鋁合金外文翻譯

1、熱電勢(shì)和電功率表征2024航空鋁合金的固溶和時(shí)效過(guò)程Daren Sun2, 1, Xi-chen Sun1, Derek O.Northwood2, Jerry H. Sokolowski1（1.機(jī)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(zhǎng)春省 中華人民共和國(guó) 130012）摘要：研究結(jié)果表明，與通過(guò)用顯微硬度和光學(xué)顯微鏡手段相比，采用熱電勢(shì)和電功率（熱功當(dāng)量）測(cè)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(shí)間，且在500時(shí)固溶，效果最佳。在固溶處理過(guò)程中的熱電勢(shì)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(shí)效過(guò)程中，熱

2、電勢(shì)的值隨時(shí)效時(shí)間增加而減小，但在時(shí)效的不同階段表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。在初始階段，熱電勢(shì)下降緩慢，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在溫度低于190°C時(shí)效中所測(cè)熱電勢(shì)為脈動(dòng)波。這種波動(dòng)是由于G.I.區(qū)，G.P.B.區(qū)以及'，”，S”和S'相的形成時(shí)，對(duì)熱電勢(shì)的變化作出的貢獻(xiàn)不同。在相同的固溶溫度下，不同時(shí)效溫度下與熱電勢(shì)的值相對(duì)應(yīng)的最高硬度是相同的。在波峰以后的波段，熱電勢(shì)的值下降很快，這是因?yàn)樵?Al的合金元素的溶解度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而減少。在時(shí)效過(guò)程中，熱電勢(shì)測(cè)定技術(shù)通過(guò)測(cè)定熱電勢(shì)的變化成功的觀測(cè)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(shí)現(xiàn)的。1引言2024鋁合金廣泛應(yīng)用

3、于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，鉚接構(gòu)件，卡車車輪，絲機(jī)系列產(chǎn)品以及其它多種結(jié)構(gòu)件。它是一種經(jīng)過(guò)固溶處理，淬火以及人工時(shí)效處理的沉淀硬化鋁合金，以得到最佳的機(jī)械性能組合。固溶處理即為固相的溶解過(guò)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(guò)Al Cu相圖作為一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明（見(jiàn)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(diǎn)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?yàn)樵谶@一個(gè)階段，開(kāi)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(kāi)始的熔融溫度（液相線）之間

4、。圖1 富鋁的AlCu端得平衡相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(shí)間的延長(zhǎng)，這些沉淀相會(huì)連續(xù)的析出。這個(gè)沉淀相析出階段沉淀相析出順序一般表現(xiàn)為：過(guò)飽和固溶體G.P.區(qū)”(Al2Cu)。與Al-Cu合金系類似，對(duì)于大多數(shù)可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，它們的析出過(guò)程都經(jīng)歷幾個(gè)階段，同時(shí)伴隨著強(qiáng)度的改變。高強(qiáng)度固溶體在回火過(guò)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(cè)到。專業(yè)人士在研究時(shí)效和固溶的進(jìn)程中，人們采用了多種測(cè)試技術(shù)，如測(cè)定電阻率、測(cè)定熱膨脹量。近些年來(lái)，熱電勢(shì)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)出中的固溶體合金中的合金元素的改變和沉淀析

5、出引起的固溶體的變化。本文作者工作的目的是利用熱電勢(shì)技術(shù)來(lái)研究研究2024航空鋁合金的固溶和時(shí)效。2實(shí)驗(yàn)過(guò)程2.1材料在這項(xiàng)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(shì)試驗(yàn)的試樣具體尺寸為：長(zhǎng)70毫米，寬3毫米，厚l毫米。沿材料的最長(zhǎng)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(duì)熱電勢(shì)值得影響，本實(shí)驗(yàn)溫度選擇為從440至560每隔10為一個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度。試樣固溶處理30分鐘，固溶完成后水淬。2.2.2時(shí)效制度的影響為了研究對(duì)人工時(shí)效對(duì)熱電勢(shì)值的影響，試樣現(xiàn)在480到500之間固溶

6、30分鐘后水淬，然后在170，190，220，或250四個(gè)溫度中任選定一溫度，時(shí)效時(shí)間從5分鐘到100 小時(shí)間進(jìn)行時(shí)效。為定量研究室溫時(shí)效（自然時(shí)效）對(duì)熱電勢(shì)值的影響，這里把部分試樣在500固溶后在室溫下時(shí)效，到達(dá)預(yù)設(shè)的時(shí)間后測(cè)量熱電勢(shì)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

7、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 HNO3:3ml 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(shì)和顯微硬度的測(cè)定圖2介紹了熱電勢(shì)的測(cè)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(shì)，熱電勢(shì)用下面公式計(jì)算，S = VT 。Northwood等對(duì)熱電勢(shì)的測(cè)量系統(tǒng)的作了更詳細(xì)的介紹。圖2 熱電勢(shì)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。顯微硬度測(cè)定方法，用100克的載荷，金剛石壓頭，實(shí)驗(yàn)力保持時(shí)間15秒后讀數(shù)，隨機(jī)選擇至少六個(gè)點(diǎn)測(cè)定顯微硬度，它們的平均硬

8、度值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1固溶溫度和時(shí)間的影響熱電勢(shì)的值S（V / 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(lái)描述。在固溶溫度低于500時(shí)，熱電勢(shì)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(duì)2024鋁合金熱電勢(shì)和顯微硬度的影響。圖4是試樣在500°C固溶處理時(shí)熱電勢(shì)和固溶時(shí)間之間的關(guān)系，從中我們可以很容易地看出初期熱電勢(shì)的值隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而迅速增加，3分鐘后熱電勢(shì)的值基本穩(wěn)定，基本為一常數(shù)。圖4 500°C固溶時(shí)熱電勢(shì)隨固溶時(shí)間的變化趨勢(shì)。合金在剛開(kāi)始熔化時(shí)，即在固相線溫度以

9、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，銅在合金中的固溶度度為一常數(shù)。對(duì)于含銅量為5.25的鋁合金，這個(gè)溫度范圍應(yīng)該為536°C548°C。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(shì)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(duì)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(shì)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

10、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(guò)520°C的固溶處理后的典型的微觀組織。在晶界處開(kāi)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(shì)的值和顯微硬度的下降。從圖6中可以看出熱電勢(shì)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(xiàng)工作表明，熱電勢(shì)測(cè)量操作非常容易，而且可以被快速測(cè)出來(lái)，可以有效地用來(lái)測(cè)定實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中控制質(zhì)量必需的固溶處理過(guò)程的時(shí)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(shì)與顯微硬度的關(guān)系。3.2時(shí)效制度的影響圖

11、7（a-d）和圖7(e-h)分別是在480和500固溶后時(shí)效溫度分別為170，190，220，250時(shí)熱電勢(shì)和顯微硬度的隨時(shí)效時(shí)間的變化圖。從圖7，我們通過(guò)觀察可以得到下列結(jié)論：（1）時(shí)效一定時(shí)間，顯微硬度出現(xiàn)峰值，但熱電勢(shì)的值隨著時(shí)效時(shí)間的增加而單調(diào)下降；熱電勢(shì)的值盡管隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而下降，在不同時(shí)效溫度下其隨時(shí)效時(shí)間的變化顯示出不同。時(shí)效初期，熱電勢(shì)隨時(shí)間延長(zhǎng)下降較慢，時(shí)效溫圖7 2024鋁合金熱電勢(shì)和硬度，在 480固溶,時(shí)效溫度分別為（a）170，（b）190，（c）220，（d）250的曲線; 500固溶時(shí)，時(shí)效溫度為（e）170，（f）190，（g）220，（h）250的曲線。度較

12、低（<190）時(shí)，曲線顯示出了波動(dòng)性。在這個(gè)階段，顯微硬度增加緩慢。時(shí)效一定時(shí)間后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，顯微硬度開(kāi)始迅速增加（這個(gè)時(shí)間對(duì)于不同的時(shí)效溫度是不同），并最終達(dá)到一個(gè)峰值。值得注意的是當(dāng)硬度到其峰值時(shí)，相同固溶溫度不同時(shí)效溫度處理的試樣所測(cè)得的熱電勢(shì)幾乎相等，例如，試樣經(jīng)500和480固溶處理后，時(shí)效處理時(shí)顯微硬度到達(dá)峰值時(shí)的熱電勢(shì)分別在4.65V/ K和為-4.55V/ K左右。時(shí)效時(shí)顯微硬度達(dá)到峰值后，熱電勢(shì)先迅速下降，然后緩慢下降，但最后沒(méi)有到達(dá)一個(gè)平衡值。圖8 試樣固溶處理和時(shí)效后的顯微結(jié)構(gòu)：（a）500°C固溶；（b）500 °C固溶后再220

13、6;C時(shí)效3小時(shí)計(jì)算的熱電勢(shì)減小的平均值要比對(duì)單個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)量時(shí)的大。在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣的金相組織時(shí)，顯微組織在這些過(guò)程中并沒(méi)有明顯的變化，如圖8所示。(2)分別在500°C 和480°C固溶后，采用相同的時(shí)效工藝處理的試樣，前者的熱電勢(shì)和硬度值比后者大。 (3)在高時(shí)效溫度下時(shí)效比在低溫下時(shí)效時(shí)顯微硬度達(dá)到峰值時(shí)所用的時(shí)間較短。舉例來(lái)說(shuō)，樣品在250°C時(shí)效時(shí)大約兩小時(shí)出現(xiàn)波峰，但在 170°C時(shí)則需要兩天。圖9 2024鋁合金室溫下自然時(shí)的熱電勢(shì)。目前的沉淀理論可以很容易地解釋時(shí)效過(guò)程中的熱電勢(shì)值的變化。對(duì)于這種合金，理論上應(yīng)該存在兩種連續(xù)方式的

14、轉(zhuǎn)換，即G.P.”(Al2Cu)和G.P.B.S”SS (CuMgAl2)。在時(shí)效過(guò)程的初期，鋁合金中隨機(jī)分布的溶質(zhì)原子在鋁基特定的晶面上逐漸呈盤(pán)狀聚合，從而形成G.P.區(qū)和G.P.B.區(qū)（或群）。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，G.P. (G.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(huì)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(guò)程中，固溶體中的合金元素含量將會(huì)下降，因此導(dǎo)致熱電勢(shì)的值減小。但是，值得注意的事情是熱電勢(shì)的值并不是簡(jiǎn)單地下降，而是在低溫時(shí)效和自然時(shí)效圖圖7（a）和圖9上的早期階段可以清楚地看到熱電勢(shì)的波動(dòng)。Pelleti

15、er等已經(jīng)表明，時(shí)效過(guò)程中初期形成的沉淀物的類型對(duì)鋁銅合金試樣的熱電勢(shì)值會(huì)產(chǎn)生重大的影響，這其實(shí)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(duì)熱電勢(shì)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(duì)熱電勢(shì)的沒(méi)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(duì)熱電勢(shì)的值將產(chǎn)生不同的影響。出于這個(gè)原因，在特定的工藝條件下，熱電勢(shì)的的值可能沒(méi)有表現(xiàn)出隨時(shí)效時(shí)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(duì)較低。如果一個(gè)淬火后存在G.P.區(qū)的鋁銅合金試樣在超過(guò)190&

16、#176;C加熱時(shí)，G.P.區(qū)會(huì)重新溶解在-Al固溶體中。Stark等在其關(guān)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金的一篇論文中指出，在G.P.區(qū)在時(shí)效過(guò)程中的初始階段形成，并且優(yōu)先在較低溫度下時(shí)效時(shí)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，因此空位擴(kuò)散機(jī)制成為此時(shí)最主要的擴(kuò)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(shí)效，時(shí)效過(guò)程發(fā)生得非?？霨. P. (G.P.B.)區(qū)都迅速消失導(dǎo)致熱電勢(shì)時(shí)效時(shí)間圖上的波動(dòng)特征消失。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，”(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

17、出的那樣，在相同溫度下固溶處理后的試樣時(shí)效時(shí)硬度達(dá)到峰值時(shí)，熱電勢(shì)的值基本上都相同。 這表明，根據(jù)材料的熱電勢(shì)值變化的特點(diǎn)（熱電勢(shì)對(duì)固溶體中合金元素的固溶量敏感），無(wú)論鋁合金試樣在怎樣的時(shí)效溫度下時(shí)效，-Al中的合金元素的固溶量基本上都是在同一時(shí)間到達(dá)峰值。時(shí)效達(dá)到峰值后隨時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，穩(wěn)定相相和S相開(kāi)始形成和長(zhǎng)大，此時(shí)開(kāi)始過(guò)時(shí)效。在-Al中的合金元素溶解度快速下降，熱電勢(shì)時(shí)效時(shí)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(shì)連續(xù)下降的唯一的因素。 這項(xiàng)研究表明，在高溫下時(shí)效的試樣熱電勢(shì)的值下降的速率比在較低溫度下時(shí)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

18、高溫度下時(shí)效時(shí)時(shí)效速率也大。綜上所述，熱電勢(shì)的測(cè)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(qiáng)化和固溶處理引起的固溶強(qiáng)化有關(guān)。在本項(xiàng)研究中，這兩種方法都被用來(lái)證實(shí)鋁合金變化的趨勢(shì)。但是，這些方法都是間接的反映了鋁合金在相變過(guò)程中析出相以及微觀結(jié)構(gòu)的變化。但是熱電勢(shì)測(cè)定技術(shù)真正吸引人的地方在于該檢測(cè)技術(shù)是完全無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，一個(gè)試樣可以被用來(lái)追蹤鋁合金在給定的溫度下的時(shí)效過(guò)程。它只需要在加熱給定時(shí)間后，在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間測(cè)量熱電勢(shì)的變化。與硬度法相比熱電勢(shì)法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：硬度法測(cè)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(cè)得的顯微硬度值分散度很大，與硬度法相比，熱電勢(shì)法測(cè)量