工程科學學報

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期刊信息

月刊，1955年創刊

ISSN 2095-9389

CN 10-1297/TF

主管單位：教育部

主辦單位：北京科技大學

編　　輯：《工程科學學報》編輯部

出　　版：科學出版社

主任委員：楊仁樹

副主任委員(主編)：吳愛祥

地　　址：北京市海淀區學院路30號

電　　話：(010)62333436

傳　　真：(010)62333436

郵發代碼：82-303

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2019年第41卷第7期

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基于霍爾-埃魯特電解法制備鋁合金技術研究進展

張城, 薛濟來, 劉軒, 李想, 朱駿, 劉翹楚, 錢義

2019, 41(7): 835-846. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.001

[摘要](1677)

[HTML全文] (711)

[PDF 4761KB](57) [施引文獻] ()

摘要:
現代霍爾-埃魯特(H-H)法鋁電解槽規模大、工藝成熟, 利用該法電解制備鋁基合金具有明顯技術和經濟優勢. 目前國內外研究主要是在現有氟化物熔鹽體系中添加多種合金元素氧化物, 合理調節電解質成分和工藝參數, 借助共電沉積和欠電位機制, 成功制備出多種鋁基合金, 工業化試驗亦有初步成果. 本文綜合分析了上述進展及發展前景, 并指出在實現合金組成精準調控、合金產品成分均勻化、電解槽高電流效率運行等方面存在的問題, 旨在為相關研究提供參考.

高耐蝕鋅鋁鎂鍍層研究現狀

杜昕, 張滿倉, 段生朝, 徐榮嬛, 鄒明, 董世文, 郭漢杰, 郭靖

2019, 41(7): 847-856. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.002

[摘要](1533)

[HTML全文] (628)

[PDF 7893KB](122) [施引文獻] ()

摘要:
從鋅鋁鎂鍍層的熔池界面反應、鍍層組織、表面和切邊腐蝕機理、腐蝕產物類型變化等方面, 對高耐蝕鋅鋁鎂鍍層的研究進展進行了詳細分析. 根據Al成分含量的不同, 將商用及實驗室鋅鋁鎂鍍層分為"低鋁"、"中鋁"和"高鋁"鋅鋁鎂三種類型: 不同類型的鋅鋁鎂鍍層的金屬間化合物層生長動力學存在差異, 為了控制鍍層厚度, 應合理控制浸鍍時間、溫度與熔池成分; 凝固組織也存在差異, "低鋁"與"中鋁"會析出Al或Zn初晶、Zn/MgZn₂二元共晶組織、Zn/MgZn₂/Al三元共晶組織, "高鋁"會產生富Al枝晶、枝晶間富Zn相、Mg₂Si相、MgZn₂相, 不產生共晶組織; 發生表面腐蝕時, "低鋁"與"中鋁"中MgZn₂相先電離, 并生成堿性鋅鹽、雙層氫氧化物等致密的腐蝕產物, 抑制腐蝕; 發生切邊腐蝕時, 鋅鋁鎂會出現自修復現象, 在切邊鋼基或鍍層破損處形成堿性鋅鹽, 保護基體.

外控電位法浮選分離黃銅礦和輝鉬礦

宋坤, 宋永勝, 張其東, 李文娟, 樂觀

2019, 41(7): 857-863. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.003

[摘要](918)

[HTML全文] (373)

[PDF 2091KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
利用自制外控電位浮選槽研究了礦物粒度、礦漿pH值、外控電位大小等因素對黃銅礦和輝鉬礦浮選行為的影響, 從而找到二者分離的條件并進行了銅鉬混合精礦的外控電位浮選分離, 采用循環伏安測試和腐蝕電偶測試驗證了上述試驗結論. 研究結果表明, -150+31 μm的黃銅礦受外控電位影響大, 容易被抑制, 而輝鉬礦則不容易被抑制. -31 μm的黃銅礦和輝鉬礦可浮性均較差, 受外控電位影響較小. 外控電位浮選在堿性條件下進行有利于實現抑銅浮鉬. 在pH值11的條件下, 抑銅浮鉬的最佳分離外控電位為-1100~-700 mV(vs Ag/AgCl). 在pH值為11、外控電位-800 mV(vs Ag/AgCl)的條件下對多寶山銅鉬混合精礦進行浮選分離, 經過一次浮選分離可得到鉬回收率80.57%、銅回收率10.19%的鉬粗精礦, 輝鉬礦和黃銅礦的浮游差達到70.38%, 這使外控還原電位下浮選分離黃銅礦和輝鉬礦成為可能. 另外, 腐蝕電偶測試結果表明: 黃銅礦和輝鉬礦間的電偶腐蝕對于抑銅浮鉬浮選有促進作用.

循環荷載下花崗巖應力門檻值的細觀能量演化及巖爆傾向性

張英, 苗勝軍, 郭奇峰, 王培濤

2019, 41(7): 864-873. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.004

[摘要](938)

[HTML全文] (351)

[PDF 9006KB](29) [施引文獻] ()

摘要:
為研究三軸循環加卸載條件下三山島花崗巖細觀能量演化規律, 采用顆粒流理論確定了花崗巖的應力門檻值(起裂應力σ_ci、損傷應力σ_cd和峰值強度σ_f), 研究了應力門檻值對應的邊界能、應變能(線性接觸應變能和平行黏結應變能)、耗散能(摩擦能和阻尼能)、動能隨圍壓變化的規律, 并從能量角度建立了巖爆傾向性評價指標W_x. 結果表明: 三山島花崗巖不同圍壓下相應的σ_ci/σ_f位于37.0%~44.8%區間, σ_cd/σ_f位于81.2%~89.0%區間, 隨著圍壓的增大, 起裂邊界能、應變能和耗散能呈線性關系增加, 損傷(峰值)邊界能、應變能和耗散能呈指數關系增加; 其中耗散能受圍壓影響最為敏感, 增幅倍數最大, 其次是邊界能, 最后為應變能. 圍壓對起裂應變能比例影響不大, 損傷和峰值應變能比例隨圍壓增大緩慢減小, 峰值應變能比例下降幅度最大. 基于巖爆傾向性評價指標W_x可知, 當圍壓在20 MPa內, 三山島花崗巖巖爆傾向性相對較小; 當圍壓達到30 MPa時巖爆傾向性開始迅速增加. 研究成果為巖爆傾向性的評價提供了新的參考指標, 進一步為井下巖體工程的穩定性研究提供了新思路.

基于全波形的煤樣單軸壓縮破壞聲電時頻特征

婁全, 何學秋, 宋大釗, 李振雷, 王安虎, 孫冉

2019, 41(7): 874-881. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.005

[摘要](1089)

[HTML全文] (545)

[PDF 5711KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
建立了煤巖受載破壞聲電全波形同步采集系統, 對煤樣單軸壓縮破壞過程中的聲電信號進行了全波形采集, 研究了聲電信號能量與載荷降之間的相關關系, 并分析了聲電信號的頻譜特征. 結果表明: (1)煤體受載破壞過程中產生顯著的聲電信號; 電磁輻射信號是陣發性的, 僅伴隨載荷降和較高強度聲發射信號出現; (2)相對于聲發射, 電磁輻射與載荷降有更好的相關性; 與煤體受載破壞的能量釋放累積量相關聯的聲電信號能量和載荷降累計值三者之間均呈高度正相關; (3)電磁輻射優勢頻帶窄于聲發射, 前者主要集中在1~25 kHz, 后者主要集中在1~280 kHz; 受同一裂紋萌生和擴展的影響, 兩者在頻譜和主頻分布上都有近似的低頻成分.

Nb在高鋁鐵素體鋼中的固溶析出行為

劉鵬程, 徐翔宇, 劉倩男, 李建赭, 劉丹, 延澤鵬, 孫明煜, 王學敏

2019, 41(7): 882-888. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.006

[摘要](1146)

[HTML全文] (519)

[PDF 3989KB](41) [施引文獻] ()

摘要:
采用電解相分析方法, 結合X射線衍射分析和電感耦合等離子體原子發射光譜儀(ICP)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等對高鋁鐵素體基體中的析出相顆粒粉末和電解液進行定性定量分析. 試驗結果表明, 試驗鋼中固態析出相主要為NbC以及少量的Al₂O₃和AlN夾雜. 通過掃描電鏡觀察不同再加熱溫度下NbC分布狀態, 發現隨著固溶溫度的升高, 鑄態組織中存在的NbC析出逐漸回溶, 數量隨之減少且發生明顯的粗化行為. 當溫度升高到1100℃, 大部分NbC已經回溶到高溫鐵素體基體中. 在利用Thermo-Calc熱力學計算軟件分析Nb及其碳化物的熱力學性質基礎上, 計算得到Al與Nb的相互作用系數, 表明Al能夠降低Nb在鐵素體基體中的活度, 提高其在基體中的固溶度, 進一步得到了NbC在高鋁鐵素體鋼中的固溶度積公式, 發展了高溫鐵素體中的Nb微合金化理論, 為進一步的應用提供了理論基礎.

富Nb復合碳氮化物對22Cr15Ni3.5CuNbN奧氏體鋼焊接模擬熱影響區組織和性能的影響

黃一君, 張麥倉, 謝錫善

2019, 41(7): 889-897. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.007

[摘要](1050)

[HTML全文] (441)

[PDF 25520KB](29) [施引文獻] ()

摘要:
采用Gleeble熱模擬的方法, 通過模擬焊接過程中快速加熱和冷卻的熱循環過程, 得到1150~1300 ℃不同峰值溫度下22Cr15Ni3.5CuNbN奧氏體鋼擴大的熱影響區組織, 并對其進行沖擊性能分析. 對熱影響區組織的研究表明, 實驗鋼的母材中存在一定量富Nb復合碳氮化物, 有效釘扎晶界, 且與大量位錯纏結. 在焊接過程中, 該富Nb復合碳氮化物經歷溶解與重新析出的復雜過程: 當峰值溫度為1150 ℃時, 僅小顆粒的富Nb碳氮化物發生了溶解, 而峰值溫度為1300 ℃時, 富Nb復合碳氮化物經歷溶解與重新析出, 呈現網狀的組織形貌, 且其整體尺寸增加. 富Nb復合碳氮化物的演化導致了沖擊功的變化, 經歷焊接熱循環條件的實驗鋼較母材具有更高的沖擊韌性, 隨著峰值溫度的升高, 沖擊韌性呈現先升后降的趨勢, 其中在峰值溫度為1150 ℃時實驗鋼的沖擊韌性最高.

經驗原子勢下鋁鎂合金中溶質原子向位錯芯遷移的最低能量路徑

李曉彤, 湯笑之, 郭雅芳

2019, 41(7): 898-905. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.008

[摘要](907)

[HTML全文] (367)

[PDF 3469KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
鋁鎂合金在制造業中應用廣泛, 但其在特定應變率下的塑性失穩不利于加工應用. 溶質原子與位錯的交互作用是塑性失穩的微觀機理. 本文采用勢能曲面過渡態搜索技術計算了鋁鎂合金中替代型溶質鎂原子向位錯芯遷移的過渡態, 確認了溶質原子與位錯芯的交互作用范圍, 并采用過渡態理論估算了遷移擴散所需的時間, 且區分了無空位及有空位參與遷移兩種情況. 結果表明, 位錯壓應力區內的溶質原子遷移無明顯規律, 而在位錯拉應力區內, 隨著溶質原子與位錯間距的縮短, 遷移勢能壘和系統總能量均逐漸降低. 說明目前廣泛采用的經驗原子勢可以很好地反映溶質原子易朝位錯拉應力區偏聚這一現象. 溶質原子遷移的過渡態證實遷移過程中的微觀結構變化因溶質原子所處位置不同而各異, 而交互作用范圍不超過約2 nm. 空位參與對遷移的輔助作用被量化為遷移熱激活時間的縮短, 并得出其可在微秒量級. 當溶質原子完成遷移穩定至位錯芯附近, 并不傾向于沿位錯線密集分布.

兩種熱作模具鋼的高溫摩擦磨損性能

白植雄, 左鵬鵬, 計杰, 吳曉春

2019, 41(7): 906-913. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.009

[摘要](1027)

[HTML全文] (449)

[PDF 11745KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
采用高溫摩擦磨損試驗機研究了HTCS-130和DAC55兩種熱作模具鋼在100~700℃范圍內的耐磨性差異及磨損機制, 并結合X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、光學輪廓儀等手段對表面相組成、磨損表面、截面形貌等進行分析. 結果表明: 兩種鋼的磨損率均在100~700℃范圍內呈現先增后減的趨勢; 其磨損機制表現為在100℃和300℃分別發生黏著磨損和黏著-輕微氧化磨損; 500℃時磨損機制轉變為單一氧化磨損, 磨損表面氧化層由FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄組成, 亞表面發生輕微軟化并出現塑性變形層; 700℃時磨損進入嚴重氧化磨損階段, 氧化物數量急劇增多, 同時由于馬氏體基體回復導致材料出現嚴重軟化, 磨損表面形成連續的氧化層. HTCS-130鋼優異的熱穩定性能使得基體具有較高硬度和更窄的摩擦軟化區, 能夠更好地支撐氧化層, 從而在700℃下比DAC55鋼更耐磨.

半連續鑄造7136超高強鋁合金的組織特征及均勻化處理工藝

李佳樂, 周成, 黃旭東, 張志豪, 呂丹

2019, 41(7): 914-921. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.010

[摘要](1010)

[HTML全文] (481)

[PDF 13961KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
以半連續鑄造7136鋁合金為研究對象, 以鑄態組織分析為基礎, 采用雙級均勻化. 結果表明: 與其他7×××系鋁合金相比, 7136鋁合金鑄態組織沒有明顯的層片狀α(Al)+T共晶相的特征, 也沒有發現S相的存在. 基體中的彌散相為微米級的圓形或棒狀MgZn₂相, Mg元素和Zn元素隨著液態合金的凝固, 在Al基體中以MgZn₂相的形式析出, 為了平衡Mg元素和Zn元素的分配系數, Mg元素和Zn元素從液態向固態遷移, 這也是使得晶內Zn元素和Mg元素偏高的原因. 經過462℃, 24 h單級均勻化, 殘留相大致消除. 隨著均勻化時間的延長, 殘留相有減少的趨勢, 但作用相對較小. 經過450℃, 24 h+470℃, 24 h雙級均勻化, 差示掃描量熱法獲取的峰值非常小, 晶間除了少量高熔點Al₇Cu₂Fe相殘留, Al₂Cu等其他相已基本消除, 均勻化效果顯著.

一步納米銀催化刻蝕法制備多孔硅納米線陣列

何祖東, 耿超, 邱佳佳, 楊璽, 席風碩, 李紹元, 馬文會

2019, 41(7): 922-928. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.011

[摘要](1128)

[HTML全文] (454)

[PDF 7678KB](40) [施引文獻] ()

摘要:
通過采用一步納米金屬顆粒輔助化學刻蝕法(MACE)成功制備了多孔硅納米線, 并主要研究了硅片摻雜濃度、氧化劑AgNO₃濃度以及HF濃度對硅納米線陣列形貌結構的影響規律. 研究結果表明: 較高的摻雜濃度更有利于刻蝕反應的發生和硅納米線陣列的形成, 這是由于高摻雜濃度在硅片表面引入了更多的雜質和缺陷, 同時高摻雜濃度的硅片與溶液界面形成的肖特基勢壘更低, 更容易氧化溶解形成硅納米線陣列; 在一步金屬輔助化學刻蝕法制備多孔硅納米線陣列的過程中, 溶液中AgNO₃濃度對于其刻蝕形貌和結構起到主要作用, AgNO₃濃度過低或過高時, 硅片表面會形成腐蝕凹坑或坍塌的納米線簇, AgNO₃濃度為0.02 mol·L^-1時, 硅納米線會生長變長, 最終形成多孔硅納米線陣列. 隨著硅納米線的增長, 納米線之間的毛細應力會使得一些納米線頂部出現團聚現象; 且當HF溶液濃度超過4.6 mol·L^-1時, 隨著HF酸濃度的增加, 硅納米線的長度隨之增加. 同時, 硅納米線的頂部有多孔結構生成, 且硅納米線的孔隙率隨HF濃度的增加而增多, 這是由于納米線頂部大量的Ag⁺隨機形核, 導致硅納米線側向腐蝕的結果. 最后, 根據實驗現象提出相應模型對多孔硅納米線的形成過程進行了解釋, 歸因于銀離子的沉積和硅基底的氧化溶解.

殘余應力對金屬材料局部腐蝕行為的影響

陳恒, 盧琳

2019, 41(7): 929-939. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.012

[摘要](1713)

[HTML全文] (644)

[PDF 7231KB](93) [施引文獻] ()

摘要:
基于殘余應力測試新方法與先進電化學測試技術的進展, 圍繞殘余應力類型和大小對金屬材料點蝕以及應力腐蝕行為的作用機理進行了總結和歸納. 研究發現, 盡管殘余壓應力對腐蝕行為的抑制作用得到了大量實驗的證實, 但是在不同條件下其作用方式以及機理不盡相同, 并且與材料的結構特點以及腐蝕產物等密切相關. 同時, 殘余拉應力的作用尚不明確, 受到材料類型和其他因素耦合的嚴重影響. 另外, 在某些環境下, 影響腐蝕行為的關鍵是殘余應力梯度或殘余應力的某個臨界值. 但是對有色金屬的研究表明殘余拉應力和壓應力均會導致基體中位錯和微應變等結構缺陷增加, 進而促進點蝕敏感性, 降低材料服役性能. 最后, 對目前研究存在的局限進行了討論和展望.

熱軋帶鋼終軋溫度的多模式控制

王海玉, 郭立偉, 楊荃, 王曉晨, 王淑志, 董立杰

2019, 41(7): 940-946. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.013

[摘要](967)

[HTML全文] (503)

[PDF 2343KB](28) [施引文獻] ()

摘要:
結合國內某2250 mm熱連軋精軋機組, 實現速度調節、機架間水調節、速度和機架間水耦合調節三種控制模式, 能夠根據熱連軋過程中的不同鋼種和不同工況采用相適應的控制模式, 以獲取最佳的控制效果. 同時, 利用二次規劃優化法在線優化不同控制模式的調節量, 以滿足帶鋼全長終軋溫度的控制要求. 將多模式控制模型在線應用后, 帶鋼終軋溫度控制偏差在±20℃以內, 連續三個月命中率為99%以上. 結果表明, 該控制模型響應速度快, 計算精度高, 能夠滿足不同鋼種和不同工況下的終軋溫度控制要求, 從而提高帶鋼軋制穩定性和終軋溫度控制精度, 提升產品競爭力.

基于非線性模型預測控制的自動泊車路徑跟蹤

顧青, 白國星, 孟宇, 劉立, 羅維東, 甘鑫

2019, 41(7): 947-954. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.014

[摘要](1169)

[HTML全文] (481)

[PDF 4182KB](83) [施引文獻] ()

摘要:
與行駛速度較高的其他無人駕駛工況相比, 自動泊車時參考路徑的曲率較大, 因此車輛轉向輪轉角速度的限制等系統約束條件會嚴重影響自動泊車路徑跟蹤控制器的性能. 為了解決這一問題, 提出了基于非線性模型預測控制的自動泊車路徑跟蹤控制器, 并在MATLAB/Simulink和PreScan聯合仿真環境中將該控制器與基于線性時變模型預測控制的控制器進行了對比. 仿真結果表明非線性模型預測控制器可以實現多約束條件下的自動泊車, 泊車完成后車輛航向與車位中線的夾角為0.0189 rad, 車輛后橋中點與車位中線的距離為0.1045 m, 僅為車身寬度的5.56%. 相比線性時變模型預測控制器, 非線性模型預測控制器具有泊車精度更高、安全裕度更大、泊車耗時更少等優勢. 在實時性方面, 該控制器也能夠滿足自動泊車的需求.

一種改進的非剛性圖像配準算法

何凱, 魏穎, 王陽, 黃婉蓉

2019, 41(7): 955-960. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.015

[摘要](1194)

[HTML全文] (423)

[PDF 8132KB](36) [施引文獻] ()

摘要:
非剛性圖像配準一直是計算機視覺領域的研究重點. 為解決上述問題, 提出一種改進的光流場模型算法, 以提高光流估計的準確度. 算法首先對原始變分光流模型進行了改進, 提出利用新的各向異性正則項來代替原來的同向擴散函數, 以避免圖像模糊, 保留圖像的邊緣特征與細節特征; 此外, 通過引入包含鄰域信息的非局部平滑項來去除光流噪點, 同時增加了一個結合圖像結構與光流運動信息的權函數, 以減少過平滑所造成的細節丟失, 提高算法的魯棒性. 最后, 利用交替最小化與金字塔分層迭代策略相結合的方法求解位移場, 實現非剛性圖像的自動配準. 仿真實驗結果表明, 與傳統方法相比, 本文算法對不同類型的非剛性圖像均具有較高的魯棒性, 取得了理想的圖像配準效果.