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机械工程学报
机械工程学报

宋天虎

半月刊

0577-6686

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010-88379907

100037

北京百万庄大街22号

机械工程学报/Journal JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊进登机械工程方面的基础理论、科研设计和制造工艺等方面的学术论文，报道自然科学基金项目论文和国外学者的论文反映本学科的最新发展和最新科研成果。在国内外机械科技领域享有很高声誉，并有较大影响。曾荣获“中国期刊奖”，在中国科协、北京市和全国科技期刊评比中均获得奖励。在国内已成为机械类和力学类核心期刊。已被美国工程索引（EI）等国内外20余种文摘刊物和数据库收录。
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    负膨胀材料在复合材料制备和钎焊中的研究进展

    顾磊王鹏程闫耀天陈海燕...
    1-20页
    查看更多>>摘要：负热膨胀(Negative thermal expansion，NTE)材料因其具有热缩冷胀的性质，故在调控材料热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion，CTE)方面表现出独特的优势，在复合材料和钎焊领域展现出巨大的潜力。目前NTE材料已在航天、生物医学以及电子信息等领域得到了广泛的应用。在制备复合材料时，将NTE材料作为增强相与正热膨胀材料结合，可以有效调节复合材料的热膨胀系数，将其控制在极低或接近零的水平。在金属基复合材料的制备过程中通过添加NTE增强相，以降低金属基复合材料的热膨胀系数，有效地减少了因热膨胀引起的内部应力，从而延长材料的使用寿命。在钎焊领域中，由于异种母材进行钎焊时热膨胀系数差异较大，接头中会产生较大的残余应力，从而严重影响钎焊接头的性能。在复合钎料中引入NTE材料降低其热膨胀系数，进而减小母材与钎缝之间的热失配，从而有效地降低了接头处的残余应力，以达到提高接头力学性能的目的。

    负膨胀材料钎焊金属基复合材料残余应力热膨胀系数

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    陶瓷-金属接头残余应力调控研究综述

    李淳陈雷司晓庆亓钧雷...
    21-39页
    查看更多>>摘要：陶瓷材料具有强度高、耐腐蚀性能好等优点，其与金属的连接结构可以满足航空航天、核能与化工等领域对结构的轻量化、高温与耐腐蚀日益提高的要求。但由于陶瓷与金属的热膨胀系数不匹配，焊接降温过程中会在接头内产生残余应力，削弱接头的连接质量。综述复合钎料法、中间层法与陶瓷表面结构设计法三种常用的陶瓷-金属接头残余应力调控方法的研究现状，并介绍超快激光与闪连两种新型局部加热陶瓷-金属焊接新方法的研究进展，讨论适用于陶瓷-金属接头残余应力测量方法及原理，并总结了陶瓷-金属接头残余应力分布测量的研究现状，最终展望了陶瓷-金属接头残余应力调控与测量未来的发展趋势。

    陶瓷金属残余应力调控残余应力测量

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    钛/钢异种金属焊接研究进展综述

    孙清洁陶玉洁刘一搏冯吉才...
    40-57页
    查看更多>>摘要：钛/钢异种金属结构件不仅可以发挥钛合金比强度高、耐蚀性好等优点，还可以兼顾钢材优异的焊接性和性价比，在石油化工、海洋工程及航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而，由于Ti、Fe之间的物理及化学性能差异较大，实现钛/钢结构件的可靠焊接极具挑战。界面脆性化合物的生成以及接头内部较大的残余应力是制约接头性能提高的主要原因。从界面能量调控、中间层冶金调控以及能场辅助热源调控三个角度出发，综述了焊接工艺、中间层种类以及辅助能场在钛/钢异种金属焊接领域的国内外研究进展，总结对比了合金元素、工艺参数等因素对接头宏观成形及界面微观组织的影响，分析了工艺-成形-组织-性能之间的内在关联。在此基础上，对钛/钢异种金属连接进行了总结与展望，拟为未来钛/钢连接的研究方向与技术突破提供参考。

    钛/钢异种金属焊接能量调控中间层调控能场辅助组织性能

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    铝/钢电阻点焊熔核流动行为及其作用机制研究

    李卓然杨炳鑫夏裕俊黄霜...
    58-67页
    查看更多>>摘要：汽车轻量化作为节能减排的重要手段，以铝/钢混合为代表的多材料混合车身已经成为汽车车身发展的重要趋势。面向轻量化铝/钢异质材料混合汽车车身制造，建立适用于铝/钢电阻点焊过程的"电-热-磁-流"多场耦合三维磁流体动力学仿真模型，研究电阻点焊过程中铝熔核的流动行为及其对温度分布的影响，揭示铝/钢异质材料点焊铝熔核形貌的形成机理。结果表明，铝侧熔核呈现内侧顺时针流动为主、外侧逆时针流动为辅的流动模式。这种熔核流动行为促使铝熔核高温区向熔核中部集中，强化了内侧流动，促进了热量由钢板通过界面进入铝板，并沿铝熔核厚度方向的传导。铝侧熔核因此形成内厚外薄的特征，呈现出紧贴铝/钢界面生长的独特"钟形"形貌。

    电阻点焊异质材料磁流体动力学仿真流动模式钟形熔核

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    界面间隙对纳秒激光连接石英玻璃/铜的影响

    潘瑞冯英豪蒋凡陈树君...
    68-75页
    查看更多>>摘要：纳秒脉冲激光相对于超短脉冲激光具有较大的熔化面积，所以使用纳秒激光极大地缓解了使用超短脉冲激光连接过程中对脆硬性透明材料/金属材料的间隙限制，为了确定纳秒激光连接脆硬性透明材料/金属的最大允许间隙以及不同间隙条件对连接效果的影响，探究不同界面间隙条件对石英玻璃/铜接头宏观和微观组织以及接头力学性能的影响。研究发现，随着界面间隙的增大接头剪切强度从27 MPa降低至10。5 MPa，界面最大允许间隙约为5 µm。石英玻璃/铜连接接头剪切强度数据误差棒较大的原因主要是脆硬性透明材料中常见的本征裂纹包括气孔和夹杂，气孔和夹杂的存在往往导致剪切强度具有离散型和偶然性。此外，发现纳秒激光连接石英玻璃/铜过程中裂纹产生的原因分为两类，一种是冷裂纹中的延迟断裂，另一种是热裂纹，通过调控工艺参数可以避免热裂纹的产生。

    界面间隙纳秒激光连接脆硬性透明材料金属机理分析

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    高熵碳化物陶瓷及其钎焊接头的组织和力学性能

    王颖木瑞洁牛士玉孙孔波...
    76-85页
    查看更多>>摘要：为了实现高熵碳化物陶瓷(High-entropy carbide ceramics，HECs)的大尺寸和复杂形状成形，通过热压烧结成功制备了七种不同组分的HECs，烧结的HECs均为单一岩盐结构的固溶体相，其中，(TiZrHfNbTa)C和(VNbTaMoW)C具有较高的弯曲强度，分别为494 MPa和476 MPa，且(TiZrHfNbTa)C的硬度高于(VNbTaMoW)C。在此基础上，以(TiZrHfNbTa)C为基体，采用TiNi-20at。％Nb合金和FeCoCrNiTi0。2高熵合金(High-entropy alloy，HEA)钎料制备了冶金结合良好的HEC接头。两种液态钎料中的活性Ti元素在HEC表面富集并诱导界面反应，这一过程导致界面的(Ti，Nb)C相和碳化物相(HEC')分别在HEC/TiNiNb/HEC接头和HEC/HEA/HEC接头中形成，由此产生的界面结构分别为HEC/(Ti，Nb)C/(Ti，Nb)2Ni/TiNi/(Ti，Nb)2Ni/(Ti，Nb)C/HEC 和 HEC/HEC'/HEA'/HEC'/HEC。在 1 180 ℃-10 min 的钎焊工艺参数下获得的 HEC/TiNiNb/HEC 接头具有201 MPa的抗剪强度。接头薄弱区为(Ti，Nb)2Ni相及其与(Ti，Nb)C层的界面。与之相比，HEC/HEA/HEC接头表现出更高的抗剪强度(>245 MPa)，但其钎焊工艺要求更高的温度(1 400～1 490 ℃)和更长的时间(30 min)。

    高熵碳化物陶瓷热压烧结钎焊接头界面结构力学性能

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    Al0.3CoCrFeNi高熵合金与YG15硬质合金钎焊接头组织及力学性能研究

    王鹏程李锦政刘维瀚陈海燕...
    86-93页
    查看更多>>摘要：AlxCoCrFeNi系高熵合金具有优异的韧性和耐腐蚀性，是深空探测、地质钻探等苛刻服役工况下的理想材料。但其硬度低、摩擦磨损性能差的缺点限制了进一步应用。硬质合金的突出特点是具有超高硬度和良好耐磨性。为使AlxCoCrFeNi系高熵合金适应摩擦磨损等恶劣服役环境，获得兼具高韧性与高硬度的复合构件。本研究采用BNi2钎料钎焊连接YG15硬质合金与Al03CoCrFeNi高熵合金，阐明了钎焊温度对YG15/Al0。3CoCrFeNi钎焊接头的微观组织形貌及其力学性能影响。结果表明:焊缝中心组织以Ni(s，s)为主，高熵合金侧扩散区由BNi2与基体在钎焊过程中互扩散形成，硬质合金侧形成了 W(s，s)相。典型接头微观组织结构为YG15/W(s，s)/Ni(s，s)+Cr0。8Ni0。2/HEA+Cr5B3/Al0。3CoCrFeNi。当保温时间一定时，随着钎焊温度的升高，接头的剪切强度先增大后减小，接头的失效发生在焊缝靠近硬质合金母材处。在1 080 ℃/10min的工艺参数下，接头的剪切强度最高可以达到354 MPa。研究实现了高熵合金与硬质合金的钎焊连接，获得了 YG15/Al0。3CoCrFeNi复合构件，为极端复杂服役环境下的高熵合金/硬质合金复合构件的制备提供了新的视野。

    钎焊硬质合金高熵合金界面组织力学性能

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    FeCuNiTiAl高熵合金中间层连接铝/钛异种金属电阻点焊接头的组织与力学性能

    乔宇曹睿南灏闫英杰...
    94-105页
    查看更多>>摘要：采用电阻点焊焊接方法对表面预先激光熔覆FeCuNiTiAl高熵合金(High-entropy alloy，HEA)的TC4钛合金板与6061铝合金板进行搭接试验，研究焊接电流和焊接时间对焊接接头界面组织和力学性能的影响。结果表明，试验所采用的FeCuNiTiAl HEA在TC4钛合金板表面的润湿性良好，焊后接头界面处未产生Ti-Al金属间化合物。随着焊接电流和焊接时间的增加，熔核直径增大，但受铝板减薄量的影响，接头的抗拉剪载荷呈先上升后降低的趋势。当焊接电流为3。0 kA，焊接时间为1。0 s时，接头抗拉剪载荷达到峰值，可达4。1 kN。与Ti/Al接头相比，添加FeCuNiTiAl HEA后接头抗拉剪性能提高19。07％。焊接接头断裂方式包括三种形式:铝/HEA界面处剪切撕裂断裂、焊点周围以"纽扣"状断裂和焊点边缘沿母材断裂。大部分接头断裂于铝母材一侧，说明以FeCuNiTiAl HEA为中间层的6061铝合金与TC4钛合金的点焊接头焊接质量良好。

    铝/钛焊接接头电阻点焊高熵合金界面组织力学性能

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    钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接数值模拟与金属间化合物层的演变预测

    张贤昆石磊武传松刘小超...
    106-115页
    查看更多>>摘要：搅拌摩擦焊非常适合于钛/铝异种结构的制造，但工艺参数对钛/铝搅拌摩擦焊过程中传质和传热的影响和界面金属间化合物的精准调控仍需要深入研究。基于流体动力学和固相扩散理论，针对不同焊接速度条件下钛/铝搅拌摩擦焊过程中的温度场、材料流动及金属间化合物的生长进行模拟和对比分析。研究发现，焊接速度的变化对钛/铝异种金属搅拌摩擦焊过程中的峰值温度影响小于对高温持续时间的影响。模型表明，15 mm/min焊接速度下的高温持续时间约为60 mm/min焊接速度的四倍，但两者界面处峰值温度差异仅约为40 K。金属间化合物的生长主要受峰值温度和高温持续时间的影响，高温持续时间的增加是低焊速条件下金属间化合物增厚的主要原因。高焊速下，焊缝底部材料流动不充分是导致未焊合缺陷产生的根本原因。通过试验测温、TMAZ边界测量及IMCs厚度测量，验证了模型的准确性。

    铝/钛异种搅拌摩擦焊流体动力学模型温度场固相扩散理论金属间化合物

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    钎料成分及钎焊温度对Ti2AlNb与GH4169合金钎焊接头组织性能的影响

    张振阳王景宽李鹏王银晨...
    116-129页
    查看更多>>摘要：Ti2AlNb与GH4169合金的可靠连接对降低飞行器重量、提高飞行效率，并拓展Ti2AlNb合金的应用范围有重要意义。针对钛铝系合金与镍基高温合金焊后接头易产生较大残余应力和多种TiNi脆性金属间化合物的问题，本研究基于界面相容性原则设计了类Ti元素与类Ni元素接近1∶1的(TiZrHf)50(NiCu)45Al5高熵非晶钎料，研究不同钎料成分和钎焊温度对Ti2AlNb与GH4169合金钎焊接头界面组织及性能的影响规律。结果表明:(TiZrHf)50(NiCu)45Al5钎料钎焊接头典型界面组织为Ti2AlNb合金/B2+固溶了 Ni 和 Cu 元素的 Ti2AlNb 相(Ⅰ 区)/(Ti，Zr，Hf)(Ni，Cu，Al)2+(Ti，Zr，Hf)(Ni，Cu)2(Ⅱ 区)/(Ni，Cr，Fe，Ti)ss+(Ni，Cr，Fe)ss(Ⅲ区)/GH4169合金。钎料成分和钎焊温度分别对钎缝Ⅱ区反应物相形成与反应物相组织演变有较大影响。采用(TiZrHf)30(NiCu)65Al5 钎料钎缝 Ⅱ 区主要由(Ti，Zr)(Ni，Cu，Al)2 相、Al(Ni，Cu)2Ti 相和 Ti(Ni，Cu)2 相组成，采用(TiZrHf)40(NiCu)55Al5钎料钎缝Ⅱ区主要为(Ti，Zr，Hf)(Ni，Cu)相。随钎焊温度升高，钎缝Ⅱ区厚度呈现先减小后增加的趋势。采用(TiZrHf)50(NiCu)45Al5钎料钎焊接头在1 035 ℃/15 min时剪切强度达到最大为305 MPa。断裂主要发生在母材与钎料的界面处，随钎焊温度升高，接头断裂位置逐渐转移至钎缝Ⅱ区，断口形貌为典型的解理断裂特征。钎焊接头界面组织的形成机理可划分为原子的固态扩散、液相生成与冶金反应、等温扩散凝固和反应物相生长与演变四个阶段。

    异种材料连接钎料设计钎焊界面组织力学性能

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