材料工程实验指导书(2)

实验一 沉淀强化铝合金的等时时效

前言

许多不同的铝合金，他们的强度取决于沉淀硬化。本实验所提供的样品是一种用于协和式飞机结构件的合金。这是一种复杂的铝合金，含有 Cu， Mg， Ni， Fe， Si 和Ti 元素，最初是由劳斯莱斯在第二次世界大战期间以锻件的形式开发的，主要用于燃气涡轮发动机，当时它被称为RR58。英国和法国政府选择用它制造协和飞机的决定，导致了对SST应用的要求，也就是明显的抗蠕变性能。在民用运输飞机中，通常不考虑此属性。但是当马赫数为2.2和2.5时，飞机表面温度在摩擦加热下分别升高到120℃和150℃；另一方面，由于协和飞机的寿命要求在20000小时到30000小时之间，所以蠕变性能成为关键。 Cu 2.25 - 2.70

这种合金可以与常见的包括杜拉铝在内的2000多种合金作比较，这2000多种合金的强化原因是形成Cu的析出物CuAl2。Ni的作用是优先形成NiAl3和复杂的A1CuNi化合物，这两者在高温下均能保持高稳定性；Fe具有与Ni类似的效果；Si的作用是形成Mg2Si，以提高强度；Ti的作用是晶粒细化。

最优的机械性能的组合是通过以下热处理过程获得的：在 530℃下进行20小时的固溶处理，再放入冷水中淬火，然后在 190℃下进行19小时的沉淀硬化。根据协和式飞机产品规范 CM00I，这种处理应该产生以下性能：

Test Temperature /?C 20 120 (after 1000hr soak) 150 (after 1000hr soak) 120 (after 3000hr soak) * PS = Proof stress

** El = Elongation

0.1% PS* / MNm-2 (MPa) 366 341 315 336 % El** on 50 mm 7 8 9 8 协和飞机用铝合金的化学组成（质量百分数） Mg Si Fe Ni 1.35 - 1.65 0.18 - 0.25 0.90 - 1.20 1.00 - 1.30 Ti 0.20 max Al balance 1

Test Temperature??/?C Stress to produce 0.1% total??plastic strain in 1000hr / MN m-2 (MPa) 150

177 当然，服役温度必须参考沉淀强化温度。在寿命期限内，服役温度必须低到足以防止过时效。由于这一限制，飞机似乎不可能以大于2.2马赫的速度飞行。

在本实验中，不可能按照工业热处理的工艺进行，因为那需要一个下午的漫长时间。但是我们注意到一个规律：随着时效温度的升高，所需的时效时间会相应缩短。因此，本实验采用在恒定时效时间内确定性能与温度的关系，代替在恒定温度下确定保温时间与性能关系的做法。

图中显示了一些铝合金的典型时效曲线。注意使用的是对数时间标度。所示的例子中，在T4温度下进行10小时的时效处理，可以得到最佳性能。对每个样品都进行1小时的等时时效 也都会产生一条曲线，曲线在T4温度时会上升到最高，随后逐渐下降，但得到的峰值硬度小于最佳处理后得到的硬度。

实验过程

所使用的样品都经过了相同的固溶处理。确定每个样品硬度。然后将样品分别在20℃，100℃，200℃，300℃和350℃下分别处理一个小时，在冷水中冷却。在室温下，快速测定每个试样的硬度。绘制硬度与时效温度的曲线。

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结果与讨论

在你的讨论中应确定：

? 硬度-温度曲线的形式是什么？ ? 最佳时效温度是多少？

? 时效曲线中出现峰值的原因是什么？ ? 过时效的原因是什么？

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实验二 在热处理过程中合金的显微组织的变化一奥斯瓦尔德熟化

前言

合金的机械性能取决于它们的显微组织，而显微组织可以通过热处理改变。换言之，采用不同的热处理可以显著改变合金的力学性能。对合金在热处理过程中微观结构变化的表征是理解微观结构与加工条件关系方面一个重要的步骤。

在热处理过程中一项重要的微观结构变化就是第二相颗粒的粗化，称为奥斯瓦尔德熟化。当一相或多相的大量粒子存在于合金的微观结构中时，在大多数情况下，每相的颗粒尺寸都不一样，有大有小。

由于颗粒与基体之间界面的影响，在较小的Cα粒子（r1）附近基体中的溶质浓度高于较大的Cα粒子（r2）附近，即Cα（R1）> Cα（R2）。由于这种溶质浓度差，对溶质来说有一种驱动力（如图1所示的B原子），使其从小颗粒扩散到大颗粒，如图1所示。这会导致小颗粒收缩和大颗粒生长！随着这一过程的继续，小颗粒将消失，大颗粒将变得更大，导致所有合金颗粒的平均直径的净增加。对于合金的等温热处理，平均颗粒半径r与热处理时间t之间通常会存在一定关系。

图1 α基体中具有r1和r2半径的两个β颗粒

如果粒子粗化速率由溶质原子（B原子）在基体晶格中的扩散所控制，这种关系可以用一个公式描述： r3=A十Bt (1) 其中A和B是常数，可以通过实验确定。

如果粒子粗化速率由溶质原子在粒子与基体界面处的迁移所控制，这种关系可以用一个公式描述： r2=A十Bt (2)

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