不同热处理温度下金属材料的衰减特征

2018-11-20王庭鑫

世界有色金属 2018年17期

于浩，王庭鑫

（1.沈阳市大东区社会事务服务与行政执法中心，辽宁沈阳 110001；2.大连重工起重集团有限公司铸钢分公司，辽宁大连 116000）

金属材料广泛应用于我国医疗器械的制造、航空航天器材的装备、工业建设等多个领域，但由于金属材料综合性能不能完全满足行业发展的需要，出现一系列器械性能不达标的现象，影响我国金属材料行业的进一步发展[1]。热处理工艺是指金属材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，将金属材料的组织和性能达到预期效果的一种金属热加工技术。为探究热处理工艺对金属材料衰减特征的影响，本文以铝合金为对象，设计仿真实验，在其他环境保持不变的条件下，改变铝合金试样在热处理工艺时的温度，以计算机为主要载体对这一过程中铝合金的衰减信号进行采集，记录并分析铝合金试样衰减特征的变化规律，计算其衰减特征系数，实现对不同热处理温度下铝合金衰减特征的分析。实验结果表明，在高温条件下进行铝合金材料的热处理工艺，可以保证铝合金的衰减特征具有稳定性，提高铝合金的综合性能。

1 铝合金衰减特征分析试验

1.1 样品采集

铝合金的衰减信号采集以计算机为主要载体，连接脉冲发射/接收仪、示波器和耦合剂，当计算机中心发送样品采集信号时，耦合剂试样的底面就会进行反射作用，再由一体式探头将反射出的信号进行接收，一体式探头的接收频率具有可调节性的优势，可在短时间内进行多次累计采样，并将采集到的信号值以均值的形式输出，便可得到稳定、准确的衰减特征。将在不同温度下进行热处理工艺的铝合金的衰减信号输入计算机，利用MATLAB软件对衰减信号进行编辑、计算与分析[2]。

选择铝合金作为实验对象，将直径为50 mm的铝合金切割成厚度为15mm的胚料，再以不同温度对铝合金胚料进行热处理，热处理工艺完成后，恒温状态保温3小时再取出，形成铝合金样品。铝合金胚料热处理工艺的温度变化如表1所示。

表1 不同温度下铝合金胚料热处理参数

1.2 衰减特征计算

热处理工艺通过改变金属材料的化学成分达到提升金属材料综合性能的目标，因此，金属试样的衰减信号会随着温度的改变而改变。根据表1设置的热处理工艺的温度变化，设置一体式探头频率为10MHz，采样率为500MS/s，将采集的铝合金试样在不同热处理温度下的衰减特征进行记录。假设在试样编号1＃中采集到的衰减信号和在试样编号2＃中集到的衰减信号分别记为U1(t)和U2(t)，则铝合金试样在热处理工艺温度为852℃和963℃的衰减系数可表示为。

式中，d代表铝合金试样的厚度。

利用金属试样的衰减信号计算出金属材料的衰减系数，由于对金属材料的热处理工艺分为加热、保温和冷却三个过程，衰减特征的变化也会受到这三个过程的处理时间所影响，因此，只有保证热处理工艺的三个环节相互衔接，才能正确分析不同温度下热处理工艺对铝合金衰减特征的影响。

2 结果与分析

2.1 衰减特征系数

以铝合金试样编号1＃和2＃的衰减特征a1(ω)和a2(ω)为例，二者分别在852℃和963℃下进行热处理加工工艺，其衰减特征的函数表达式为。

式中，n代表衰减特征变化的次数。

2.2 衰减特征的变化

根据上述分析可知，铝合金在不同温度下进行热处理加工工艺时，其衰减特征的变化是不同的。当热处理温度达到200℃时，铝合金表面的晶界会发生明显变化，晶粒的数量在明显减少；当热处理温度达到500℃时，铝合金表面的晶界也有显著变化，可以用显微镜观测到晶粒的数量也在逐渐减少。

2.3 衰减特征稳定性

在同一采样率下，对铝合金在不同热处理温度下的衰减信号进行采集，并根据上述过程计算相应的衰减系数，将衰减系数的均值作为铝合金试样的标准衰减系数。再分别对试样编号为3＃、4＃、5＃、6＃的铝合金试样的衰减信号进行采集，完成衰减信号的采集后，分别计算铝合金试样的衰减系数，然后计算这4次衰减系数与标准衰减系数的函数关系，确定铝合金衰减特征的波动性与稳定性。

结果显示，铝合金在不同温度下进行热处理加工工艺时，其衰减特征的变化具有一定的波动性，且其波动范围随着温度的升高而降低。