热电势和电功率表征2024航空铝合金的固溶和时效过程Daren Sun2, 1, Xi-chen Sun1, Derek O.Northwood2, Jerry H. 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α-Al的合金元素的溶解度随时效时间的延长而减少。

在时效过程中，热电势测定技术通过测定热电势的变化成功的观测了沉淀析出引起的微观结构的变化，这由光学显微镜是不能实现的。

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10℃为一个实验温度。

试样固溶处理30分钟，固溶完成后水淬。

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℃，220℃，或250℃四个温度中任选定一温度，时效时间从5分钟到100 小时间进行时效。

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℃固溶后在室温下时效，到达预设的时间后测量热电势的值2.3显微组织的观察表1 2024铝合金的化学组成（质量百分数）Cu Mg Fe Mn Si Cr Zn Ti4.4 1.5 <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200ml H2O:5ml HNO3:3ml HCl:2ml HF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℃最高值，随后随着温度的增加而下降，显微硬度也是同样的情况。

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°C固溶处理时热电势和固溶时间之间的关系，从中我们可以很容易地看出初期热电势的值随时效时间延长而迅速增加，3分钟后热电势的值基本稳定，基本为一常数。

图4 500°C固溶时热电势随固溶时间的变化趋势。

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～548°C。

2024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5 2024铝合金在520℃固溶30分钟的晶界早期熔化现象。

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℃，250℃时热电势和显微硬度的随时效时间的变化图。

从图7，我们通过观察可以得到下列结论：（1）时效一定时间，显微硬度出现峰值，但热电势的值随着时效时间的增加而单调下降；热电势的值尽管随时效时间延长而下降，在不同时效温度下其随时效时间的变化显示出不同。

时效初期，热电势随时间延长下降较慢，时效温图7 2024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℃，（f）190℃，（g）220℃，（h）250℃的曲线。

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-4.55μV/ K左右。

时效时显微硬度达到峰值后，热电势先迅速下降，然后缓慢下降，但最后没有到达一个平衡值。

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220°C时效3小时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时效时大约两小时出现波峰，但在170°C时则需要两天。

图9 2024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。