超硬合金材料瞬態熱沖擊下機械性能分析

劇小華

摘要：瞬態熱沖擊環境下，溫度對金屬材料的塑性、力學性能、斷裂時間具有一定的影響。本文以航空、航天用超硬合金7A04材料為研究對象，利用實驗研究了多種瞬態熱沖擊環境下，溫度對該材料機械性能的影響。該研究為超硬合金材料的優化及應用條件控制提供了參考。

關鍵詞：超硬合金材料；瞬態熱沖擊；力學性能

引言

合金材料具有價格低、易加工、耐腐蝕、塑性好、密度小等特點，是航空、航天工業的主要結構材料。超硬合金7404是一種熱處理強化合金，拉伸強度和屈服強度幾乎相同，在航空受熱部件研究中應用非常廣泛。本文利用實驗，分析25℃～300℃多種瞬態熱沖擊環境下高速、高溫對超硬合金力學性能的影響，對提升材料承載能力和結構優化具有一定的現實意義。

1.實驗方法

為了進一步提高材料的力學性能，在實驗材料超硬合金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含量高而導致的應力腐蝕。在變形合金系中，該材料具有最高強度：510MPa～590MPa。本實驗材料為中國業集團提供的圓柱形棒材，為了保證材料中部加熱區域溫度分布均勻，經過車削將棒材加工成，總長度300mm，中間較細部分直徑8mm、長度120mm的啞鈴形圓柱，如圖1所示。

實驗在熱-力聯合實驗裝置上進行，該裝置瞬時沖擊熱密度大于1.4MW/㎡，可控升溫速率可達到150℃/s。超硬合金試樣的拉伸實驗分別在25℃、100℃、150℃、200℃、250℃以及300℃環境下進行。將試樣表面加熱至設定溫度保溫30s后，進行拉伸速率為20mm/min的拉伸載荷實驗。利用掃描電子顯微鏡分析斷口形貌。

2.實驗結果及分析

如圖2所示，為多種熱沖擊環境下，超硬合金7A04材料的拉升應力-位移曲線。由此看出，超硬合金在瞬態熱沖擊環境下，強度極限和彈性模型隨熱沖擊溫度的升高均呈現出下降趨勢。其中，隨著溫度的變化，強度極限變化劇烈，而彈性模量變化不是很明顯。隨著溫度的升高，超過250℃和300℃時，材料承載力下降非常明顯。其中，250℃材料的強度極限僅為常溫時材料的54.8%，300℃時為常溫的40.9%；如圖3所示，為多種熱沖擊環境下，超硬合金7A04材料應力-時間曲線。由此看出，六種實驗溫度下材料試樣的拉斷時間分別為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材料的拉伸斷裂時間逐漸縮短。這一數據對于航空、航天應用，尤其是導彈飛行時間、剩余強度以及承載的關系確定具有很大意義。由此看出，兩組數據有一定的在差別，在150℃環境下，該材料的強度極限提高甚微，隨著溫度的增加，超過150℃后，強度極限提高的百分比逐漸增加。

3.結論

隨著瞬態熱沖擊溫度的升高，超硬合金7A04材料軟化現象越發明顯，塑性增加，導致了斷口周圍區域直徑減小，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，超硬合金材料發生斷裂所需時間縮短。該結論為航空、航天部件設計及材料優化提供了科學依據。

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