铝合金外文翻译

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θ'，θ”，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α-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α-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。

图1 富铝的Al—Cu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→θ”→θ’→(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 = △V\△T 。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（μV / 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°C～548°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α相中合金元素的固溶度