CN101956109A

CN101956109A - 一种加入钛提高铝铜锰合金热疲劳性能的方法

Info

Publication number: CN101956109A
Application number: CN 201010509056
Authority: CN
Inventors: 司乃潮; 司松海
Original assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Current assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2011-01-26

Abstract

一种加入钛提高铝铜锰合金热疲劳性能的方法，属于铝铜合金技术领域，其特征在于：选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.2-0.5％，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×10×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25℃至加热300℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。

Description

一种加入钛提高铝铜锰合金热疲劳性能的方法

技术领域

本发明属于铝铜合金技术领域，特指一种加入钛提高铝铜锰合金热疲劳性能的方法。

背景技术

关于疲劳的分类有多种方法，根据在疲劳过程中塑性应变和弹性应变所起的作用大小，可将疲劳分为应力疲劳和应变疲劳；根据疲劳所经历失效循环周次的长短，可将疲劳分为高周疲劳和低周疲劳；根据工作的环境，疲劳又可分为高温疲劳、常温疲劳和低温疲劳等等。

所谓热疲劳，是指材料经受温度变化时，因其自由膨胀、收缩受到了约束而产生循环应力或循环应变，最终导致龟裂而破坏的现象。热疲劳裂纹的扩展与热疲劳裂纹的萌生一样，反映了材料抵抗热疲劳破坏的能力。有些材料尽管裂纹萌生寿命较长，但因其裂纹扩展速率快，材料也会很快失效；而有些材料尽管裂纹较早萌生，但由于裂纹扩展缓慢，甚至停止扩展，其实际使用寿命也较长。材料在实际使用过程中，其使用寿命更大程度取决于热疲劳裂纹的扩展寿命，因此对热疲劳裂纹扩展的研究具有实际意义。

元素对热疲劳性能的影响取决于其存在状态。合金元素形成的化合物，其类型、尺寸、形状、数量和热稳定性与热疲劳抗力密切相关。一些零散的分布于各资料中的信息表明，人们对热疲劳过程中合金元素的影响研究的并不系统。总的来说，W、Cr、Mo、V、Ti、Mn、RE等合金元素含量在一定范围内时有利于提高材料的热疲劳抗力，反之有害。

多年来，为改善合金力学性能，普遍添加铝钛或铝钛硼中间合金细化铝铜合金晶粒。通常，在Al-Cu-Mn-Ti合金系列中，在改善机械性能方面，Ti的成份范围为0.1～0.5％，什么样的加入量可以即提高合金机械性能，又提高热疲劳性能的效果呢？这方面国内外还没有系统的研究。针对这一问题，本发明开发了一种加入钛提高铝铜锰合金热疲劳性能的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种加入钛提高铝铜锰合金热疲劳性能的方法。其特征在于：选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.2-0.5％，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×10×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25℃至加热300℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。

从图2中，可以看出各试样在冷热循环3000次时，微裂纹已经开始萌生，加Ti 0.2％试样的微裂纹很明显，且出现了氧化迹象，而加Ti0.35％的试样只是在预制裂纹根部看到细小的微裂纹。对比各试样的微裂纹可以发现，在经历冷热循环3000次时，各试样的裂纹都已经开始萌生，但是扩展的速率都很缓慢，相比较而言加Ti0.5％试样扩展速率最快，加Ti0.35％最慢。由表1更能反映出这一结论。

如图3所示，当冷热循环次数达到5000次时，可以看到，试样的热疲劳裂纹在长度、宽度及深度等方面继续发展。裂纹变得更加粗大清晰，加Ti 0.2％和加Ti0.5％的裂纹变得更加粗大，裂纹尖端的分枝继续择优扩展，且裂纹的缝隙内出现氧化迹象的扩展速度较快。加Ti 0.35％主裂纹形成可扩展裂纹，且较为均衡的扩展，其附近出现一些不连续、不规则的微裂纹，主裂纹相对其他组织扩展较慢。比较每种组织的裂纹，发现加Ti0.2％和加Ti0.5％的最长且最粗，加Ti0.35％的最短且最细。由表1更能反映出这一结论。

上述铝铜锰钛合金中，钛的加入量可优选为：Ti 0.35％。

附图说明

图1热疲劳试样示意图

图2热疲劳裂纹形貌(冷热循环3000次)

a、Ti 0.2％；b、Ti 0.35％；c、Ti 0.5％

图3热疲劳裂纹形貌(冷热循环5000次)

a、Ti0.2％；b、Ti0.35％；c、Ti0.5％

具体实施方式

实施例1

选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.2％，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×10×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

由图2、图3可见，加入Ti0.2％的热疲劳裂纹长且粗，由表1可见，加入Ti 0.2％时，冷热循环5000次时合金热疲劳裂纹扩展达到22.82mm。

实施例2

选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.35％，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×10×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

由图2、图3可见，加入Ti 0.35％的热疲劳裂纹短而细，由表1可见，加入Ti 0.35％时，冷热循环5000次时合金热疲劳裂纹扩展达到15.15mm。

实施例3

选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.5％，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×10×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

由图2、图3可见，加入Ti0.5％的热疲劳裂纹长且粗，由表1可见，加入Ti 0.5％时，冷热循环5000次时合金热疲劳裂纹扩展达到28.06mm。

表1 热疲劳裂纹扩展数据(mm)

Claims

1.一种加入钛提高铝铜锰合金热疲劳性能的方法，其特征在于：选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.2-0.5％，其余为Al；合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样；热疲劳试样规格为40×10×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm；试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

2.根据权利要求1所述的一种加入钛提高铝铜锰合金热疲劳性能的方法，采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成；采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25℃至加热300℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数；当冷热循环次数达到5000次时，比较每种组织的裂纹，发现加Ti0.2％和加Ti0.5％的最长且最粗，加Ti0.35％的最短且最细。

3.根据权利要求2所述的一种加入钛提高铝铜锰合金热疲劳性能的方法，钛的加入量可优选为0.35％。