金属功能材料
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2024年 31卷 1期
刊出日期：2024-02-20
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研究与技术
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镁离子电池的工作原理与关键材料
谢清水 汪依依 夏丽 张一鸣 瞿佰华 王敬丰 周小元 彭栋梁
镁离子电池具有原料丰富、成本低廉、环境友好以及高体积比容量等优点，近年来备受广泛研究。然而，充放电过程中缓慢的Mg2+扩散动力学性能、镁金属负极表面钝化层的形成以及电解液对空气敏感、腐蚀性强与电压窗口低等问题阻碍了其发展和实际应用。探索合适的电极材料以及与之兼容性好的电解液对镁离子电池的发展至关重要。本文简述了镁离子电池的工作原理，总结了镁离子电池正极、负极材料以及电解质的研究现状，并探讨了它们存在的问题以及相应的解决策略，旨在推动镁离子电池的进一步发展。
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研究与技术
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残余Ti含量对H13钢中一次碳化物特征的影响
黄宇 肖丙政 彭学艺 邓伟 成国光
本文在实验室研究了残余Ti含量对于H13钢中一次碳化物特征的影响。通过实验室冶炼不同残余Ti含量的H13钢钢锭和有机溶液电解相结合的方法，从三维观察的角度系统地分析了残余Ti含量对于富V碳化物和富Ti-V碳化物的数量密度和平均三维尺寸的影响。研究结果表明：三维观察更能真实反映H13钢中一次碳化物的相关特征，一次碳化物的三维形貌为典型的“树状”结构；随着残余Ti含量的逐渐增加，一次碳化物的数量密度和平均三维尺寸逐渐增加；当残余Ti含量小于40ppm时，钢中仅存在富V碳化物，当残余Ti含量大于40ppm时，钢中同时存在富Ti-V碳化物和富V碳化物；残余Ti含量的增加改变了一次碳化物的种类、促进了一次碳化物的提前析出，这是导致其数量密度和平均三维尺寸增加的直接原因。
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放电等离子烧结制备钛基复合材料及其力学性能研究
宋光远 雷鹰 陶磊 李雨 雍超
本文采用放电等离子烧结法制备了(TiC+TiB)/TC4复合材料，首先对球磨工艺进行了优化，并研究了烧结温度对钛基复合材料物相组成、微观结构和力学性能的影响。结果表明， 200r/min球磨8小时为最佳球磨参数，既可以将增强相粘附到基体粉末表面，又不会破坏分体形貌。采用SPS温度为1000-1150℃原位合成制备出5vol.%(TiC+TiB)/TC4复合材料，TiCp和TiBw呈准连续的网状结构分布在晶界处。随着SPS温度的升高，复合材料的强度和工程应变先增加后减少，并在1100 ℃时均达到最大1722MPa和28.31%，以此确定了最佳的SPS温度。
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基于第一性原理与机器学习的碳含量对钢铁材料抗氢性能影响研究
米志杉 范秀如 杨丽 孙旭 李双权 张国信
铁素体钢中的氢脆问题一直是研究者们关注热点，尤其是不同碳含量对钢铁材料抗氢性能的影响还不清晰。本文采用第一性原理计算与机器学习算法相结合的方法，构建了铁-碳-氢体系高精度的机器学习力场（MLFF），通过分子动力学模拟来研究不同碳含量钢中氢原子的扩散行为。高精度的机器学习力场利用神经网络( NN)模型学习多种构型的第一性原理分子动力学（AIMD）结果获得，为了保证机器学习力场能够很好地描述铁-碳-氢体系的统计特性和动力学特性，进行了多种测试。利用该机器学习力场，对不同碳含量的铁素体钢进行了分子动力学模拟，计算了其氢扩散系数。我们发现，随着碳含量的增加，氢的扩散系数总体呈下降趋势，与实验结果吻合较好。本文建立的算法模型可分析碳含量对钢铁材料抗氢性能的影响，对钢铁材料氢致损伤研究及成分设计具有重要意义。
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相同截面面积不同截面形式的钢管混凝土柱轴压性能研究
詹界东
采用钢管混凝土构件替代传统的钢筋混凝土构件，不仅能够提高构件的承载能力，还可以减少构件的截面尺寸，并且钢管混凝土柱有着强度高、重量轻、延性好、耐疲劳和耐冲击等优越的力学性能，除此之外，还具有省工省料、架设轻便、施工快速等优越的施工性能。为了探究试件含钢率、核心混凝土强度以及相同截面尺寸下的不同截面形式对于钢管混凝土柱轴心受压力学性能的影响，采用ABAQUS有限元软件建立了方形和圆形钢管混凝土柱，并对其进行了轴压性能分析。研究发现，含钢率的提升对于圆钢管混凝土极限承载力的提升较大，核心混凝土强度的提升对于方钢管混凝土的极限承载力提升较大，而不同截面形式对于极限承载力虽有提升但影响并不明显，但是对于其应力应变曲线有着较大的影响，从曲线上来看圆形试件相较于方形试件有着更好的延性。
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热处理工艺对40CrNiMo钢组织及力学性能的影响
张可 魏宏宇 魏伟 张彬 张明亚 吴群
摘要：采用OM、SEM、EBSD和Vickers硬度计等手段，并结合低温冲击试验，研究了不同淬火温度对40CrNiMo钢回火组织及其力学性能的影响。结果表明：当淬火温度为700和740 ℃时，40CrNiMo钢回火组织均为铁素体和回火索氏体，回火硬度差异不大，分别为196.2 HV和194.0 HV，随着淬火温度继续升高至850 ℃时，淬火回火组织为回火索氏体，实验钢的硬度达到最大值235.7 HV；在回火温度为630 ℃时，不同淬火温度对40CrNiMo钢冲击性能影响不大，-20 ℃冲击功基本保持在26-30 J，当淬火温度为850 ℃时，由于缺少铁素体，冲击功略微下降，为26.3 J，此时综合力学性能较好。
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碳材料与钴铝氢氧化物复合材料的制备与性能研究
王静 陈啸 张磊 尚晨伟 田宇 徐立新 李育飞
为了解决能源短缺等环境要求问题，超级电容器以其快速充放电的优势和优异的储能性能逐渐出现在人们的视野中。其中，电极材料是影响超级电容器性能和成本的关键因素。由于其独特的性能，碳材料是第一批用于超级电容器的材料。因此，在碳纳米管功能化的基础上，本工作研究了将碳量子点与功能化的碳纳米管添加到钴铝双金属氢氧化物中，合成的CQDs/CoAl-LDH和FMWCNTs/CoAl-LDH二元复合材料，增大了双金属氢氧化物的比表面积，使结构更加稳定，在导电性、比电容、电化学循环稳定性等方面均得到了提升。
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V和Co添加对Fe-36Ni因瓦合金显微组织和性能的影响
杨枭 栗克建 何博 胡瑜 朱斌 吕俊杰 曹鹏军
合金元素添加以增强因瓦合金力学性能而通常导致因瓦合金的膨胀系数大幅增加。本研究基于VC析出强化机理、Co元素抑制因瓦合金热膨胀原理，探究了不同C、V添加量对Fe-36Ni因瓦合金的显微组织、物理性能及热膨胀性的影响。利用OM、EBSD、TEM、电子万能拉伸实验机及热膨胀仪等方法对合金显微组织进行表征和性能测试。结果表明，随着C、V添加量的增加，合金的晶粒尺寸逐渐减小，显微组织硬度随之提高，200℃中温下屈服强度和抗拉强度分别达到了295Mpa和588Mpa，较原始因瓦合金有显著提升，而热膨胀系数α20-220℃=3.3686×10-6/℃，仍保持在较低水平，这主要归因于适量Co元素的加入。固溶强化、细晶强化和第二相析出强化是因瓦合金力学性能提升的主要原因。本研究对新型因瓦合金的合金成分优化和综合性能提升具有一定参考意义。
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均匀化退火对车用1235铝合金板组织与性能影响
谭国寅
采用OM、扫描电镜和拉伸试验机研究了均匀化退火温度与时间对车用1235铝合金铝板组织与性能影响。结果表明：退火温度对晶粒长大速度有着显著的影响，晶粒在高温条件下获得了充足的激活能，得以在短时间内迅速长大。晶粒尺寸与退火温度时间之间并非一直呈线性关系。540℃退火2h后，在合金内形成了大量3-7μm的析出相粒子，该粒子为再结晶形核提供了充足且有效的形核衬底，同时能有效的阻碍晶界迁移，阻止再结晶晶粒的持续长大。与500℃退火后的组织相比，晶粒的数目更多尺寸更小。综合考虑后续加工工艺制订和客户对产品性能的要求，500℃×4h的均匀化退火制度是最佳选择。
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时效时间对激光增材TC4钛合金组织性能影响
陈瑞鹏 郑丹 夏浩 刘君 李长新
本文通过激光粉末床熔融技术制备TC4钛合金，然后对成形的TC4合金进行直接时效热处理，研究了不同时效时间对激光粉末床熔融成形TC4钛合金的组织及性能的影响。时效处理后的组织有β相析出，起到第二相强化作用，随着时效时间的增加，析出的β相增多，强度增多，6h性能最好；随着时效时间继续增加，β相长大，强度下降。由TEM结果可知时效处理后有大量孪晶，所以塑性较好。550℃/6h时效态抗拉强度为1204.6MPa，屈服强度为866.0MPa，断后伸长率为11.3%。与打印态相比，时效处理后的硬度有明显提高，时效热处理后的显微硬度能够达到394.4HV。
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金属增材制造残余应力研究现状分析
邬小萍
金属增材制造(MAM)过程中形成及不断累积的残余应力，对构件尺寸稳定性、耐腐蚀性能、抗裂纹扩展性能和力学性能产生显著影响，本文全面综述了MAM构件残余应力的形成机理、影响因素、测试表征、模拟仿真及主动调控等方面的最新研究成果，并基于技术现状，总结了残余应力测试、仿真、调控等技术存在的问题和难点，并展望了未来的发展趋势，为研究者提供有关MAM残余应力的最新信息和知识，以期为开发一种系统的残余应力控制技术提供一些实用的启示。
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卧式炉热镀锌线生产双相钢DP600冷却工艺研究与生产实践
张益龙 林红春 蔺宏涛 吴剑胜
摘要：本论文通过热模拟实验，绘制出动态CCT曲线，明确了生产双相钢DP600的冷却速率、相变时间需求及相变温度区间。根据动态CCT曲线，结合钢厂热镀锌生产线卧式退火炉的加热能力、冷却能力和镀后冷却能力情况，通过生产验证热模拟实验的结果，成功开发了双相钢DP600。
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温度对不同材料铅酸蓄电池极板老化的影响研究
宫云茜 郁金星 李栋 王新刚 傅春明
铅酸蓄电池是变电站直流系统中最为常见的电源，在站用交流失电的情况下，能够及时向保护、测控等直流负荷供电。但阀控式铅酸蓄电池经较长时间运行后，较易出现极板老化的问题。研究温度变化对极板老化缺陷的影响。考虑温升条件的影响，制备了三组不同类型的蓄电池试样，分别使用铅钙板栅、铅锑板栅以及铅硒低板栅进行循环加速老化试验，测试每组试样在温升状态下的老化状态。经试验验证可知：在高温环境下（63℃）进行加速老化试验时，铅锑板栅和铅硒低板栅蓄电池的总容量明显低于铅钙板栅蓄电池，这表明这两组试样在高温条件下容易发生容量损失。同样，在该高温条件下，这两组试样的内阻与电流也明显高于铅钙板栅蓄电池，这说明它们在高温环境下的性能较差。内阻高会导致蓄电池充电和放电过程中能量损失增加，电流高可能会影响蓄电池的稳定性和寿命。此外，根据不同温度条件下（25℃、35℃和45℃）的测试结果，三组试样的放电时间逐渐加快，而电池容量则逐渐降低，这说明高温环境会加速蓄电池的老化过程，并导致电池容量损失。在三组蓄电池中，使用铅钙板栅的蓄电池极板在高温环境中使用寿命相对较长，老化速度最慢。
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电感耦合等离子体质谱法测定氢氧化镧中铝、锰、锌量
张红 刘玉宝 杨鹏飞 高日增 高立红
摘要：准确测定氢氧化镧中铝、锰、锌的含量，对其生产和应用研究具有重要意义。采用硝酸溶解样品，选择27Al、55Mn、64Zn为测定同位素，在1%（V/V）硝酸介质中，用铑内标校正基体效应，建立了电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定氢氧化镧中铝、锰、锌含量的方法。考察了基体浓度和内标元素对测定的影响。结果表明，在试验的基体质量浓度范围内，基体效应不显著，铑内标较铯、铟内标对被测元素的测定校正效果更好。实验选择10.00 ng/mL铑为内标，控制基体镧质量浓度为0.37 mg/mL。实验表明，各元素校准曲线的相关系数在0.9995以上，检出限为0.069 ppm~0.24 ppm，定量限为0.23 ppm~0.78 ppm。按实验方法测定氢氧化镧中铝、锰、锌含量，相对标准偏差（RSD，n=11）为1.22%~2.72%，加标回收率为90%~101%。
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采用钛基非晶态钎料真空钎焊Ti65高温钛合金研究
梅俊 祁焱 徐立红 臧岩 赵磊
为了实现高温钛合金Ti65的高质量钎焊连接，本文采用真空快淬技术及自研装备为了实现高温钛合金Ti65的高质量钎焊连接，采用真空快淬技术制备了以锆元素为变量的三种成分的钛基非晶态钎料，并根据三种钎料的最佳焊接工艺对Ti65进行了钎焊。采用扫描电子显微镜分析了三种钎料钎焊接头的微观组织与元素分布特征，并对比分析了接头室温和650℃拉伸性能。试验结果表明：三种钎料表面质量良好，无孔洞，均能实现Ti65连接，接头主要为片层状魏氏组织，但是Ti-13Zr-Cu-Ni钎料，存在连续的化合物相。力学性能结果表明，3中钎料的室温和650℃高温拉伸性能均能达到母材拉伸强度的90%以上，Ti-13Zr-Cu-Nir钎料的室温拉伸强度略低，断裂主要发生在接头界面处，表现为脆性断裂，Ti-Cu-Ni钎料室温和650℃高温拉伸试样断裂均发生在母材，呈现出与基体等强的力学性能。
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多层钢框架结构抗连续倒塌风险鲁棒性建模分析
赵峥
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