鋁合金外文翻譯

1、熱電勢和電功率表征2024航空鋁合金的固溶和時效過程Daren Sun2, 1, Xi-chen Sun1, Derek O.Northwood2, Jerry H. Sokolowski1（1.機械與材料工程學(xué)系 溫莎大學(xué) 安大略省 加拿大 N9B3P4；2.工程材料系 吉林工業(yè)大學(xué) 長春省 中華人民共和國 130012）摘要：研究結(jié)果表明，與通過用顯微硬度和光學(xué)顯微鏡手段相比，采用熱電勢和電功率（熱功當(dāng)量）測定技術(shù)研究2024航空鋁合金的意義在于改變了固溶處理溫度和時間，且在500時固溶，效果最佳。在固溶處理過程中的熱電勢的變化與o-Al相中的合金元素溶解度的變化相關(guān)。在人工時效過程中，熱

2、電勢的值隨時效時間增加而減小，但在時效的不同階段表現(xiàn)出不同的特點。在初始階段，熱電勢下降緩慢，并且實驗結(jié)果顯示在溫度低于190C時效中所測熱電勢為脈動波。這種波動是由于G.I.區(qū)，G.P.B.區(qū)以及，”，S”和S相的形成時，對熱電勢的變化作出的貢獻(xiàn)不同。在相同的固溶溫度下，不同時效溫度下與熱電勢的值相對應(yīng)的最高硬度是相同的。在波峰以后的波段，熱電勢的值下降很快，這是因為在-Al的合金元素的溶解度隨時效時間的延長而減少。在時效過程中，熱電勢測定技術(shù)通過測定熱電勢的變化成功的觀測了沉淀析出引起的微觀結(jié)構(gòu)的變化，這由光學(xué)顯微鏡是不能實現(xiàn)的。1引言2024鋁合金廣泛應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)件，鉚接構(gòu)件，卡車車輪

3、，絲機系列產(chǎn)品以及其它多種結(jié)構(gòu)件。它是一種經(jīng)過固溶處理，淬火以及人工時效處理的沉淀硬化鋁合金，以得到最佳的機械性能組合。固溶處理即為固相的溶解過程，此固溶處理的固溶溫度結(jié)果必須慎重選擇。溶解度溫度的關(guān)系可以通過Al Cu相圖作為一個例子來說明（見圖1）。銅在固態(tài)鋁中的固溶度隨固溶溫度的升高而增大，在相圖上較低的那條曲線（固相線）的溫度以上，銅在-Al中是完全溶解的。但是，在高于熔點溫度初期（即固相線），銅在鋁中的溶解度隨溫度升高而減小，因為在這一個階段，開始出現(xiàn)液相，而銅在液相中的溶解度比銅在固相中的更大。因此，固溶溫度應(yīng)介于固相線和開始的熔融溫度（液相線）之間。圖1 富鋁的AlCu端得平衡相

4、圖在室溫和固溶線所示溫度之間，隨著溫度的升高或隨著時間的延長，這些沉淀相會連續(xù)的析出。這個沉淀相析出階段沉淀相析出順序一般表現(xiàn)為：過飽和固溶體G.P.區(qū)”(Al2Cu)。與Al-Cu合金系類似，對于大多數(shù)可熱處理強化的鋁合金，它們的析出過程都經(jīng)歷幾個階段，同時伴隨著強度的改變。高強度固溶體在回火過程中析出沉淀相的微觀結(jié)構(gòu)尺寸極其微小，用光學(xué)顯微鏡不能觀測到。專業(yè)人士在研究時效和固溶的進(jìn)程中，人們采用了多種測試技術(shù)，如測定電阻率、測定熱膨脹量。近些年來，熱電勢實驗測試技術(shù)得到了發(fā)展，并且應(yīng)用在了廣泛的領(lǐng)域。它可以靈敏地檢測出中的固溶體合金中的合金元素的改變和沉淀析出引起的固溶體的變化。本文作者工

5、作的目的是利用熱電勢技術(shù)來研究研究2024航空鋁合金的固溶和時效。2實驗過程2.1材料在這項研究中所使用的材料是一種直徑為12毫米的2024鋁合金熱軋棒。該材料的詳細(xì)的化學(xué)組成如表1。其中的做熱電勢試驗的試樣具體尺寸為：長70毫米，寬3毫米，厚l毫米。沿材料的最長的方向加工（70毫米），即沿軋制方向加工。2.2熱處理制度2.2.1固溶溫度的影響為了研究固溶處理溫度對熱電勢值得影響，本實驗溫度選擇為從440至560每隔10為一個實驗溫度。試樣固溶處理30分鐘，固溶完成后水淬。2.2.2時效制度的影響為了研究對人工時效對熱電勢值的影響，試樣現(xiàn)在480到500之間固溶30分鐘后水淬，然后在170，1

6、90，220，或250四個溫度中任選定一溫度，時效時間從5分鐘到100 小時間進(jìn)行時效。為定量研究室溫時效（自然時效）對熱電勢值的影響，這里把部分試樣在500固溶后在室溫下時效，到達(dá)預(yù)設(shè)的時間后測量熱電勢的值2.3顯微組織的觀察表1 2024鋁合金的化學(xué)組成（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）Cu Mg Fe Mn Si Cr Zn Ti 4.4 1.5 0.5 0.6 0.5 0.1 0.25 0.15試樣經(jīng)熱處理后，金相樣品在碳化硅砂紙上先磨到粒度為180，然后在磨到粒度為4000，接著先在3微米的金剛砂懸浮液精磨，接著用司特爾公司生產(chǎn)的膠態(tài)氧化硅和二氧化硅混合物進(jìn)行精拋。用按200ml H2O:5ml HNO

7、3:3ml HCl:2ml HF的比例配成的的腐蝕液進(jìn)行腐蝕，最后在光學(xué)顯微鏡上觀察金相組織，放大倍率為500。2.4熱電勢和顯微硬度的測定圖2介紹了熱電勢的測量系統(tǒng)的工作原理。將試樣緊緊壓到這些銅塊上，以確保它們之間能良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電。在試樣上就有了電壓，即溫差電勢，熱電勢用下面公式計算，S = VT 。Northwood等對熱電勢的測量系統(tǒng)的作了更詳細(xì)的介紹。圖2 熱電勢的測量實驗裝置示意圖。顯微硬度測定方法，用100克的載荷，金剛石壓頭，實驗力保持時間15秒后讀數(shù)，隨機選擇至少六個點測定顯微硬度，它們的平均硬度值作為實驗數(shù)據(jù)。3實驗結(jié)果與討論3.1固溶溫度和時間的影響熱電勢的值S（V /

8、 K）和顯微硬度隨固溶溫度的變化情況可由圖3所示的函數(shù)圖像來描述。在固溶溫度低于500時，熱電勢的值隨固溶溫度的增加而增加，達(dá)到約500最高值，隨后隨著溫度的增加而下降，顯微硬度也是同樣的情況。圖3 固溶溫度對2024鋁合金熱電勢和顯微硬度的影響。圖4是試樣在500C固溶處理時熱電勢和固溶時間之間的關(guān)系，從中我們可以很容易地看出初期熱電勢的值隨時效時間延長而迅速增加，3分鐘后熱電勢的值基本穩(wěn)定，基本為一常數(shù)。圖4 500C固溶時熱電勢隨固溶時間的變化趨勢。合金在剛開始熔化時，即在固相線溫度以上，銅在鋁合金中的固溶度隨溫度升高而下降，相反液態(tài)合金中的銅含量則增加。在熔融溫度和固相線溫度之間，銅在

9、合金中的固溶度度為一常數(shù)。對于含銅量為5.25的鋁合金，這個溫度范圍應(yīng)該為536C548C。2024鋁合金表現(xiàn)出與鋁銅合金相同的規(guī)律。在固相線溫度以下，2024合金中相中合金元素的固溶度隨固溶溫度的增加而增加，這體現(xiàn)在熱電勢值和顯微硬度都在隨固溶溫度增加而增加。在光學(xué)顯微鏡下觀察金相，這些變化并不明顯。在大約500（固相線溫度和初熔溫度之間，對于2024鋁合金約為502），合金元素在相中的固溶度達(dá)到最大值，熱電勢的值和合金的顯微硬度也達(dá)到最大值。在初熔溫度以上，由于液相的出現(xiàn)合金元素的固溶度隨固溶溫度的進(jìn)一步增加而下降。圖5的金相照片展示了試樣經(jīng)過520C的固溶處理后的典型的微觀組織。在晶界處

10、開始形成液相（富銅區(qū)），從而導(dǎo)致合金元素在-Al 中的溶解量下降。合金元素溶解量的下降引起了熱電勢的值和顯微硬度的下降。從圖6中可以看出熱電勢和顯微硬度近似呈線性關(guān)系，但試樣在初熔溫度以上和以下固溶處理后這種線性關(guān)系不同。這項工作表明，熱電勢測量操作非常容易，而且可以被快速測出來，可以有效地用來測定實際生產(chǎn)過程中控制質(zhì)量必需的固溶處理過程的時間。圖5 2024鋁合金在520固溶30分鐘的晶界早期熔化現(xiàn)象。圖6 熱電勢與顯微硬度的關(guān)系。3.2時效制度的影響圖7（a-d）和圖7(e-h)分別是在480和500固溶后時效溫度分別為170，190，220，250時熱電勢和顯微硬度的隨時效時間的變化圖。

11、從圖7，我們通過觀察可以得到下列結(jié)論：（1）時效一定時間，顯微硬度出現(xiàn)峰值，但熱電勢的值隨著時效時間的增加而單調(diào)下降；熱電勢的值盡管隨時效時間延長而下降，在不同時效溫度下其隨時效時間的變化顯示出不同。時效初期，熱電勢隨時間延長下降較慢，時效溫圖7 2024鋁合金熱電勢和硬度，在 480固溶,時效溫度分別為（a）170，（b）190，（c）220，（d）250的曲線; 500固溶時，時效溫度為（e）170，（f）190，（g）220，（h）250的曲線。度較低（190）時，曲線顯示出了波動性。在這個階段，顯微硬度增加緩慢。時效一定時間后，隨著時間的延長，顯微硬度開始迅速增加（這個時間對于不同的時

12、效溫度是不同），并最終達(dá)到一個峰值。值得注意的是當(dāng)硬度到其峰值時，相同固溶溫度不同時效溫度處理的試樣所測得的熱電勢幾乎相等，例如，試樣經(jīng)500和480固溶處理后，時效處理時顯微硬度到達(dá)峰值時的熱電勢分別在4.65V/ K和為-4.55V/ K左右。時效時顯微硬度達(dá)到峰值后，熱電勢先迅速下降，然后緩慢下降，但最后沒有到達(dá)一個平衡值。圖8 試樣固溶處理和時效后的顯微結(jié)構(gòu)：（a）500C固溶；（b）500 C固溶后再220C時效3小時計算的熱電勢減小的平均值要比對單個試樣進(jìn)行測量時的大。在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣的金相組織時，顯微組織在這些過程中并沒有明顯的變化，如圖8所示。(2)分別在500C 和48

13、0C固溶后，采用相同的時效工藝處理的試樣，前者的熱電勢和硬度值比后者大。 (3)在高時效溫度下時效比在低溫下時效時顯微硬度達(dá)到峰值時所用的時間較短。舉例來說，樣品在250C時效時大約兩小時出現(xiàn)波峰，但在 170C時則需要兩天。圖9 2024鋁合金室溫下自然時的熱電勢。目前的沉淀理論可以很容易地解釋時效過程中的熱電勢值的變化。對于這種合金，理論上應(yīng)該存在兩種連續(xù)方式的轉(zhuǎn)換，即G.P.”(Al2Cu)和G.P.B.S”SS (CuMgAl2)。在時效過程的初期，鋁合金中隨機分布的溶質(zhì)原子在鋁基特定的晶面上逐漸呈盤狀聚合，從而形成G.P.區(qū)和G.P.B.區(qū)（或群）。隨著時效時間的延長，G.P. (G

14、.P.B) 區(qū)”相(S”相), ”相(S”相)相(S相)以及 相(S相)相相(S相)的轉(zhuǎn)變被會相繼發(fā)生。在G.P.”和G.P.B.S”SS這兩種方式的連續(xù)轉(zhuǎn)變過程中，固溶體中的合金元素含量將會下降，因此導(dǎo)致熱電勢的值減小。但是，值得注意的事情是熱電勢的值并不是簡單地下降，而是在低溫時效和自然時效圖圖7（a）和圖9上的早期階段可以清楚地看到熱電勢的波動。Pelletier等已經(jīng)表明，時效過程中初期形成的沉淀物的類型對鋁銅合金試樣的熱電勢值會產(chǎn)生重大的影響，這其實是初期亞穩(wěn)態(tài)片狀沉淀（例如，G.P.區(qū)，”或）的作用，這些片狀沉淀對熱電勢的值產(chǎn)生正面或負(fù)面的影響。然而，不連續(xù)分布的相沉淀對熱電勢的沒

15、有任何影響。因此，這些因素合金元素在-Al、G. P. (G.P.B.) 區(qū)、”相(S”相)及相(S相)中的固溶量對熱電勢的值將產(chǎn)生不同的影響。出于這個原因，在特定的工藝條件下，熱電勢的的值可能沒有表現(xiàn)出隨時效時間而單調(diào)減少。研究結(jié)果已經(jīng)表明，在Al - Cu系鋁合金中的G.P.區(qū)域保持穩(wěn)定的上限溫度相對較低。如果一個淬火后存在G.P.區(qū)的鋁銅合金試樣在超過190C加熱時，G.P.區(qū)會重新溶解在-Al固溶體中。Stark等在其關(guān)于可熱處理強化鋁合金的一篇論文中指出，在G.P.區(qū)在時效過程中的初始階段形成，并且優(yōu)先在較低溫度下時效時容易形成。固溶處理后和淬火后的鋁合金具有高濃度的空位缺陷，因此空

16、位擴散機制成為此時最主要的擴散模式，控制著的GP區(qū)和亞穩(wěn)相（GP區(qū)，）的形成。在高的溫度下時效，時效過程發(fā)生得非?？霨. P. (G.P.B.)區(qū)都迅速消失導(dǎo)致熱電勢時效時間圖上的波動特征消失。隨著時效時間的延長，”(S”)和(S)這些亞穩(wěn)相的量有所增加，硬度迅速增加，并最終達(dá)到硬度峰值，而-Al中的固溶的合金元素的量則在不斷減少。正如我們所指出的那樣，在相同溫度下固溶處理后的試樣時效時硬度達(dá)到峰值時，熱電勢的值基本上都相同。 這表明，根據(jù)材料的熱電勢值變化的特點（熱電勢對固溶體中合金元素的固溶量敏感），無論鋁合金試樣在怎樣的時效溫度下時效，-Al中的合金元素的固溶量基本上都是在同一時間到達(dá)峰

17、值。時效達(dá)到峰值后隨時間繼續(xù)延長，穩(wěn)定相相和S相開始形成和長大，此時開始過時效。在-Al中的合金元素溶解度快速下降，熱電勢時效時間的曲線顯示，鋁合金中的合金元素固溶量的下降是熱電勢連續(xù)下降的唯一的因素。 這項研究表明，在高溫下時效的試樣熱電勢的值下降的速率比在較低溫度下時效的試樣快。這符合預(yù)期的結(jié)論，并且與以往的研究結(jié)論是一致的，它們都表明，較高溫度下時效時時效速率也大。綜上所述，熱電勢的測量值與固溶體中-Al基體中合金元素的固溶量以及亞穩(wěn)片狀沉淀（G.P.區(qū)、G.P.B.相、”相、相、S相和S”相)的形成與消失有關(guān)。該類鋁合金的顯微硬度硬度與析出相的沉淀強化和固溶處理引起的固溶強化有關(guān)。在本

18、項研究中，這兩種方法都被用來證實鋁合金變化的趨勢。但是，這些方法都是間接的反映了鋁合金在相變過程中析出相以及微觀結(jié)構(gòu)的變化。但是熱電勢測定技術(shù)真正吸引人的地方在于該檢測技術(shù)是完全無損檢測技術(shù)，一個試樣可以被用來追蹤鋁合金在給定的溫度下的時效過程。它只需要在加熱給定時間后，在預(yù)先設(shè)定的時間測量熱電勢的變化。與硬度法相比熱電勢法的另一個優(yōu)點是：硬度法測定的只是樣品的一很小面積的硬度，如果試樣不是均勻的顯微組織，測得的顯微硬度值分散度很大，與硬度法相比，熱電勢法測量熱電勢的值反應(yīng)的是樣品的平均屬性（三維）。4結(jié)論本文作者研究的主要結(jié)論如下：（1）2024鋁合金的熱電勢和顯微硬度的值隨固溶處理溫度變化而變化。在固溶線以下的溫度固溶時，熱電勢的值和顯微硬度隨固溶處理溫度的增加而增加。在初熔溫度以上的溫度固溶時，-Al基體的熱電勢的值和顯微硬度隨固溶溫度的增加而下降。固相線和初熔溫度之間大約在500固溶處理時，熱電勢的值和顯微硬度均達(dá)到其最大值。（2）熱電勢的值與固溶時間有關(guān)，熱電勢測量技術(shù)可以用來確定最佳的固溶時間。（3）熱電勢的值隨時效時間延長單調(diào)下降，與此相比顯微硬度卻在時效一定的時間后可以達(dá)到其峰值。在時效初期，熱電勢下降比較緩慢。當(dāng)時效中硬度達(dá)到