2000系铝合金端部淬火淬透性研究_张忠宪.pdf
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1、2023年 第5期 热加工46热 处 理Heat Treatment2000系铝合金端部淬火淬透性研究张忠宪哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150060摘要:采用端部淬火方法开展2000系铝合金的淬透性研究,并通过对材料硬度和电导率指标的测试分析,绘出硬度和电导率随端部变化曲线图。研究结果表明:同种合金中合金元素含量越高,固溶体稳定性越低,淬透性也越差。由于Cu是Al-Cu-Mg合金中的主要强化元素,Cu含量的降低将导致力学性能显著下降,因此想要在保持较高力学性能的前提下提高Al-Cu-Mg合金的淬透性,则较为困难。关键词:端部淬火;2000系铝合金;淬透性;固溶体1 序言自发现
2、A1-Cu-Mg合金的时效硬化现象以来,2000系铝合金以其高强度以及良好的耐热性能和抗腐蚀性能广泛应用于航空工业1。该系铝合金淬透性整体较低,而随着材料厚度的增加,尤其是为了减小淬火残余应力而降低冷却强度时,材料中心部位的淬火速率往往达不到所需的临界冷却速率,从而导致性能下降,出现淬不透的现象。因此2000系铝合金厚截面材料的淬透性问题引起了人们广泛的关注。影响铝合金淬火敏感性的因素也是影响其淬透性的因素,主要包括合金的化学成分、制备工艺及微观组织2。其中,主合金元素对淬火敏感性的影响十分显著,如Zn、Mg和Cu含量增加时,通常都会提高合金的淬火敏感性3,4。淬透性的测定及其试验方法源于钢铁
3、热处理5。钢的淬透性的物理意义非常明确,即将测量零件表面向里深入到半马氏体区(即马氏体和屈氏体或其他组织各占50%)的距离作为淬透层深度。铝合金淬火后保留的是过饱和固溶体,其过饱和程度很难用显微镜进行观察和测试6。类似钢取样测量铝合金等温转变C曲线也相当困难。进行大量不同的Cu、Mg比例与含量的淬透性试验可能得不到理想结果,相关2000系合金淬透性研究也较少,因此开展2种成分不同的2000系铝合金端部淬火试验研究,以评估Cu、Mg含量变化对2000系铝合金淬透性的影响,同时收集一定的基础数据。2 试验方案2.1 试样制备选取2种合金制备后加工成26mm250mm圆棒(见图1a),一端端面加工成
4、锥面(见图1b),另一端加工卡槽用于装夹试样(见图1c)。合金化学成分见表1,力学性能见表2。a)圆棒规格b)淬火端锥面 c)夹持端凹槽图1端部淬火试样 表1合金主要化学成分(质量分数)(%)合金牌号CuMg AlCu2.0Mg1.02.01.0AlCu3.8Mg1.23.81.22023年 第5期 热加工47热 处 理Heat Treatment表2合金力学性能合金牌号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率(%)AlCu2.0Mg1.029241918AlCu3.8Mg1.2367508202.2 端部淬火试验端部淬火试验装置如图2所示。将固溶处理好的试棒迅速从炉中转移到试验机上,并套装保温
5、石棉,以降低试棒周侧温度散失对试验结果的影响。试样装夹好后迅速打开冷却水喷嘴开始淬火,转移过程控制在5s以内。淬火端加工的内锥面可避免因冷却水喷溅到试棒侧壁而影响试验结果。淬火端理论冷却速度约为200/s,随着试样沿轴向距离淬火端越远,该部位的淬火冷却速度也越低。不同的冷却速度产生了不同的组织与性能变化。通过研究试棒心部轴向距淬火端不同距离组织的电导率与硬度变化,即可评估材料的淬火敏感性。高强度。试验对2种2000系合金淬火后距离淬火端5mm、25mm、45mm、65mm、85mm、105mm、125mm、145mm、165mm处剖面中心部位电导率进行测试,每个位置测量3个点,最终结果为该位置
6、3点测量值的平均值。由于轴向切割、抛光试样需要一定时间,因此实际测量所得为淬火后1h的测试数据。试验采用的是SIGMATEST 2.069型电导率测试仪。试样切割状态如图3所示。图2端部淬火试验装置示意图3端部淬火试样剖面图4硬度测试夹具电导率与材料溶质原子存在状态有关,合金原子以固溶态存在时,材料电导率较低,当固溶体分解并以析出相的形式脱溶时,材料的电导率较高。因此,淬火后材料不同位置的电导率可反映不同冷却速度下固溶体的相对含量。若电导率较低,则该部位淬火速度足够使亚稳态的固溶体保存下来;若电导率较高,则该部位冷却速度不足,较多固溶体已发生分解,无法进一步通过时效处理来获得较在电导率测试完毕
7、后,还要对试棒进行48h自然时效处理,测试其硬度沿试棒轴向的变化情况。硬度测试使用维氏硬度计进行检测,测量中心线上距离淬火端面5mm、15mm、25mm、35mm、45mm、55mm、65mm、75mm、85mm、95mm与105mm处的硬度,每个位置测量5个点,最终结果为该位置5点测量值的平均值。测试时为了稳定试样姿态,使用专用夹具对试样进行固定,如图4所示。表3电导率随端淬距离变化合金牌号距淬火端的距离/mm525456585105125145165电导率(%IACS)AlCu2.0Mg1.042.242.443.043.944.644.945.245.345.2AlCu3.8Mg1.23
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