超硬合金材料瞬態(tài)熱沖擊下機(jī)械性能分析

劇小華

摘要：瞬態(tài)熱沖擊環(huán)境下，溫度對(duì)金屬材料的塑性、力學(xué)性能、斷裂時(shí)間具有一定的影響。本文以航空、航天用超硬合金7A04材料為研究對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)研究了多種瞬態(tài)熱沖擊環(huán)境下，溫度對(duì)該材料機(jī)械性能的影響。該研究為超硬合金材料的優(yōu)化及應(yīng)用條件控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：超硬合金材料；瞬態(tài)熱沖擊；力學(xué)性能

引言

合金材料具有價(jià)格低、易加工、耐腐蝕、塑性好、密度小等特點(diǎn)，是航空、航天工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料。超硬合金7404是一種熱處理強(qiáng)化合金，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度幾乎相同，在航空受熱部件研究中應(yīng)用非常廣泛。本文利用實(shí)驗(yàn)，分析25℃～300℃多種瞬態(tài)熱沖擊環(huán)境下高速、高溫對(duì)超硬合金力學(xué)性能的影響，對(duì)提升材料承載能力和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1.實(shí)驗(yàn)方法

為了進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能，在實(shí)驗(yàn)材料超硬合金Al-Zn-Mg中加入Zr、Mn、Cr以及Cu元素，有效的改善了由于Mg和Zn含量高而導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕。在變形合金系中，該材料具有最高強(qiáng)度：510MPa～590MPa。本實(shí)驗(yàn)材料為中國(guó)業(yè)集團(tuán)提供的圓柱形棒材，為了保證材料中部加熱區(qū)域溫度分布均勻，經(jīng)過(guò)車(chē)削將棒材加工成，總長(zhǎng)度300mm，中間較細(xì)部分直徑8mm、長(zhǎng)度120mm的啞鈴形圓柱，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)在熱-力聯(lián)合實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行，該裝置瞬時(shí)沖擊熱密度大于1.4MW/㎡，可控升溫速率可達(dá)到150℃/s。超硬合金試樣的拉伸實(shí)驗(yàn)分別在25℃、100℃、150℃、200℃、250℃以及300℃環(huán)境下進(jìn)行。將試樣表面加熱至設(shè)定溫度保溫30s后，進(jìn)行拉伸速率為20mm/min的拉伸載荷實(shí)驗(yàn)。利用掃描電子顯微鏡分析斷口形貌。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖2所示，為多種熱沖擊環(huán)境下，超硬合金7A04材料的拉升應(yīng)力-位移曲線。由此看出，超硬合金在瞬態(tài)熱沖擊環(huán)境下，強(qiáng)度極限和彈性模型隨熱沖擊溫度的升高均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，隨著溫度的變化，強(qiáng)度極限變化劇烈，而彈性模量變化不是很明顯。隨著溫度的升高，超過(guò)250℃和300℃時(shí)，材料承載力下降非常明顯。其中，250℃材料的強(qiáng)度極限僅為常溫時(shí)材料的54.8%，300℃時(shí)為常溫的40.9%；如圖3所示，為多種熱沖擊環(huán)境下，超硬合金7A04材料應(yīng)力-時(shí)間曲線。由此看出，六種實(shí)驗(yàn)溫度下材料試樣的拉斷時(shí)間分別為56.1s、43.9s、37.6s、36.1s、32.4s和27.8s。隨著熱沖擊溫度的增加，超硬合金7A04材料的拉伸斷裂時(shí)間逐漸縮短。這一數(shù)據(jù)對(duì)于航空、航天應(yīng)用，尤其是導(dǎo)彈飛行時(shí)間、剩余強(qiáng)度以及承載的關(guān)系確定具有很大意義。由此看出，兩組數(shù)據(jù)有一定的在差別，在150℃環(huán)境下，該材料的強(qiáng)度極限提高甚微，隨著溫度的增加，超過(guò)150℃后，強(qiáng)度極限提高的百分比逐漸增加。

3.結(jié)論

隨著瞬態(tài)熱沖擊溫度的升高，超硬合金7A04材料軟化現(xiàn)象越發(fā)明顯，塑性增加，導(dǎo)致了斷口周?chē)鷧^(qū)域直徑減小，從而降低了材料承載能力和承載截面積，增加了頸縮量。此外，隨著溫度的增加，超硬合金材料發(fā)生斷裂所需時(shí)間縮短。該結(jié)論為航空、航天部件設(shè)計(jì)及材料優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。

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