CN112210733A - 一种铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件的确定方法，包括以下步骤：A)将铝镁硅合金进行不同条件的时效处理，获得不同时效状态的铝镁硅合金；B)对不同时效状态的铝镁硅合金进行显微硬度测试，建立铝镁硅合金的时效‑硬度曲线图，确定铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件。本申请还提供了利用上述确定的时效条件制备抗疲劳性能优异的铝镁硅合金线。利用该方法制备的铝镁硅合金线可用于制备长距离架空输电导线，并可以提高架空输电导线的服役安全性。该制备方法具有操作简单，附加成本低等一系列优点，便于推广，应用前景广阔。

Description

一种铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件的确定方法
技术领域
本发明涉及抗疲劳金属线材材料技术领域，尤其涉及一种铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件的确定方法。
背景技术
架空导线是国家电网输送电力的关键载体，是国民经济发展的“血管”和命脉，服役安全性是架空导线的关键性能，与导线服役安全性紧密相连的是疲劳性能。因此，疲劳强度成为评价架空导线服役性能优劣的关键指标。如何提高疲劳强度成为了架空导线领域关键的科学问题和技术难题。
在结构用金属材料中，铝具备较好的力学性能和导电性能，且价格低廉。因此，综合考虑性能和经济成本因素，铝及铝合金线是目前架空导线应用最为广泛的导体材料，如钢芯铝绞线、铝合金芯铝绞线和全铝合金绞线均采用了铝及铝合金线。虽然铝合金线的导电性能低于纯铝线，但铝合金线的力学性能却远高于纯铝线。此外，钢芯铝绞线存在较为严重的腐蚀现象，而全铝合金绞线则有效地解决了绞线单丝之间的腐蚀问题，并且，全铝合金绞线的输电杆塔档距更远，降低了线路建设的总投资。因此，铝合金线作为架空导线的材料具有诸多优势，目前世界范围内使用的架空导线用铝合金线为铝镁硅合金线。因而，抗疲劳性能好的铝镁硅合金线具有良好的应用前景。
铝镁硅合金线制备工艺流程中的关键环节是人工时效处理，不同条件的人工时效处理会对铝镁硅合金线的性能产生影响。通常，人工时效可分为欠时效、峰时效和过时效处理，对比三种人工时效状态铝镁硅合金线的疲劳性能将为抗疲劳铝镁硅合金线制备提供理论指导，进一步为开发抗疲劳铝镁硅合金线工艺奠定基础。
然而，如何遴选出最优的时效条件而使铝镁硅合金线具备最佳的疲劳性能是需要解决的重要问题。通常，测试不同时效条件下铝镁硅合金线的疲劳寿命需要耗费巨大的人力、物力和财力，这为获得优异抗疲劳铝镁硅合金线的最佳时效工艺增加了难度。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供了一种铝镁硅合金线抗疲劳性能的时效条件的确定方法，该方法可以快速确定出铝镁硅合金线最佳的抗疲劳性能，可用于制备具有高服役安全性的铝镁硅合金线。
有鉴于此，本申请提供了一种铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件的确定方法，包括以下步骤：
A)将铝镁硅合金进行不同条件的时效处理，获得不同时效状态的铝镁硅合金；
B)对不同时效状态的铝镁硅合金进行显微硬度测试，建立铝镁硅合金的时效-硬度曲线图，确定铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件。
优选的，所述不同条件的时效处理具体为：温度为120～170℃，时间为0.5～30h，时间间隔为0.5～2h。
优选的，所述显微硬度测试为施加于铝镁硅合金的径向截面的硬度测试。
优选的，所述铝镁硅合金的成分包括：010～1.00wt％的Si，0.10～0.50wt％的Fe，0.05～0.10wt％的Mg，0.01～0.15wt％的La，0.05～0.50wt％的Ce，0.01～0.05wt％的Cu，0.01～0.05wt％的Mn，0.01～0.05wt％的Cr，0.01～0.05wt％的Zn，0.01～0.05wt％的B，Al余量。
优选的，所述铝镁硅合金的成分包括：0.51wt％的Si，0.14wt％的Fe，0.54wt％的Mg，0.13wt％的La，0.22wt％的Ce，0.01wt％的Cu，0.02wt％的Mn，0.01wt％的Cr，0.03wt％的Zn，0.02wt％的B，Al余量。
优选的，步骤A)中所述铝镁硅合金为铝镁硅合金杆，所述铝镁硅合金杆的直径为5～15mm。
本申请还提供了一种抗疲劳铝镁硅合金线的制备方法，包括以下步骤：
A)将铝镁硅合金进行不同条件的时效处理，获得不同时效状态的铝镁硅合金；
B)对不同时效状态的铝镁硅合金进行显微硬度测试，建立铝镁硅合金的时效-硬度曲线图，确定铝镁硅合金线疲劳性能的最佳时效条件；
C)在铝镁硅合金线疲劳性能的最佳时效条件下进行拉拔。
优选的，所述拉拔为冷拉拔。
优选的，所述拉拔的变形量为80～95％，所述拉拔的变形量以横截面面积收缩率作为变形量的评价标准。
本申请提供了一种铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件的确定方法，其首先将铝镁硅合金进行不同条件的时效处理，以获得不同时效状态的铝镁硅合金，再对不同时效状态的铝镁硅合金进行显微硬度测试，以建立铝镁硅合金的时效-硬度曲线图，以确定铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件。本申请通过建立时效-硬度曲线可以确定最佳疲劳性能的时效条件，降低了测试不同时效条件下铝镁硅合金线疲劳性能带来的成本，且可以快速准确的获得抗疲劳铝镁硅合金线的时效工艺。
进一步的，本申请还提供了一种抗疲劳铝镁硅合金线的制备方法，在上述铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件确定的基础上，得到了含有纳米析出相的铝镁硅合金线，则在该条件下进行拉拔处理，即可得到服役安全可靠性高的铝镁硅合金线，该铝镁硅合金线可用于制备长距离架空输电导线，并可以提高架空输电导线的服役安全性。经过验证，本申请确定的铝镁硅合金线的时效工艺具有优异的抗疲劳性能，该方法准确度较高。
附图说明
图1为实施例中铝镁硅合金杆在150℃条件下的时效硬度曲线；
图2为实施例中欠时效、峰时效和过时效铝镁硅合金线的工程应力-工程应变曲线；
图3为实施例中欠时效、峰时效和过时效铝镁硅合金线的应力-寿命曲线；
图4为实施例中欠时效、峰时效和过时效铝镁硅合金线的透射电镜照片；其中，(a)欠时效；(b)峰时效；(c)过时效。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
以架空输电用铝镁硅线对高疲劳强度的性能需求为导向，本发明实施例公开了一种铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件的确定方法，包括以下步骤：
A)将铝镁硅合金进行不同条件的时效处理，获得不同时效状态的铝镁硅合金；
B)对不同时效状态的铝镁硅合金进行显微硬度测试，建立铝镁硅合金的时效-硬度曲线图，确定铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件。
本申请提供了一种铝镁硅合金线疲劳性能的最佳时效条件的确定方法，对于合金而言，为了确定某种最佳的性能而需要进行无数次的热处理工艺，再根据热处理工艺研究其金相组织以及对应的性能数据，由此才能确定最佳性能下的热处理条件，这无疑为最佳性能下的热处理工艺增加了繁琐度；鉴于此，本申请通过建立铝镁硅合金时效-硬度曲线图，确定了铝镁硅合金线疲劳性能的最佳时效条件，以提供抗疲劳铝镁硅合金线的制备方法，最终用于制备具有高服役安全性的铝镁硅合金线。
具体的，本申请首先确定了铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件，即先将铝镁硅合金进行不同条件的时效处理，以获得不同时效状态的铝镁硅合金；上述时效处理为本领域技术人员熟知的时效处理方式，所述铝镁硅合金的成分具体包括：010～1.00wt％的Si，0.10～0.50wt％的Fe，0.05～0.10wt％的Mg，0.01～0.15wt％的La，0.05～0.50wt％的Ce，0.01～0.05wt％的Cu，0.01～0.05wt％的Mn，0.01～0.05wt％的Cr，0.01～0.05wt％的Zn，0.01～0.05wt％的B，Al余量；更具体地，所述铝镁硅合金的成分具体包括：0.51wt％的Si，0.14wt％的Fe，0.54wt％的Mg，0.13wt％的La，0.22wt％的Ce，0.01wt％的Cu，0.02wt％的Mn，0.01wt％的Cr，0.03wt％的Zn，0.02wt％的B，Al余量。根据铝镁硅合金选择适当的时效处理条件，即在不同温度下不同保温条件下进行不同的时效处理，具体为：所述时效处理的温度为120～170℃，时间为0.5～30h，时间间隔为0.5～2h。在本申请中，所述铝镁硅合金具体选自铝镁硅合金杆，所述铝镁硅合金杆的直径为5～15mm，更具体地，所述铝镁硅合金杆的直径为8～12mm。
在进行时效处理之后则对不同时效状态的铝镁硅合金进行显微硬度测试，以建立铝镁硅合金的时效-硬度曲线图，所述显微硬度测试具体为施加于铝镁硅合金的径向截面的硬度测试。然后根据硬度值，建立不同时效条件下不同硬度值，即以时效时间为横坐标，以显微硬度值为纵坐标绘制铝镁硅合金的时效硬度曲线，根据时效-硬度曲线可发现，时效在欠时效、峰时效和过时效上硬度有明显的区别，在曲线上选取硬度最高时对应的时效条件(即峰时效)作为最佳疲劳状态下的时效条件。
本申请然后根据上述确定的时效条件进行抗疲劳铝镁硅合金线的制备，具体为：
A)将铝镁硅合金进行不同条件的时效处理，获得不同时效状态的铝镁硅合金；
B)对不同时效状态的铝镁硅合金进行显微硬度测试，建立铝镁硅合金的时效-硬度曲线图，确定铝镁硅合金线疲劳性能的最佳时效条件；
C)在铝镁硅合金线疲劳性能的最佳时效条件下进行拉拔。
在进行抗疲劳铝镁硅合金线的制备过程中，首先按照上述方式确定最佳的时效条件，再在确定的最佳时效条件下进行拉拔。所述拉拔优选为冷拉拔，所述拉拔为多道次冷拉拔，以铝镁硅合金的面积比作为铝镁硅合金杆的变形量作为评价指标，拉拔后总变形量的范围为80～95％。
同步提高金属材料的强度和塑性是提高金属材料疲劳性能的关键，对于铝镁硅合金，通过峰时效处理能够将铝镁硅合金内的固溶原子转化为纳米尺寸的析出相，一方面，纳米析出相起到明显的析出强化作用；另一方面，均匀分布的纳米析出相能够提高铝基体的滑移均匀性，提高铝镁硅合金的塑性。因此，峰时效处理可以提高铝镁硅合金的强度和塑性，从而优化铝镁硅合金的抗疲劳性能。因此，含有纳米析出相的铝镁硅合金线能够获得较好的疲劳性能。
本发明利用上述原理，通过控制铝镁硅合金杆时效处理工艺，将铝镁硅合金杆内的固溶原子转变为纳米析出相，再经过拉拔制备含纳米相的抗疲劳铝镁硅合金线，未来采用这种铝镁硅合金线绞制架空导线将极大地提高架空导线的服役安全可靠性。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件的确定方法，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
本实施例制备抗疲劳铝镁硅合金线工艺流程如下：
铝镁硅合金线的成分为(wt.％)：Si 0.51，Fe 0.14，Mg 0.54，La 0.13，Ce 0.22，Cu 0.01，Mn 0.02，Cr 0.01，Zn 0.03，B 0.02，Al余量；
步骤1：对铝镁硅合金杆进行150℃时效处理，保温时间为0.5～36小时，保温时间间隔为0.5～2小时，获得不同时效状态的铝镁硅合金杆，合金杆直径为9.5mm；
步骤2：对不同时效状态的铝镁硅合金杆径向截面进行显微硬度测试；
步骤3：以显微硬度为纵坐标，以时效时间为横坐标，建立铝镁硅合金杆的时效硬度曲线(图1)；
步骤4：在时效硬度曲线上选取欠时效态(时效时间为0.5小时)、峰时效态(时效时间为8小时)和过时效态(时效时间为16小时)的铝镁硅合金杆进行冷拉拔，经过9个道次的拉拔之后，得到直径为3.15mm的欠时效、峰时效和过时效铝镁硅合金线；图4为欠时效、峰时效和过时效铝镁合金线的透射电镜照片；
步骤5：对欠时效、峰时效和过时效铝镁硅合金线进行拉伸实验和疲劳实验，将三种铝镁硅合金线的抗拉强度、屈服强度、延伸率和疲劳性能列于表1中。
表1欠时效、峰时效和过时效铝镁硅合金线性能测试结果
Figure BDA0002717526530000071
本实施例性能及组织说明如下：
1)图2为欠时效、峰时效和过时效铝镁硅合金线拉伸曲线，由图可见，峰时效铝镁硅合金线的强度和延伸率均高于欠时效和过时效铝镁硅合金线，当欠时效和过时效铝镁硅合金线屈服强度相近时，欠时效铝镁硅合金线的延伸率更高；图3给出了三种铝镁硅合金线的应力-寿命(S-N)曲线，疲劳实验采用拉-拉加载模式，应力比为0.1，从图中可以看出，峰时效铝镁硅合金线的疲劳性能最优，欠时效铝镁硅合金线次之，过时效铝镁硅合金线疲劳性能最差；
2)从图4可以看出，欠时效态铝镁硅合金线内析出相数量较少，经过峰时效处理后，铝镁硅合金线内观察到了大量的纳米析出相，而在过时效态铝镁硅合金线内则存在大量的针状析出相，表明此时析出相已经发生了长大的现象。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件的确定方法，包括以下步骤：
A)将铝镁硅合金进行不同条件的时效处理，获得不同时效状态的铝镁硅合金；
B)对不同时效状态的铝镁硅合金进行显微硬度测试，建立铝镁硅合金的时效-硬度曲线图，确定铝镁硅合金线疲劳性能的时效条件。
2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述不同条件的时效处理具体为：温度为120～170℃，时间为0.5～30h，时间间隔为0.5～2h。
3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述显微硬度测试为施加于铝镁硅合金的径向截面的硬度测试。
4.根据权利要求1～3任一项所述的确定方法，其特征在于，所述铝镁硅合金的成分包括：010～1.00wt％的Si，0.10～0.50wt％的Fe，0.05～0.10wt％的Mg，0.01～0.15wt％的La，0.05～0.50wt％的Ce，0.01～0.05wt％的Cu，0.01～0.05wt％的Mn，0.01～0.05wt％的Cr，0.01～0.05wt％的Zn，0.01～0.05wt％的B，Al余量。
5.根据权利要求1～3任一项所述的确定方法，其特征在于，所述铝镁硅合金的成分包括：0.51wt％的Si，0.14wt％的Fe，0.54wt％的Mg，0.13wt％的La，0.22wt％的Ce，0.01wt％的Cu，0.02wt％的Mn，0.01wt％的Cr，0.03wt％的Zn，0.02wt％的B，Al余量。
6.根据权利要求1～3任一项所述的确定方法，其特征在于，步骤A)中所述铝镁硅合金为铝镁硅合金杆，所述铝镁硅合金杆的直径为5～15mm。
7.一种抗疲劳铝镁硅合金线的制备方法，包括以下步骤：
A)将铝镁硅合金进行不同条件的时效处理，获得不同时效状态的铝镁硅合金；
B)对不同时效状态的铝镁硅合金进行显微硬度测试，建立铝镁硅合金的时效-硬度曲线图，确定铝镁硅合金线疲劳性能的最佳时效条件；
C)在铝镁硅合金线疲劳性能的最佳时效条件下进行拉拔。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述拉拔为冷拉拔。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述拉拔的变形量为80～95％，所述拉拔的变形量以横截面面积收缩率作为变形量的评价标准。
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