專利名稱：一種測定鋁合金端淬時沿試樣軸向溫度場的方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料熱處理領域，具體涉及一種測定鋁合金端淬時沿試樣軸向溫度場的方法。
背景技術：
隨著航空航天及國防軍工等領域的快速發展，鋁合金結構件的發展逐步向大型化、整體化轉變,對大截面鋁合金厚板的需求不斷增加,對板材性能的要求也越來越高。鋁合金厚板在固溶淬火過程中，由于板材厚度較大容易產生未淬透現象，導致板材表面和芯部的性能不一致，從而制約了鋁合金厚板的生產和使用。在固溶淬火過程中，通過厚板芯部實際冷卻速度與TTP(Time Temperature Properties)曲線估算的臨界冷卻速度之間的關 系，可以較為準確的預測厚板是否淬透，淬火時試樣芯部冷卻速度的連續變化會導致心部組織的連續變化，從而建立冷卻速度與連續冷卻組織的對應關系，精確測定淬火時鋁合金試樣淬火端面上的溫度變化，對準確計算端面換熱系數具有決定性作用，端面換熱系數是評價淬火介質冷卻能力的主要參數，也是淬火過程計算機模擬的重要邊界條件。從上面的應用可以看出精確測定鋁合金端淬時沿試樣軸向的溫度場是十分重要的，溫度場是溫度隨著時間和空間變化的函數，即T=f (X，y, z, t)。目前，關于鋁合金試樣中心軸線處溫度場的測定，國內外的方法較為一致，具體是首先，加工一個圓柱狀或棱柱狀的鋁合金端淬試樣；然后，在需要安裝熱電偶的位置，由試樣表面向心部軸線處沿徑向打孔，將熱電偶安裝在深孔中；最后，進行端淬實驗，記錄數據測得溫度場。上述方法十分簡單、方便，但是有幾點不足(I)熱電偶測溫端在深孔內位置不易固定，實驗過程中測溫點容易發生變化，導致采集的溫度數據不準確；(2)安裝熱電偶的孔直接與外界相通，且沒有采取保護措施，實驗過程中環境因素會大大影響測溫的準確性；(3)受熱電偶安裝方法的限制，無法測量距淬火端面極近處(熱電偶與淬火端面距離小于Imm)的溫度場。
發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供了一種測定鋁合金端淬時沿試樣軸向溫度場的方法，目的通過改變試樣的制作方法和熱電偶的安裝方法，克服現有技術中存在的影響測量數據穩定性和準確性的缺陷。為了實現上述目的，本發明的技術方案按照以下步驟進行
(I)制備試樣將待測鋁合金坯料制備成頂部帶有圓柱形臺階的圓柱形端淬試樣，將端淬試樣沿柱體切割成“L”形底座和“I”形側蓋兩部分；“L”形底座的底面即為端淬試樣的淬火端面，沿“L”形底座縱向切割面的高度方向加工一凹槽，凹槽底面的中心線與端淬試樣的中心軸線重合，以通過端淬試樣的中心軸線且垂直于凹槽底面的平面為對稱平面，在“L”形底座和“ I ”形側蓋上加工兩組螺釘孔，每組螺釘孔由分別位于“L”形底座和“ I ”形側蓋的上下兩個螺釘孔構成，兩個螺釘孔大小一致、中心對正；(2)安裝熱電偶在凹槽底面上沿端淬試樣的中心軸線上，在需要安裝熱電偶的位置加工出3-4_深的孔，將熱電偶一端正負極連接后植入孔中，并用和坯料相同材料的鋁合金細絲將熱電偶和孔之間的空隙鉚嚴，使熱電偶線整齊的排列在凹槽內，剩余部分從凹槽的開口引出端淬試樣外，熱電偶的另一端連接數據記錄儀信號輸入通道，用和坯料相同材料的螺釘旋入螺釘孔將“L”形底座和“ I ”形側蓋連接在一起，旋入螺釘后保證試樣的淬火端面平齊，試樣安裝完畢后用管箍在外側加固，將試樣結合處的縫隙用耐火棉或耐火泥封嚴，“L”形底座和“I”形側蓋連接為一體；
(3)端淬測試對端淬試樣在馬弗爐中進行固溶處理，固溶處理結束后5秒內將端淬試樣從馬弗爐中轉移到淬火架上進行端淬，打開數據記錄儀采集溫度隨時間變化的數據，保持淬火介質流量恒定,淬火介質垂直噴射到端淬試樣淬火端面的中心,直至端淬試樣的溫度降到室溫；
(4)處理數據端淬結束后，根據數據記錄儀測得的實驗數據，繪制出溫度一時間關系曲線，得到鋁合金端淬時沿試樣軸向的溫度場。
所述的“L”形底座的縱向切割面距端淬試樣中心軸線的距離是試樣柱體直徑的l/2(Tl/5，橫向切割面距淬火端面的距離是柱體高度的l/5(Tl/10。所述的“L”形底座的轉角處加工成過渡圓角。所述的凹槽一端距淬火端面的距離是柱體高度的l/30(Tl/50。所述的“L”形底座上螺釘孔位于淬火端面一端加工出臺階。與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是
本發明方法將“L”形底座的轉角處加工成過渡圓角的作用是，防止淬火過程中產生應力集中，避免試樣開裂；
本發明方法中開設的凹槽的尺寸以方便在其底面安裝熱電偶而定，使熱電偶安裝方便的同時減少凹槽加工對試樣整體性的影響；
本發明方法中所述的淬火介質是液態介質、氣態介質或氣液混合態介質。本發明方法在“L”形底座上螺釘孔位于淬火端面一端加工臺階的作用是方便連接螺釘的螺帽嵌入臺階中，保證試樣裝配后淬火端面平齊；而螺釘材料與鋁合金試樣材料一致的作用是，避免引入不同熱容的材料對溫度場測定造成影響；
本發明方法中將熱電偶安裝在凹槽底面的中心軸線上的作用是準確的測得端淬時試樣芯部的溫度變化；凹槽底面與試樣的分割面不共面，能夠有效的減少實驗過程中水蒸氣和冷空氣對實驗結果的影響；
本發明方法中使用管箍加固試樣的作用是，保證“L”形底座和“I”形側蓋在實驗中接觸良好、結合牢固；使用耐火棉或耐火泥密封結合處縫隙的作用是，減少水蒸氣和冷空氣對實驗結果的影響；
本發明方法中所述的淬火介質不局限于液態介質，還可以是氣態或氣液混合態介質，使用不同介質進行淬火時要對淬火裝置進行相應改動。本發明方法的有益效果在于
(1)熱電偶安裝位置準確、與試樣結合牢固；
(2)熱電偶能安裝在極為接近試樣淬火端面的位置(與淬火端面距離可小于1_)，能夠準確測量近淬火端面的溫度場；(3)熱電偶受外界環境影響小，測試結果真實可靠；
(4)試樣結構簡單、易于加工、可以重復使用。
圖I是本發明端淬試樣的結構示意 圖2為圖I所示結構的俯視 圖3為圖I中部件I的結構示意 圖4為圖3所示結構的俯視 圖5為圖3所示結構的左視圖； 圖6為圖I中部件2的結構示意 圖7為圖6所示結構的俯視 圖8為本發明實施例I中試樣端淬時溫度一時間關系曲線；
圖9為圖8所示曲線前60秒范圍內的放大 圖10為本發明實施例2中試樣空冷時溫度一時間關系曲線；
圖11為圖10所示曲線前120秒范圍內的放大 圖中1 :“L”形底座；2 :“1”形側蓋；3 :凹槽；4 :螺釘孔。
具體實施例方式本發明方法中的端淬試樣結構如圖I-圖7所示，是頂部位置有一圓柱形臺階的圓柱形端淬試樣，將端淬試樣切割成“L”形底座(I)和“ I”形側蓋(2)兩部分；
“L”形底座(I)的底面即為端淬試樣的淬火端面，將“L”形底座(I)的轉角處加工成過渡圓角，沿“L”形底座(I)的高度方向加工一凹槽(3)，凹槽(3)底面的中心線與端淬試樣的中心軸線重合，以通過端淬試樣的中心軸線且垂直于凹槽(3)底面的平面為對稱平面，在“L”形底座(I)和“I”形側蓋(2)上加工兩組螺釘孔(4)，每組螺釘孔(4)由分別位于“L”形底座(I)和“I”形側蓋(2)的上下兩個螺釘孔(4)構成，兩個螺釘孔(4)大小一致、中心對正，可組成一個長螺釘孔用于連接試樣，在“L”形底座(I)上的螺釘孔(4)位于試樣淬火端面一端加工出臺階。本發明中所述的數據記錄儀型號是HI0KI8430-21。下面結合實施例，對本發明的技術方案做進一步說明。實施例I
以水為淬火介質對7B50鋁合金端部淬火過程中沿試樣軸向的溫度場進行測定。(I)制備試樣在80mm厚的7B50鋁合金熱軋厚板上取材，加工成如圖I所示的頂部帶有圓柱形臺階的圓柱形端淬試樣，端淬試樣標距部分的直徑為70mm,高度為200mm,其頭部臺階的直徑為80mm，高度為IOmm ；
從頂部臺階上偏離端淬試樣中心軸線6mm的位置將試樣切割成“L”形底座(I)和“ I”形側蓋(2)兩部分，“L”形底座(I)的底面即為端淬試樣的淬火端面，將“L”形底座(I)的轉角處加工成直徑為20mm的過渡圓角，沿“L”形底座(I)的高度方向加工一凹槽(3)，凹槽
(3)底面的中心線與端淬試樣的中心軸線重合，凹槽(3)的尺寸為7mmX6mmX208mm，其中7mmX6mm的面距離試樣淬火端面的高度為2mm ；以通過端淬試樣的中心軸線且垂直于凹槽底面的平面為對稱平面，在“L”形底座(I)和“I”形側蓋(2)上加工兩組公稱直徑為IOmm螺釘孔(4)，每組螺釘孔(4)由分別位于“L”形底座(I)和“I”形側蓋(2)的上下兩個螺釘孔(4)構成，兩個螺釘孔(4)大小一致、中心對正，在螺釘孔(4)位于淬火端面的一端加工出直徑為14_的臺階，用于放置沉頭螺釘的螺帽，采用與試樣相同的7B50鋁合金加工成公稱直徑為10mm，螺帽直徑為14mm的沉頭螺釘，螺釘的長度略小于螺釘孔的總深度。(2)安裝熱電偶在凹槽(3)的7mmX208mm底面上沿著端淬試樣軸線安裝熱電偶，為了精確測定端部淬火時沿試樣軸線方向的溫度場，本實施例沿試樣軸線安裝9組熱電偶，它們與萍火端面的距離依次為 3mm、6mm、10mm、15mm、25mm、35mm、65mm、100mm、160mm。首先，用直徑為I. 5mm的鉆頭沿軸線在需要安裝熱電偶的位置沿徑向鉆出一個深度為3_的孔，將熱電偶正負極焊接在一起的一端放入孔中，然后，用小段直徑為Imm的7B50鋁合金絲把孔與熱電偶間的縫隙鉚嚴，使熱電偶與試樣充分接觸，且保證熱電偶與試樣的結合是牢固可靠的，將熱電偶線整齊的排列在凹槽(3)內，并將剩余部分從“L”形底座(I)上凹槽(3)上端的7mmX6mm開口引出端淬試樣外，最后，將熱電偶的另一端正確的連接到HI0KI8430-21數據記錄儀的信號輸入通道中。 裝配端淬試樣在凹槽(3)中指定位置安裝好熱電偶后，將“I”形側蓋(2)安放在“L”形底座(I)上，安放時保證兩者組合成一個完整的圓柱體試樣，兩部分的螺釘孔(4)對正，將螺釘旋入螺釘孔(4)，連接、固定“L”形底座(I)和“ I”形側蓋(2)，旋入螺釘后保證淬火端面平齊，在試樣的側面用管箍加固試樣，使試樣在實驗過程中結合牢固，最后用耐火石棉將“L”形底座(I)上方凹槽(3)的缺口縫隙堵死，并用耐火泥將“L”形底座(I)和“ I”形側蓋(2)結合處的縫隙及螺釘孔(4)周圍的縫隙堵死，防止水蒸氣和冷空氣進入試樣內影響測試結果。(3)固溶熱處理在馬弗爐中對試樣進行固溶處理，固溶制度采用470°C下保溫2小時+ 483°C下保溫6小時。端面淬火將端淬試樣從馬弗爐中轉移至鋪設有耐火保溫材料的淬火架上，轉移時間小于5秒鐘，打開數據記錄儀采集數據，并迅速打開已經調節好流量的水流噴嘴，開始端面淬火，淬火過程中水流的大小和水柱的高度保持不變，當端淬試樣整體溫度降至室溫時停止測試。(4)測試結果將數據記錄儀采集的數據繪制成溫度一時間關系曲線，如圖8所示，圖9為圖8所示曲線前60秒范圍內的放大圖，由圖可知距離淬火端面160mm范圍內試樣的冷卻速度經歷了先增大后減小的過程；在淬火開始階段，距離淬火端面越近的位置冷卻速度越大。實施例2
以空氣為淬火介質對7B50鋁合金空冷過程中沿試樣軸向的溫度場進行測定。(I)制備試樣在80mm厚的7B50鋁合金熱軋厚板上取材，加工成如圖I所示的頂部帶有圓柱形臺階的圓柱形端淬試樣，端淬試樣標距部分的直徑為70mm,高度為200mm,其頭部臺階的直徑為80mm，高度為IOmm ；
從頂部臺階上偏離端淬試樣中心軸線6mm的位置將試樣切割成“L”形底座(I)和“ I”形側蓋(2)兩部分，“L”形底座(I)的底面即為端淬試樣的淬火端面，將“L”形底座(I)的轉角處加工成直徑為20mm的過渡圓角，沿“L”形底座(I)的高度方向加工一凹槽(3)，凹槽
(3)底面的中心線與端淬試樣的中心軸線重合，凹槽(3)的尺寸為7mmX6mmX208mm，其中7mmX6mm的面距離試樣淬火端面的高度為2mm ；
以通過端淬試樣的中心軸線且垂直于凹槽底面的平面為對稱平面，在“L”形底座(I)和“I”形側蓋(2)上加工兩組公稱直徑為IOmm螺釘孔(4)，每組螺釘孔(4)由分別位于“L”形底座(I)和“I”形側蓋(2)的上下兩個螺釘孔(4)構成，兩個螺釘孔(4)大小一致、中心對正，在螺釘孔(4)位于淬火端面的一端加工出直徑為14_的臺階，用于放置沉頭螺釘的螺帽，采用與試樣相同的7B50鋁合金加工成公稱直徑為10mm，螺帽直徑為14mm的沉頭螺釘，螺釘的長度略小于螺釘孔的總深度。(2)安裝熱電偶在凹槽(3)的7mmX208mm底面上沿著端淬試樣軸線安裝熱電偶，為了精確測定端部淬火時沿試樣軸線方向的溫度場，本實施例沿試樣軸線安裝9組熱電偶，它們與萍火端面的距離依次為 3mm、6mm、10mm、15mm、25mm、35mm、65mm、100mm、160mm。首先，用直徑為I. 5mm的鉆頭沿軸線在需要安裝熱電偶的位置沿徑向鉆出一個深度為4_ 的孔，將熱電偶正負極焊接在一起的一端放入孔中，然后，用小段直徑為Imm的7B50鋁合金絲把孔與熱電偶間的縫隙鉚嚴，使熱電偶與試樣充分接觸，且保證熱電偶與試樣的結合是牢固可靠的，將熱電偶線整齊的排列在凹槽(3)內，并將剩余部分從“L”形底座(I)上凹槽(3)上端的7mmX6mm開口引出端淬試樣外，最后，將熱電偶的另一端正確的連接到HI0KI8430-21數據記錄儀的信號輸入通道中。裝配端淬試樣在凹槽(3)中指定位置安裝好熱電偶后，將“I”形側蓋(2)安放在“L”形底座(I)上，安放時保證兩者組合成一個完整的圓柱體試樣，兩部分的螺釘孔(4)對正，將螺釘旋入螺釘孔(4)，連接、固定“L”形底座(I)和“ I”形側蓋(2)，旋入螺釘后保證淬火端面平齊，在試樣的側面用管箍加固試樣，使試樣在實驗過程中結合牢固，最后用耐火石棉將“L”形底座(I)上方凹槽(3)的缺口的縫隙堵死，并用耐火泥將“L”形底座(I)和“ I”形側蓋(2)結合處的縫隙及螺釘孔(4)周圍的縫隙堵死，防止水蒸氣和冷空氣進入試樣內影響測試結果。(3)固溶熱處理在馬弗爐中對試樣進行固溶處理，固溶制度采用470°C下保溫2小時+ 483°C下保溫6小時。端面淬火固溶處理結束后5秒內將端淬試樣從馬弗爐中轉移到淬火架上進行端淬，淬火架上固定有硬質保溫耐火材料的保溫套筒，試樣的頂部臺階卡在套筒上沿，用耐火石棉將試樣暴露的臺階部分包裹嚴，其余部分插入套筒內，套筒的高度略小于試樣標距段高度，淬火端面剛剛露出套筒下沿，打開數據記錄儀采集數據，測試過程中保證測試環境內沒有明顯的空氣流動，當試樣整體溫度降到室溫時停止實驗。(4)實驗結果將數據記錄儀采集的數據繪制成溫度一時間關系曲線，如圖10所示，圖11為圖10所示曲線前120秒范圍內的放大圖。由圖可知距離淬火端面160mm范圍內試樣的溫度變化幾乎同步，冷卻速度變化不大。
權利要求
1.一種測定鋁合金端淬時沿試樣軸向溫度場的方法，其特征在于按照以下步驟進行 (1)制備試樣將待測鋁合金坯料制備成頂部帶有圓柱形臺階的圓柱形端淬試樣，將端淬試樣沿柱體切割成“L”形底座和“I”形側蓋兩部分；“L”形底座的底面即為端淬試樣的淬火端面，沿“L”形底座縱向切割面的高度方向加工一凹槽，凹槽底面的中心線與端淬試樣的中心軸線重合，以通過端淬試樣的中心軸線且垂直于凹槽底面的平面為對稱平面，在“L”形底座和“ I ”形側蓋上加工兩組螺釘孔，每組螺釘孔由分別位于“L”形底座和“ I ”形側蓋的上下兩個螺釘孔構成，兩個螺釘孔大小一致、中心對正； (2)安裝熱電偶在凹槽底面上沿端淬試樣的中心軸線上，在需要安裝熱電偶的位置加工出3-4_深的孔，將熱電偶一端正負極連接后植入孔中，并用和坯料相同材料的鋁合金細絲將熱電偶和孔之間的空隙鉚嚴，使熱電偶線整齊的排列在凹槽內，剩余部分從凹槽的開口引出端淬試樣外，熱電偶的另一端連接數據記錄儀信號輸入通道，用和坯料相 同材料的螺釘旋入螺釘孔將“L”形底座和“ I ”形側蓋連接在一起，旋入螺釘后保證試樣的淬火端面平齊，試樣安裝完畢后用管箍在外側加固，將試樣結合處的縫隙用耐火棉或耐火泥封嚴，“L”形底座和“I”形側蓋連接為一體； (3)端淬測試對端淬試樣在馬弗爐中進行固溶處理，固溶處理結束后5秒內將端淬試樣從馬弗爐中轉移到淬火架上進行端淬，打開數據記錄儀采集溫度隨時間變化的數據，保持淬火介質流量恒定,淬火介質垂直噴射到端淬試樣淬火端面的中心,直至端淬試樣的溫度降到室溫； (4)處理數據端淬結束后，根據數據記錄儀測得的實驗數據，繪制出溫度一時間關系曲線，得到鋁合金端淬時沿試樣軸向的溫度場。
2.根據權利要求I所述的一種測定鋁合金端淬時沿試樣軸向溫度場的方法，其特征在于所述的“L”形底座的縱向切割面距端淬試樣中心軸線的距離是試樣柱體直徑的l/2(Tl/5，橫向切割面距淬火端面的距離是柱體高度的l/5(Tl/10。
3.根據權利要求I所述的一種測定鋁合金端淬時沿試樣軸向溫度場的方法，其特征在于所述的“L”形底座的轉角處加工成過渡圓角。
4.根據權利要求I所述的一種測定鋁合金端淬時沿試樣軸向溫度場的方法，其特征在于所述的凹槽一端距淬火端面的距離是柱體高度的l/30(Tl/50。
5.根據權利要求I所述的一種測定鋁合金端淬時沿試樣軸向溫度場的方法，其特征在于所述的“L”形底座上螺釘孔位于淬火端面一端加工出臺階。
全文摘要
本發明屬于金屬材料熱處理領域，具體涉及一種測定鋁合金端淬時沿試樣軸向溫度場的方法。本發明方法是首先將端淬試樣切割成“L”形底座和“1”形側蓋兩部分，沿“L”形底座的高度方向加工一凹槽，在“L”形底座和“1”形側蓋上加工兩組螺釘孔，在凹槽底面上加工孔，將熱電偶安裝在孔中，將螺釘旋入螺釘孔，對端淬試樣固溶處理后進行端淬，采集數據，直至端淬試樣的溫度降到室溫，根據數據記錄儀測得的實驗數據，繪制出溫度―時間關系曲線，得到鋁合金端淬時沿試樣軸向的溫度場。本發明方法熱電偶安裝位置準確，可極為接近試樣淬火端面，與試樣結合牢固，受外界環境影響小，測試結果真實可靠。
文檔編號G01K7/04GK102967383SQ20121055078
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者康雷, 趙剛, 田妮 申請人:東北大學