组成、硬度和摩擦学性能。结果表明: 涂层主要由β-Ti, Co3Ti, CrTi4和TiC等物相组成, 涂层与基体形成了良好的冶金结合。涂层结合区组织是平面晶和柱状晶, 中部组织是树枝晶, 顶部组织是等轴晶。涂层各微区的碳化钛形貌有显著差别, 其中顶部和中部区域碳化钛为粗大的树枝状和花瓣状, 而结合区为针状和近球状。涂层显微硬度最大值为715HV, 约是TA15显微硬度(330HV)的2.1倍; 同等条件下涂层磨损量为30.14 mg, 约为TA15磨损量98.11 mg的30.7%。涂层与基体的磨损机制均为磨粒磨损和黏着磨损的复合磨损模式, 但涂层的磨损程度较轻。

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    Ti-22Al-23Nb-1Mo-1Zr合金环锻件组织演变及力学行为
    刘石双, 周毅, 李娟, 曹京霞, 蔡建明, 黄旭, 戴圣龙
    2022, 50 (4): 147-155.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000590
    摘要 ( 85 )   HTML ( 2 )   PDF (27391KB) ( 71 )   引文文本

    以五元系Ti2AlNb合金Ti-22Al-23Nb-1Mo-1Zr(原子分数/%)环锻件为研究对象, 借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和力学性能检测设备, 研究合金在不同固溶温度(850, 880, 900 ℃)+750 ℃时效处理工艺下的组织演变、拉伸性能及断裂行为。结果表明: 固溶处理后, 随固溶温度的增加, 细片层O相易固溶于B2相基体中, 粗片层O相逐渐粗化, O相体积分数下降; 后经时效处理后, 有少量细片层O相从B2相基体中析出, 粗片层O相进一步粗化, O相体积分数趋于一致; 合金强度随固溶温度增加呈下降趋势, 而塑性呈上升趋势; 拉伸断口形貌为典型解理和韧窝混合断裂的准解理特征, 纵向断口存在微裂纹、滑移特征以及沿拉伸方向伸长的弯曲片层O相; 位错在B2/O相界塞积, 片层O相尺寸细小, 能够有效减小位错滑移距离, 使得合金强化作用较强。

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    不同热氧环境对T800碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响
    贾耀雄, 许良, 敖清阳, 张文正, 王涛, 魏娟
    2022, 50 (4): 156-161.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000678
    摘要 ( 81 )   HTML ( 4 )   PDF (11179KB) ( 125 )   引文文本

    不同热氧环境(70, 130, 190 ℃)对碳纤维复合材料的性能有着重要的影响。分析了不同热氧环境下T800碳纤维/环氧树脂复合材料的失重特性, 并对比了老化前后的表面形貌、红外光谱、动态力学性能和层间剪切性能。结果表明: 在热氧老化初始阶段, 质损率急速上升, 老化温度越高质量损失越快; 试样表面形貌随热氧温度的升高其破坏程度逐渐加剧, 在190 ℃老化后, 纤维表面树脂脱落严重, 纤维与纤维之间出现裂缝空隙, 无树脂填充, 在此老化温度下, 试样发生了不可逆化学变化; 试样的玻璃化转变温度会随老化温度的升高而变大, 但内耗呈现先降低后增大再降低的趋势, 在70, 130, 190 ℃热氧老化后试样剪切强度分别提高6.0%, 13.7%和2.1%。相关实验结果和实验现象可为后续研究新型国产T800碳纤维/环氧复合材料提供数据参考。

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    低周疲劳变形过程中Fe-33Mn-4Si合金钢的微观组织演变
    孙琦迪, 杨蔚涛, 郝庆国, 关肖虎, 章斌, 杨旗
    2022, 50 (4): 162-171.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000556
    摘要 ( 76 )   HTML ( 1 )   PDF (29369KB) ( 64 )   引文文本

    借助X射线衍射和电子背散射衍射, 研究低周疲劳变形过程中Fe-33Mn-4Si合金钢的微观组织演变及其对力学行为的影响。结果表明: 实验用钢的原始微观组织由奥氏体和热诱发ε马氏体两相组成。原始组织通过影响变形过程中ε马氏体相变来影响实验用钢的低周疲劳变形行为。在变形初期(100周次内), 随循环周次增加, ε马氏体含量迅速增加并且马氏体不同变体之间频繁相互交叉作用, 使实验用钢的平均峰值应力和循环加工硬化程度快速增加; 随后至疲劳断裂, ε马氏体成为变形微观组织中主要组成相, ε马氏体含量和马氏体不同变体的交叉频次随循环周次的增加而增速放缓, 导致平均峰值应力和循环加工硬化程度的增速也明显减缓。

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    D6A钢在轧制过程中的强韧化机理
    张小丽, 冯晓伟, 申勇峰
    2022, 50 (4): 172-180.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001101
    摘要 ( 73 )   HTML ( 3 )   PDF (17812KB) ( 69 )   引文文本

    通过轧制-热处理工艺能够使D6A钢的强度显著提高。为了探究其强韧化机理, 本实验采用热轧及两相区温轧退火工艺, 获得微米级D6A合金钢样品, 微观组织为铁素体基体及粒状渗碳体。通过室温拉伸实验、SEM、X射线衍射、EBSD等手段对实验钢的显微组织和力学性能进行表征, 结果表明: 随着变形量的增加, 晶粒尺寸由4.5 μm细化为1.5 μm, 渗碳体的含量逐渐增加, 小角度晶界的比例升高, 屈服强度和抗拉强度不断增加, 伸长率略有降低, 说明轧制过程使亚晶粒的尺寸不断降低, 晶界面积增加, 位错滑移受到的阻力增大。同时, 本研究对不同轧制变形量实验钢的位错密度进行计算, 当轧制变形量为88%时, 位错密度最高, 此时加工硬化的程度最高。随着变形量的增加, 第二相强化和晶粒细化引起的强度增量呈不断上升的趋势, 位错强化引起的强度增量先升高后降低, D6A钢的主要强化方式为第二相强化、细晶强化及位错强化。

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