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DarenSun2,1,Xi-chenSun1,DerekO.Northwood2,JerryH.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℃，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℃2.3显微组织的观察表12024铝合金的化学组成（质量百分数）CuMgFeMnSiCrZnTi4.41.5<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200mlH2O:5mlHNO3:3mlHCl:2mlHF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图4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～5482024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α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α-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52024铝合金在520℃图6热电势与显微硬度的关系。3.2时效制度的影响图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图72024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℃度较低（<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4.65μV/K和为-4.55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图92024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转换，即G.P.→θ”→θ’→(Al2Cu)和G.P.B.→S”→S’→S(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→θ”相(S”相),θ”相(S”相)→θ’相(S’相)以及θ’相(S’相)相→θ相(S相)的转变被会相继发生。在G.P.→θ”→θ’→θ和G.P.B.→S”→S’→S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。Pelletier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，θ”或θ’）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θ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α-Al、G.P.(G.P.B.)区、θ”相(S”相)及θ’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°C加热时，G.P.区会重新溶解在α-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，β'）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—随着时效时间的延长，θ”(S”)和θ’(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α-Al中的固溶的合金元素的量则在不断减少。正如我们所指出的那样，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，α-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θ相和S相开始形成和长大，此时开始过时效。在θ-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α-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、θ”相、θ’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，热电势法测量热电势的值反应的是样品的平均属性（三维）。4结论本文作者研究的主要结论如下：（1）2024铝合金的热电势和显微硬度的值随固溶处理温度变化而变化。在固溶线以下的温度固溶时，热电势的值和显微硬度随固溶处理温度的增加而增加。在初熔温度以上的温度固溶时，α-Al基体的热电势的值和显微硬度随固溶温度的增加而下降。固相线和初熔温度之间大约在500℃（2）热电势的值与固溶时间有关，热电势测量技术可以用来确定最佳的固溶时间。（3）热电势的值随时效时间延长单调下降，与此相比显微硬度却在时效一定的时间后可以达到其峰值。在时效初期，热电势下降比较缓慢。当时效中硬度达到其峰值时，此时不论在时效温度是否相同，其热电势的值都几乎相等，此后继续时效热电势迅速下降，显微硬度也开始减小。（4）对于在低温下时效处理，在较短时间内，热电势的值并不是简单的下降，而是表现出波动的特征。热电势的波动特征是由于形成了G.P.区、G.P.B.区、θ”相、S”相、θ’相和S’相，这些相对热电势的值有不同的影响（正或负）。（5）试样分别在500°C固溶处理与在480在这项研究中，由加拿大自然研究基金和温莎大学研究委员会提供给Nrthwood教授和Sokolowski教授财政援助。ThermoelectricPowerCharacterizationofa2024AluminumAlloyDuringSolutionTreatmentandAgingDarenSunb,a,Xi-chenSuna,DerekO.NorthwoodaandJerryH.SokolowskiaaEngineeringMaterialsGroup,DepartmentofMechanicalandMaterialsEngineering,UniversityofWindsor,Windsor,OntariobEngineeringMaterialsDepartment,JilinUniversityofTechnology,Changchun,Peoples'RepublicofChina摘要Thesolutiontreatmentandagingofa2024aluminumalloywasstudiedusingthethermoelectricpower(TEP)measurementechniqueandtheresultscomparedtothoseobtainedbymicrohardnessandopticalmicroscopy.TheTEPvaluechangeswithsolutiontreatmenttemperatureanddurationandreachesamaximumvalueforsolutiontreatmentat500°C.ThechangesinTEPduringsolutiontreatmentarecausedbychangesinthesolubilityofthealloyingelementsino-Al.Intheartificialagingprocess,theTEPvaluedecreaseswithincreasingagingtime,butexhibitsdifferentcharacteristicsfordifferentstagesofaging.Intheinitialstage,theTEPvaluedecreasesslowlyandshowsafluctuatingbehaviorforagingintemperaturesbelow190°C.ThisfluctuationiscausedbyG.I.zone,G.P.B.zone,θ’,θ”,S”,andS’formationwhichmakedifferentcontributionstotheTEPvalue.TheTEPvaluescorrespondingtomaximummicrohardnessfordifferentagingtemperaturesarethesameforagivensolutiontreatmenttemperature.Afterthepeakage,theTEPvaluesdecreaseveryquicklybecausethesolubilityofthealloyingelementsinα-Aldecreaseswithagingtime.ThemicrostructuralchangescausedbyprecipitationduringagingwhichcannotbeobservedbythelightopticalmicroscopeweresuccessfullymonitoredbytheTEPmeasurementtechnique.INTRODUCTIONThealuminumalloy2024iswidelyusedinaircraftstructures,rivet铆钉铆接铆铆合hardware,truckwheels,screw螺丝钉螺丝丝杠machineproducts,andothermiscellaneous混杂的杂项的多种类的杂项杂用structuralapplications.Itisaprecipitation-hardeningalloywhichissubjectedtoasolutiontreatment,quenching,andanartificialagingtreatmentinordertoobtaintheoptimumcombinationofmechanicalproperties.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。Thesolutiontreatment固溶处理resultsinthedissolution溶出度溶解溶出溶解作用ofsolidphases,andthetemperatureforthistreatmentmustbecarefullychosen.Thesolubility-temperaturerelationshipscanbeillustrated说明用图说明的有插图的byusingtheAl-Cusystem(seeFig.1)asanexample.Attemperaturesbelowthesolidus,theequilibriumstateconsistsoftwosolidphases:αsolidsolutionandanintermetallic-com-poundphase,θ(Al2Cu).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）。此相图上，在低于固相线温度的区域，任一组分的物质平衡时，都包含两个固相：α固溶体和金属间化合物θ相（Al2Cu）。Thesolidsolubility固溶度ofcopperinthealuminumsolidsolutionincreasesasthetemperatureincreases,andattemperaturesabovethelowercurve(solidus固相线),copperiscompletelysolubleinα-Al.铜在固态铝中的固溶度随固溶温度的升高而增大，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。However,attemperaturesabovetheincipient初期的初发的初发meltingtemperature(thesolidusline),thesolubilityofcopperinaluminumdecreaseswithincreasingtemperaturesbecauseofformationofaliquidphasewhichcontainsahighercoppercontentthaninthesolid.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更大。Therefore,thesolutiontemperatureshouldbebetweenthesolidusandtheincipientmeltingtemperature(solidus).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。FIG.1.Aluminum-richendofthealuminum-copperequilibrium平衡态diagram[2].InAl-Cualloys,asuccession演替继承演变顺序性ofprecipitates析出相沉淀沉淀物isdevelopeduponagingarapidlycooledsupersaturatedsolidsolution(SSS)过饱和固溶体超饱和固溶体过饱和固溶体过饱和固溶.在铝铜合金中，时效后急剧冷却，时效过程中缓慢析出的析出相转化为过饱和固溶体（SSS）Theseprecipitatesdevelopsequentially连续eitherwithincreasingtemperatureorwithincreasingtimeattemperaturebetweenroomtemperatureandthesolvus固溶线.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。Theseveralstagesaretypically典型代表性地givenasthefollowingsequence[2]:SSS→G.P.zone→θ”→θ’→(Al2Cu)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)Mostoftheheat-treatablealuminumalloysystemsexhibitmultistage多阶段多级多阶段多级的多段的多段多阶段的precipitation沉淀析出andundergo经历进行accompanying伴生陪伴的strength强度力强度的浓度抗压强度抗拉强度changesanalogous模拟类似的类似to类似thoseoftheAl-Cusystem.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，并伴随着强度的改变。Thestructural结构构造结构性的结构结构的结构化changesfromthesolidsolutiontothehigh-strength高强高强度tempers回火平整involveprecipitates析出相沉淀沉淀物thataretoosmalltoberesolved分辨bythelightmicroscope.Instudyingtheprocessesofsolutiontreatmentandaging,manymeasurementtechniqueshavebeenused,includingresistivity电阻率电阻anddilatometry膨胀测量热膨胀仪.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。Inrecentyears,theexperimental实验试验实验性实验的techniqueofthermoelectricpower(TEP)measurementhasbeendevelopedandhasbeenusedinawiderangeofinvestigations研究调查调查研究.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。Itcansensitivelymonitor监测监控thevariationsinthealloyingelementsinsolidsolutioninthealloyanddetect检测探测测定发现检测出changesinducedbyprecipitation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。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。TheobjectiveofthisworkistousetheTEPtechniquetoinvestigatethesolutiontreatmentandagingofa2024aluminumalloy.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Thematerialusedinthisstudywasa2024-aluminum-alloyhot-rolledrod,withadiameterof12mm.AdetailedchemicalanalysisispresentedinTable1.TheTEPspecimenswhichwere70mmlong,3mmwide,andlmmthickweremachined加工fromtherodwiththelongdimension(70mm)beingintherollingdirection。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。HEATTREATMENT热处理HYPERLINK"/dict_result.