铝合金外文翻译

1、热电势和电功率表征2024航空铝合金的固溶和时效过程Daren Sun2, 1, Xi-chen Sun1, Derek O.Northwood2, Jerry H. Sokolowski1（1.机械与材料工程学系 温莎大学 安大略省 加拿大 N9B3P4；2.工程材料系 吉林工业大学 长春省 中华人民共和国 130012）摘要：研究结果表明，与通过用显微硬度和光学显微镜手段相比，采用热电势和电功率（热功当量）测定技术研究2024航空铝合金的意义在于改变了固溶处理温度和时间，且在500时固溶，效果最佳。在固溶处理过程中的热电势的变化与o-Al相中的合金元素溶解度的变化相关。在人工时效过程中，热

2、电势的值随时效时间增加而减小，但在时效的不同阶段表现出不同的特点。在初始阶段，热电势下降缓慢，并且实验结果显示在温度低于190°C时效中所测热电势为脉动波。这种波动是由于G.I.区，G.P.B.区以及'，”，S”和S'相的形成时，对热电势的变化作出的贡献不同。在相同的固溶温度下，不同时效温度下与热电势的值相对应的最高硬度是相同的。在波峰以后的波段，热电势的值下降很快，这是因为在-Al的合金元素的溶解度随时效时间的延长而减少。在时效过程中，热电势测定技术通过测定热电势的变化成功的观测了沉淀析出引起的微观结构的变化，这由光学显微镜是不能实现的。1引言2024铝合金广泛应用

3、于飞机结构件，铆接构件，卡车车轮，丝机系列产品以及其它多种结构件。它是一种经过固溶处理，淬火以及人工时效处理的沉淀硬化铝合金，以得到最佳的机械性能组合。固溶处理即为固相的溶解过程，此固溶处理的固溶温度结果必须慎重选择。溶解度温度的关系可以通过Al Cu相图作为一个例子来说明（见图1）。铜在固态铝中的固溶度随固溶温度的升高而增大，在相图上较低的那条曲线（固相线）的温度以上，铜在-Al中是完全溶解的。但是，在高于熔点温度初期（即固相线），铜在铝中的溶解度随温度升高而减小，因为在这一个阶段，开始出现液相，而铜在液相中的溶解度比铜在固相中的更大。因此，固溶温度应介于固相线和开始的熔融温度（液相线）之间

4、。图1 富铝的AlCu端得平衡相图在室温和固溶线所示温度之间，随着温度的升高或随着时间的延长，这些沉淀相会连续的析出。这个沉淀相析出阶段沉淀相析出顺序一般表现为：过饱和固溶体G.P.区”(Al2Cu)。与Al-Cu合金系类似，对于大多数可热处理强化的铝合金，它们的析出过程都经历几个阶段，同时伴随着强度的改变。高强度固溶体在回火过程中析出沉淀相的微观结构尺寸极其微小，用光学显微镜不能观测到。专业人士在研究时效和固溶的进程中，人们采用了多种测试技术，如测定电阻率、测定热膨胀量。近些年来，热电势实验测试技术得到了发展，并且应用在了广泛的领域。它可以灵敏地检测出中的固溶体合金中的合金元素的改变和沉淀析

5、出引起的固溶体的变化。本文作者工作的目的是利用热电势技术来研究研究2024航空铝合金的固溶和时效。2实验过程2.1材料在这项研究中所使用的材料是一种直径为12毫米的2024铝合金热轧棒。该材料的详细的化学组成如表1。其中的做热电势试验的试样具体尺寸为：长70毫米，宽3毫米，厚l毫米。沿材料的最长的方向加工（70毫米），即沿轧制方向加工。2.2热处理制度2.2.1固溶温度的影响为了研究固溶处理温度对热电势值得影响，本实验温度选择为从440至560每隔10为一个实验温度。试样固溶处理30分钟，固溶完成后水淬。2.2.2时效制度的影响为了研究对人工时效对热电势值的影响，试样现在480到500之间固溶

6、30分钟后水淬，然后在170，190，220，或250四个温度中任选定一温度，时效时间从5分钟到100 小时间进行时效。为定量研究室温时效（自然时效）对热电势值的影响，这里把部分试样在500固溶后在室温下时效，到达预设的时间后测量热电势的值2.3显微组织的观察表1 2024铝合金的化学组成（质量百分数）Cu Mg Fe Mn Si Cr Zn Ti 4.4 1.5 <0.5 <0.6 <0.5 <0.1 <0.25 <0.15试样经热处理后，金相样品在碳化硅砂纸上先磨到粒度为180，然后在磨到粒度为4000，接着先在3微米的金刚砂悬浮液精磨，接着用司特尔公司

7、生产的胶态氧化硅和二氧化硅混合物进行精抛。用按200ml H2O:5ml HNO3:3ml HCl:2ml HF的比例配成的的腐蚀液进行腐蚀，最后在光学显微镜上观察金相组织，放大倍率为500。2.4热电势和显微硬度的测定图2介绍了热电势的测量系统的工作原理。将试样紧紧压到这些铜块上，以确保它们之间能良好的导热和导电。在试样上就有了电压，即温差电势，热电势用下面公式计算，S = VT 。Northwood等对热电势的测量系统的作了更详细的介绍。图2 热电势的测量实验装置示意图。显微硬度测定方法，用100克的载荷，金刚石压头，实验力保持时间15秒后读数，随机选择至少六个点测定显微硬度，它们的平均硬

8、度值作为实验数据。3实验结果与讨论3.1固溶温度和时间的影响热电势的值S（V / K）和显微硬度随固溶温度的变化情况可由图3所示的函数图像来描述。在固溶温度低于500时，热电势的值随固溶温度的增加而增加，达到约500最高值，随后随着温度的增加而下降，显微硬度也是同样的情况。图3 固溶温度对2024铝合金热电势和显微硬度的影响。图4是试样在500°C固溶处理时热电势和固溶时间之间的关系，从中我们可以很容易地看出初期热电势的值随时效时间延长而迅速增加，3分钟后热电势的值基本稳定，基本为一常数。图4 500°C固溶时热电势随固溶时间的变化趋势。合金在刚开始熔化时，即在固相线温度以

9、上，铜在铝合金中的固溶度随温度升高而下降，相反液态合金中的铜含量则增加。在熔融温度和固相线温度之间，铜在合金中的固溶度度为一常数。对于含铜量为5.25的铝合金，这个温度范围应该为536°C548°C。2024铝合金表现出与铝铜合金相同的规律。在固相线温度以下，2024合金中相中合金元素的固溶度随固溶温度的增加而增加，这体现在热电势值和显微硬度都在随固溶温度增加而增加。在光学显微镜下观察金相，这些变化并不明显。在大约500（固相线温度和初熔温度之间，对于2024铝合金约为502），合金元素在相中的固溶度达到最大值，热电势的值和合金的显微硬度也达到最大值。在初熔温度以上，由于液

10、相的出现合金元素的固溶度随固溶温度的进一步增加而下降。图5的金相照片展示了试样经过520°C的固溶处理后的典型的微观组织。在晶界处开始形成液相（富铜区），从而导致合金元素在-Al 中的溶解量下降。合金元素溶解量的下降引起了热电势的值和显微硬度的下降。从图6中可以看出热电势和显微硬度近似呈线性关系，但试样在初熔温度以上和以下固溶处理后这种线性关系不同。这项工作表明，热电势测量操作非常容易，而且可以被快速测出来，可以有效地用来测定实际生产过程中控制质量必需的固溶处理过程的时间。图5 2024铝合金在520固溶30分钟的晶界早期熔化现象。图6 热电势与显微硬度的关系。3.2时效制度的影响图

11、7（a-d）和图7(e-h)分别是在480和500固溶后时效温度分别为170，190，220，250时热电势和显微硬度的随时效时间的变化图。从图7，我们通过观察可以得到下列结论：（1）时效一定时间，显微硬度出现峰值，但热电势的值随着时效时间的增加而单调下降；热电势的值尽管随时效时间延长而下降，在不同时效温度下其随时效时间的变化显示出不同。时效初期，热电势随时间延长下降较慢，时效温图7 2024铝合金热电势和硬度，在 480固溶,时效温度分别为（a）170，（b）190，（c）220，（d）250的曲线; 500固溶时，时效温度为（e）170，（f）190，（g）220，（h）250的曲线。度较

12、低（<190）时，曲线显示出了波动性。在这个阶段，显微硬度增加缓慢。时效一定时间后，随着时间的延长，显微硬度开始迅速增加（这个时间对于不同的时效温度是不同），并最终达到一个峰值。值得注意的是当硬度到其峰值时，相同固溶温度不同时效温度处理的试样所测得的热电势几乎相等，例如，试样经500和480固溶处理后，时效处理时显微硬度到达峰值时的热电势分别在4.65V/ K和为-4.55V/ K左右。时效时显微硬度达到峰值后，热电势先迅速下降，然后缓慢下降，但最后没有到达一个平衡值。图8 试样固溶处理和时效后的显微结构：（a）500°C固溶；（b）500 °C固溶后再220

13、6;C时效3小时计算的热电势减小的平均值要比对单个试样进行测量时的大。在光学显微镜下观察试样的金相组织时，显微组织在这些过程中并没有明显的变化，如图8所示。(2)分别在500°C 和480°C固溶后，采用相同的时效工艺处理的试样，前者的热电势和硬度值比后者大。 (3)在高时效温度下时效比在低温下时效时显微硬度达到峰值时所用的时间较短。举例来说，样品在250°C时效时大约两小时出现波峰，但在 170°C时则需要两天。图9 2024铝合金室温下自然时的热电势。目前的沉淀理论可以很容易地解释时效过程中的热电势值的变化。对于这种合金，理论上应该存在两种连续方式的

14、转换，即G.P.”(Al2Cu)和G.P.B.S”SS (CuMgAl2)。在时效过程的初期，铝合金中随机分布的溶质原子在铝基特定的晶面上逐渐呈盘状聚合，从而形成G.P.区和G.P.B.区（或群）。随着时效时间的延长，G.P. (G.P.B) 区”相(S”相), ”相(S”相)相(S相)以及 相(S相)相相(S相)的转变被会相继发生。在G.P.”和G.P.B.S”SS这两种方式的连续转变过程中，固溶体中的合金元素含量将会下降，因此导致热电势的值减小。但是，值得注意的事情是热电势的值并不是简单地下降，而是在低温时效和自然时效图图7（a）和图9上的早期阶段可以清楚地看到热电势的波动。Pelleti

15、er等已经表明，时效过程中初期形成的沉淀物的类型对铝铜合金试样的热电势值会产生重大的影响，这其实是初期亚稳态片状沉淀（例如，G.P.区，”或）的作用，这些片状沉淀对热电势的值产生正面或负面的影响。然而，不连续分布的相沉淀对热电势的没有任何影响。因此，这些因素合金元素在-Al、G. P. (G.P.B.) 区、”相(S”相)及相(S相)中的固溶量对热电势的值将产生不同的影响。出于这个原因，在特定的工艺条件下，热电势的的值可能没有表现出随时效时间而单调减少。研究结果已经表明，在Al - Cu系铝合金中的G.P.区域保持稳定的上限温度相对较低。如果一个淬火后存在G.P.区的铝铜合金试样在超过190&

16、#176;C加热时，G.P.区会重新溶解在-Al固溶体中。Stark等在其关于可热处理强化铝合金的一篇论文中指出，在G.P.区在时效过程中的初始阶段形成，并且优先在较低温度下时效时容易形成。固溶处理后和淬火后的铝合金具有高浓度的空位缺陷，因此空位扩散机制成为此时最主要的扩散模式，控制着的GP区和亚稳相（GP区，'）的形成。在高的温度下时效，时效过程发生得非常快G. P. (G.P.B.)区都迅速消失导致热电势时效时间图上的波动特征消失。随着时效时间的延长，”(S”)和(S)这些亚稳相的量有所增加，硬度迅速增加，并最终达到硬度峰值，而-Al中的固溶的合金元素的量则在不断减少。正如我们所指

17、出的那样，在相同温度下固溶处理后的试样时效时硬度达到峰值时，热电势的值基本上都相同。 这表明，根据材料的热电势值变化的特点（热电势对固溶体中合金元素的固溶量敏感），无论铝合金试样在怎样的时效温度下时效，-Al中的合金元素的固溶量基本上都是在同一时间到达峰值。时效达到峰值后随时间继续延长，稳定相相和S相开始形成和长大，此时开始过时效。在-Al中的合金元素溶解度快速下降，热电势时效时间的曲线显示，铝合金中的合金元素固溶量的下降是热电势连续下降的唯一的因素。 这项研究表明，在高温下时效的试样热电势的值下降的速率比在较低温度下时效的试样快。这符合预期的结论，并且与以往的研究结论是一致的，它们都表明，较

18、高温度下时效时时效速率也大。综上所述，热电势的测量值与固溶体中-Al基体中合金元素的固溶量以及亚稳片状沉淀（G.P.区、G.P.B.相、”相、相、S相和S”相)的形成与消失有关。该类铝合金的显微硬度硬度与析出相的沉淀强化和固溶处理引起的固溶强化有关。在本项研究中，这两种方法都被用来证实铝合金变化的趋势。但是，这些方法都是间接的反映了铝合金在相变过程中析出相以及微观结构的变化。但是热电势测定技术真正吸引人的地方在于该检测技术是完全无损检测技术，一个试样可以被用来追踪铝合金在给定的温度下的时效过程。它只需要在加热给定时间后，在预先设定的时间测量热电势的变化。与硬度法相比热电势法的另一个优点是：硬度法测定的只是样品的一很小面积的硬度，如果试样不是均匀的显微组织，测得的显微硬度值分散度很大，与硬度法相比，热电势法测量