高效打蛋破壳刀片渗硼与渗钒处理后微观组织与性能变化

刀片卷刃和刀片磨损是破壳刀片的两大失效形式，这将决定着破壳器的使用效率。其中延长破壳刀使用寿命的有效解决方式便是提高材料硬度并保持其韧性。为此，该研究采用渗硼和TD渗钒2种工艺对2Cr13不锈钢破壳刀进行处理，以提高刀片的耐磨性，并对处理后的组织结构、机械性能以及摩擦性能进行研究。采用扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）和X射线能谱分析（Energy Dispersive Spectrum, EDS）从截面对涂层的厚度、组织和化学成分进行分析，利用X射线衍射仪（X-ray Diffraction, XRD）从表面对材料的晶体结构进行分析。结果表明，在2Cr13不锈钢破壳刀表面成功实现渗B与渗V处理，并有较好的附着性。处理后涂层厚度分别为15与5 μm，渗钒涂层较薄是由于大原子半径使得扩散迟缓，通过相关涂层含量也可以证实，其中渗B涂层原子百分含量为30%，而渗V涂层含量为12.3%。根据XRD，渗B涂层主要由FeB、Fe2B、Fe3B组成，而渗V层主要由VCx组成，这些硼化物和碳化物是通过扩散与内部原子反应生成的。采用0.49N载荷对涂层和基体硬度进行测量发现渗B层和渗V层的硬度分别为1 554和1 037 HV，因此硼化物和碳化物的高硬度使得硬度相对未处理前提升了2～3倍，其中VCx导致渗V层硬度相对较低。为进一步探究机械性能采用纳米压痕试验对纳米硬度、弹性恢复系数（We）和能量耗散系数（Kd）进行测量，结果发现纳米硬度和显微硬度值接近，渗B层的弹性恢复能力较渗V层强，但是渗V层表现出更好的塑性变形能力。摩擦试验表明渗V层摩擦系数为0.5相对渗B层的0.68更低，但是在非冲击载荷下渗B层因为硬度高将具有更好的耐磨性。综合厚度和机械性能考虑，渗V层良好的塑性变形能力将在抗刀头卷刃上更有优势，而渗B层因为较高硬度则在稳定负载下具有更好的耐磨性。     

渗碳工艺对高速液压翻转犁犁尖部件耐磨性的影响

针对在犁尖部件的局部区域堆焊硬质合金层仍无法解决现有国产犁尖整体耐磨性不足的问题,该研究对高速液压翻转犁犁尖部件整体采用渗碳-淬火-回火处理,并探讨了该工艺对犁尖微观组织与耐磨性的影响机制。研究结果表明,经渗碳-淬火-回火（Carburizing-Quenching-Tempering）工艺处理后的犁尖（CQT态犁尖）近表层最大碳质量分数约为0.70%,渗层深度约为2.5 mm,其表层组织为针状马氏体（高硬度）+残余奥氏体+少量碳化物,芯部组织则以板条马氏体（高强韧性）为主,这与经淬火-回火（Quenching-Tempering）工艺处理后的犁尖（QT态犁尖）中的板条马氏体+先共析铁素体组织明显不同,微观组织的改善使CQT态犁尖近表层的显微硬度较QT态犁尖提高56%。同时,与QT态犁尖相比,CQT态犁尖芯部的屈服强度和抗拉强度分别提升16%和20%。摩擦磨损试验及田间试验表明,CQT态犁尖的平均摩擦系数较QT态犁尖下降约22%,耕作120 hm2后的CQT态犁尖的磨损量较QT态犁尖降低37%,这主要归因于渗碳层中含有高硬度针状马氏体及残余奥氏体的应变诱导马氏体相变的综合强化作用。此外,与QT态犁尖相比,CQT态犁尖的耐磨性更高,使其具有更大的表面积,这有利于通过减小犁尖单位面积上的载荷和摩擦放热量来减轻待磨层材料蠕变软化的倾向,从而提高CQT态犁尖的耐磨性。上述研究结果可望为改善农机触土部件的耐磨性提供可行的技术方案。     

铸铁基硼化物增强复合材料的研究

介绍了生产铸铁基硼化物增强复合材料的工艺过程，分析了熔合剂、粘结剂、浇注温度及粉剂的粒度等因素对合金硬化层质量的影响，并对其显微组织进行了研究。     

反应电火花堆焊修复齿轮轴

利用DZ-1400型电火花堆焊机,以工业纯钛TA2为电极,以工业纯氮为保护气和反应气,在45号钢试件表面上制备了TiN金属陶瓷堆焊层。采用KYKY-2800型扫描电镜观察了堆焊层表面形貌、显微组织和磨损形貌,采用D/max-RA型X射线衍射仪分析了堆焊层物相,采用MH-6型显微硬度计测定了堆焊层显微硬度,采用自制磨损实验机对比了堆焊层与淬火回火65Mn钢的磨损性能,分析了电火花堆焊TiN金属陶瓷层用于轴颈修复的可行性。结果表明:反应电火花堆焊TiN金属陶瓷层与母材之间为冶金结合,堆焊层主要由电极材料钛、反应合成的TiN和基体材料铁组成,堆焊层显微硬度高,耐磨性好。变速箱齿轮轴修复实践表明,反应电火花堆焊TiN金属陶瓷层可用于修复损伤轴类件。     

基于温度场模拟的铸件表面硼化物梯度耐磨材料成形机制

利用ANSYS10.0,对铸件表面硼化物梯度耐磨材料成形过程中温度场进行了模拟验证,对梯度耐磨材料不同部位的成形机制进行了分析研究,结果表明,模拟结果与试验结果较为吻合,合金粉块不同部位温度变化将影响复合材料的质量,内层及中间层温度高,高温持续时间长,熔合质量好,而对于最外层,温度较低(<1 000℃),高温持续时间短,尖角处温降快,导致这些部位复合材料熔合质量较差、缺陷较多。进一步研究表明,砂型材料的导热率及合金粉块内低熔点的熔合剂过多均会影响复合材料的质量。     

适宜碳化钨含量提高Ti(C,N)-WC涂层耐磨耐蚀性

为了提高农机关键部件表面强度,采用反应等离子熔覆技术,在Q235B钢表面制备了不同碳化钨WC含量的Ti(C,N)-WC金属陶瓷复合涂层。利用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机、电化学工作站对复合涂层的形貌、物相及其耐磨耐蚀性进行了分析,并与Q235B钢进行了硬度、耐磨耐蚀性对比试验。结果表明:涂层组织主要由硬质相、包覆相、粘结相组成,涂层与基体呈冶金结合;在一定范围内,随着WC含量的增加,涂层的显微硬度及耐磨耐蚀性能都有所增强,当WC质量分数为12%时涂层的耐磨耐蚀性能最优,12%WC涂层与Q235B钢基体相比,涂层硬度提高了6倍,摩擦系数为基体的2/5,磨损量为基体的1/16;在5%H2SO4溶液中,12%WC涂层的腐蚀速率为Q235B钢的1/9,在3.5%NaCl溶液中,12%WC涂层的腐蚀速率为Q235B钢的1/4,涂层较基体有更好的耐磨性、耐蚀性,该研究以期为农机材料强化提供参考。     

獾牙与狗牙的微观结构及摩擦学特性

以獾牙和狗牙为研究对象,采用摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,考察了獾牙和狗牙的摩擦学性能,利用纳米压痕仪进行力学性能试验,测试了獾牙和狗牙的纳米硬度和弹性模量。试验表明:牙齿的摩擦磨损行为同其微观结构密切相关,獾牙釉质磨斑表面划痕和擦伤痕迹相对轻微,磨损深度为(13.521±1.034)μm,狗牙釉质磨斑表面有较多的裂纹,犁削和擦伤较为严重,磨损深度为(15.429±1.337)μm;牙齿的摩擦磨损性能与其硬度以及显微组织和结构密切相关;獾牙釉质的耐磨性和纳米硬度、弹性模量高于狗牙釉质。该研究为以獾的牙齿为原型将仿生耦合原理应用于刀具的开发提供了理论依据。     

喷焊余温淬火改善深松铲尖铁基涂层耐磨性

针对深松铲尖耐磨性能差、失效频繁等问题,采用火焰喷焊技术在45钢基体上制备了铁基合金涂层,并利用喷焊后试件余温对其进行了淬火处理。利用扫描电镜、能谱仪、X射线仪分析了涂层显微组织、元素构成及物相组成,利用显微硬度计、磨损试验机测试了涂层显微硬度及磨损性能。结果表明,涂层与基体呈良好冶金结合,淬火涂层主要由碳化物Cr_(23)C_6、Cr_7C_3,硼化物Fe_2B,复合相(Cr,Fe)_7C_3以及固溶体γ-Fe(Cr,Ni,C,Si)等组成。与未淬火涂层相比,组织得到细化,涂层显微硬度平均为800 HV左右,较未淬火涂层提高了约100 HV。淬火涂层试件(45钢基体)和未淬火涂层试件(45钢基体)平均磨损质量分别为0.30和0.35 g;田间试验的涂层淬火深松铲尖(65Mn基体)磨损质量为32 g,无涂层65Mn铲尖为70 g,涂层深松铲尖具有较好的耐磨性,该研究可为延长深松铲尖使用寿命提供参考。     

原位合成Ti(C,N)-WC/Ni60A基复合涂层显微结构及性能

针对农机作业中触土刀具易磨损、失效频繁、寿命低、消耗成本高等现状,研究开发了金属表面熔覆陶瓷涂层工艺。采用反应等离子熔覆技术,在Q235B钢表面制备了Ti(C,N)-WC增强Ni60A基复合陶瓷涂层。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、金相显微镜等对复合熔覆层的微观结构及强质硬化相的成分、组织、性能进行了分析。研究结果表明:预涂敷层中的钛(Ti)粉、石墨粉、氮化钛(TiN)粉在等离子熔覆过程中原位合成了颗粒状新生相Ti(C,N),且均匀弥散分布在熔覆层中,形成了主要由硬质相、包覆相、粘结相组成的芯-环结构;涂层平均硬度达HV0.51750,最高可达HV0.52040;涂层的磨损机理主要为磨粒磨损,与基体相比,有较好的硬度和耐磨性能,以期为农机刀具材料强化提供参考。     

铝热剂法原位合成农机刀具 Al2O3-Ti(C,N)复合涂层组织结构及性能

为了提高旋耕刀、犁铧等农机触土刀具表面强度,以铝热剂的放热反应提供内在热源、等离子弧作为外在热源,采用反应等离子熔覆技术在Q235钢表面原位合成了Al_2O_3-Ti(C,N)复合材料涂层。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、金相显微镜等对复合涂层的微观结构及强质硬化相的成分、组织及性能进行了分析。结果表明:涂层与基体呈冶金结合,涂层主要由网状、嵌套、球状等3种结构组成,硬质相Al_2O_3、Ti(C,N)与粘结相Fe-Ni之间相互包裹、互相嵌套,构形成空间网状骨架结构;涂层硬度最高可达HV_(0.5)2160,平均硬度HV_(0.5)1870,约为基体Q235钢的7.7倍;涂层摩擦系数约为0.372,其磨损量约为65Mn钢及Q235钢的1/7和1/17,与基体相比,复合涂层具有较高的硬度和较好的摩擦磨损性能,可以为农机材料表面强化提供参考。     

The effect of soil moisture on the vertical movement of rock fragments by tillage

Chiselling in air-dry soils can rapidly create inverse grading of the plough layer as field experiments showed, i.e., the largest particles (rock fragments) are brought to the surface and the smallest particles concentrate at the bottom of the plough layer. Since no information about the effect of soil moisture and fine earth characteristics on this process is available laboratory experiments were conducted to examine the effect of soil moisture and fine earth characteristics on the vertical movement (segregation) of rock fragments due to tillage. An experimental trough, 120×60×40 cm³, was filled with three layers (each 4 cm thick) of fine earth (sand or silt loam), and rock fragments (1.2–2.2 and 2.7–4.0 cm). Tillage was simulated by moving a hand-held cultivator through the mixture. The results for the sandy soil matrix showed that inter-particle percolation was slowed down by soil moisture, however, at the same rate for different moisture levels. This was attributed to water-films that surround the sand particles. In the silt-loam soil matrix inter-particle percolation was stronger than that occurring in the sandy matrix at similar volumetric moisture contents but vertical movement was impossible at higher moisture contents (0.17 m³ m⁻³) because of a strong increase in stickiness. The results imply that at low moisture contents farmers in areas threatened by desertification can use moderate tillage as a means to create a surface rich in rock fragments which helps to increase water infiltration and decrease erosion.     

不同粒径生物炭包膜尿素缓释肥性能及缓释效果

为探究生物炭粉包膜处理对尿素缓释效果的影响,该研究以不同粒径稻壳生物炭粉为包膜材料,对尿素颗粒进行不同层数包膜处理,分别制备了3种生物炭包膜尿素缓释肥C_1(0.15 mm生物炭粉包膜)、C_2(内层0.15 mm,外层0.25 mm生物炭粉包膜)和C_3(内层0.15 mm,中层0.25 mm,外层0.425 mm生物炭粉包膜),并对生物炭包膜尿素缓释肥性能及缓释效果进行了分析研究。研究结果表明3种生物炭包膜缓释肥粒径主要分布在2.90～4.80 mm,随着包膜层数的增加,包膜缓释肥粒径随之增大,C_2和C_3粒径显著高于C_1(P0.05)。C_1、C_2和C_3的抗压强度为20.40～48.00 N,满足工业生产需求。与C_1和C_2相比,C_3颗粒表面较光滑,切面具有致密且孔隙结构丰富的层状结构,吸水倍率最小(1.69),耐水性也显著优于C_1与C_2(P0.05),氮元素缓释效果优于C_1与C_2。综上可以看出,3层包膜尿素缓释肥膜壳强度高于单层和双层包膜尿素缓释肥,通过控制不同膜层生物炭的孔隙结构和孔径,减缓水分的渗入及养分的流出过程,缓释效果突出,为生物炭包膜缓释肥的开发应用提供一个新技术路径。     

三峡库区坡地表层风化特征研究

Extractability and mobility of Cu and Zn and their relationships with 1） accumulation of Cu and Zn and 2） soil pH were studied in three sandy soils （Wabasso, Ankona, and Winder） from commercial citrus groves in Florida, USA. The soils, with a broad range of Cu and Zn concentrations, were fractionated by a modified procedure of Amacher, while Cu and Zn mobility were evaluated using column leaching. The extractability of Cu and Zn increased with decreasing soil pH. Also with increasing total soil Cu and Zn for extractable Cu in the Wabasso sand a threshold level, where the metal extraction rate increased, was noted at 100 mg kg^-1, whereas for extractable Zn in the Wabasso sand the threshold level was found at 60 mg kg^-1 and in the Ankona sand at 120 mg kg^-1. These results suggested that the release potential of Cu and Zn was greater in the Wabasso sand than in the Ankona sand. The column leaching experiment showed that at total soil Cu or Zn concentrations 〈 100 mg kg^-1 all leachates had low Cu and Zn concentrations. However at total concentrations 〉 200 mg kg^-1 for Cu and 〉 150 mg kg^-1 for Zn with decreasing soil pH, the concentrations of both Cu and Zn in the leachates increased exponentially. Also in these sandy soils soluble Cu and Zn mainly originated from the exchangeable fractions, and pH was a key factor controlling Cu and Zn extractability and mobility.     

鄂东南崩壁不同深度土层微形态特征及稳定性评价

为了深入认识崩壁不同深度土层微观结构特征和稳定性状况,选取鄂东南通城县一处发育完整的崩壁为研究对象,通过观察土壤薄片,定量和定性分析了崩壁6个不同深度土层的微形态特征,在此基础上,采用主成分分析对崩壁稳定性进行评价,并构建了崩壁稳定性评价体系的微形态指标最小数据集(MDS)。结果表明:(1)崩壁不同深度土层微形态差异显著。表土层土壤基质颜色呈现暗红色,基质比较高(0.91),团聚体和孔隙状况发育成熟,孔隙连通性较好。红土层基质颜色以红色为基调,随深度增加逐渐变浅,基质比为0.69(平均值),土壤团聚体结构弱发育,孔隙类型以囊孔和裂隙为主,连通性较差。砂土层主要以未风化完全的矿物颗粒为主,基质比极低(0.25),孔隙类型以矿物颗粒间隙为主。(2)各土层稳定性微形态评价得分从大到小排序为:表土层(TC₁)>红土层(TC₂>TC₃>TC₄)>砂土层(TC₅>TC₆),与多数土壤微形态指标间呈现显著正相关(p<0.05)。(3)崩壁土体稳定性微形态评价的最小数据集(MDS)由土壤基质颜色、土壤基质类型、土壤基质比、土壤团聚体、土壤微结构、总孔隙百分比和有机质含量7个指标构成。综上,不同深度土层微形态特征差异是崩壁土体稳定性具有层次分异性的重要因素之一。基于土壤微形态分析及建立的最小数据集评价体系,可以对崩壁土体的稳定性进行初步的监测。     

砒砂岩区典型坡面土壤颗粒组成空间分布特征研究

为揭示土壤颗粒组成在垂直和水平方向上的分布规律,采集砒砂岩区典型坡面0—100 cm剖面的土壤,运用经典统计学测定其颗粒组成。结果表明：坡面0—100 cm土壤质地主要为砂壤土(59.21%)和壤砂土(36.40%)。随土层深度增加,砂粒含量增加,粉粒和黏粒含量减少,土壤逐渐呈现粗粒化的趋势;坡面尺度上,表层0—10 cm砂粒为弱变异,其余各层各粒级均为中等程度变异,且随土层深度增加变异性增强,不同粒级的变异系数表现为砂粒<粉粒<黏粒。沿坡面等高线方向,样带B粗粒化程度最弱,10 cm土层以下,样带B粗粒化程度最强。沿垂直坡面等高线方向,坡中砂粒含量(73.60%)相比于坡上和坡下分别增加6.90%(p<0.05)和11.66%(p<0.05),坡下粉粒(31.85%)和黏粒(3.10%)含量相比于坡上和坡中分别增加13.13%(p<0.05),23.59%(p<0.05)和4.36%,51.70%(p<0.05),坡中粗粒化程度最强,坡下是细颗粒堆积的主要区域。研究结果可加强对砒砂岩区坡面土壤颗粒空间分布规律的认识。     

红壤坡地土壤水分亏缺特性分析

采用土壤水分张力计观测研究了江西红壤坡地年内土壤水分变化特征,分析对比了土壤不同层次、时间和坡位的土壤水吸力变化,以及在百喜草种植、百喜草覆盖、裸露3种处理下红壤坡地土壤水分亏缺状况。结果表明:不同土层、不同坡位、不同土地利用类型土壤水分亏缺程度不同。从土壤水分亏缺的垂直变化来看,底层>表层>中层。不同土层,其水吸力随时间变化的趋势与变化范围也不同,各土层年均土壤水吸力表现为:下层>上层>中层,同时上层土壤水吸力变化幅度大,中层、下层变化幅度较小;从不同坡段来看,上坡中坡土壤水分略微亏缺,下坡土壤水分充足。从不同土地利用措施来看,百喜草种植的区域水分亏缺度最大,百喜草覆盖的区域土壤水分亏缺度最小。     

仿生布利冈结构农机耐磨触土部件设计与试验

针对农机触土部件易磨损失效这一难题，该研究设计了一种仿生布利冈结构件，并对其磨损特性进行评价，进一步探索耐磨机理。以布利冈结构的结构单元直径、层间螺旋角度、层间重叠间距3个因素设为自变量，以磨损量为响应值，在EDEM中进行仿真磨损试验，根据自变量与响应值之间的关系，优化布利冈结构的组成参数，得到最优的组成参数为：结构单元直径1.0mm、层间螺旋角度16°、层间重叠间距0.13mm，在此参数下经仿真磨损试验得到布利冈结构件的磨损量为2.13×10^-6g。对光滑件、单层棱纹件、布利冈结构件的耐磨效果，进行仿真磨损对比试验，结果表明，布利冈结构件较单层棱纹件磨损量减少了90.6%，较光滑件减少了92.2%。运用离散元法(digital elevation model, DEM)与有限单元法(finite element method, FEM)联合仿真，得到样件内部形变和应变，光滑件、单层棱纹件、布利冈结构件的平均变形量分别为1.62×10^-9、7.97×10^-9和1.82×10^-8 mm；平均等效应力为...     

黄土丘陵区水平梯田保水保土效益分析

水平梯田是防止水土流失的一种有效方式。在韭园沟流域的支沟——王茂沟流域分别选取梯田和坡耕地进行土壤采样,测定土壤含水量,结合¹³⁷Cs示踪,对比分析了梯田长期的保水保土效益。结果表明:梯田土壤水分变化分为土壤水分剧变层（0—20 cm）、土壤水分活跃层（20—30 cm）和土壤水分调节层（30 cm以下）;梯田不同深度土壤含水量均表现为内侧（第一级） > 中部 > 外侧（第五级）;坡向对梯田土壤水分的影响并不是十分显著;梯田0—20 cm土壤蓄水量高于坡耕地7.2%;0—40 cm平均土壤蓄水量高出坡耕地1.8 mm;研究流域坡耕地与梯田侵蚀程度分别属于极强度侵蚀和强度侵蚀,梯田平均水土保持效益为53%。建议在该地区修建梯田时,提高梯田的设计标准,对梯田田面、田埂认真维护,实现梯田长期的水土保持效益。     

陕北黄土区人工刺槐林地土壤水势特征

为了研究黄土区人工林地土壤水分特征曲线及土壤水势特征,以陕北黄土区人工刺槐林地为研究对象,利用中子水分仪和中国科学院地理科学与资源研究所设计的负压计,对其2015年4月1日—2015年10月31日0—200cm土层的土壤含水量和土壤水势进行了连续观测,并运用灰关联法分析了表层(0—40cm)、中层(50—120cm)、深层(130—200cm)及4—10月土壤水势灰关联度。结果表明:(1)陕北黄土区人工刺槐林地各土层土壤水分特征曲线可用Gardner模型幂函数方程θ=aS-b进行拟合,拟合参数a值大小为表层土壤(0.103 8)中层土壤(0.094 4)深层土壤(0.086 0);b值大小为表层土壤(0.284)中层土壤(0.291)深层土壤(0.298)。(2)通过土壤水分特征曲线求得人工刺槐林地土壤水分常数,田间持水量和凋萎系数的平均值分别为25.53%和8.42%,最大有效水范围平均达17.11%。通常用土壤水吸力为0.1 MPa时,比水容量值来表征土壤供水能力,人工刺槐林地该值的大小表现为表层土壤(56.73%)中层土壤(53.74%)深层土壤(50.84%)。(3)人工刺槐林地土壤水势垂直空间分布表现为表层土壤水势从-0.21 MPa逐层增加到-0.08 MPa,中层土壤水势动态波动较大,整体呈下降趋势,深层土壤水势稳定在-1.14 MPa附近。灰关联度分析得出R12(0.899 8)R23(0.711 5)R13(0.702 8),人工刺槐林地土壤水势表层与中层关系较为密切,深层与中层关系次之,表层与深层关系最差。(4)人工刺槐林地0—200cm土层土壤水势,4—6月呈下降趋势,7—8月显著上升,9—10月再次下降。从各月土壤水势灰关联度来看,R_(10)(0.868 9)R_(05)(0.806 7)R_(09)(0.780 4)R_(07)(0.676 3)R_(06)(0.654 8)R_(08)(0.611 4),人工刺槐林地土壤水势10月,5月,9月变化态势与4月关联度较高;土壤水势7月,6月,8月与4月关联度较差。