专利名称：一种测定铝合金端淬时沿试样轴向温度场的方法
技术领域：
本发明属于金属材料热处理领域，具体涉及一种测定铝合金端淬时沿试样轴向温度场的方法。
背景技术：
随着航空航天及国防军工等领域的快速发展，铝合金结构件的发展逐步向大型化、整体化转变,对大截面铝合金厚板的需求不断增加,对板材性能的要求也越来越高。铝合金厚板在固溶淬火过程中，由于板材厚度较大容易产生未淬透现象，导致板材表面和芯部的性能不一致，从而制约了铝合金厚板的生产和使用。在固溶淬火过程中，通过厚板芯部实际冷却速度与TTP(Time Temperature Properties)曲线估算的临界冷却速度之间的关 系，可以较为准确的预测厚板是否淬透，淬火时试样芯部冷却速度的连续变化会导致心部组织的连续变化，从而建立冷却速度与连续冷却组织的对应关系，精确测定淬火时铝合金试样淬火端面上的温度变化，对准确计算端面换热系数具有决定性作用，端面换热系数是评价淬火介质冷却能力的主要参数，也是淬火过程计算机模拟的重要边界条件。从上面的应用可以看出精确测定铝合金端淬时沿试样轴向的温度场是十分重要的，温度场是温度随着时间和空间变化的函数，即T=f (X，y, z, t)。目前，关于铝合金试样中心轴线处温度场的测定，国内外的方法较为一致，具体是首先，加工一个圆柱状或棱柱状的铝合金端淬试样；然后，在需要安装热电偶的位置，由试样表面向心部轴线处沿径向打孔，将热电偶安装在深孔中；最后，进行端淬实验，记录数据测得温度场。上述方法十分简单、方便，但是有几点不足(I)热电偶测温端在深孔内位置不易固定，实验过程中测温点容易发生变化，导致采集的温度数据不准确；(2)安装热电偶的孔直接与外界相通，且没有采取保护措施，实验过程中环境因素会大大影响测温的准确性；(3)受热电偶安装方法的限制，无法测量距淬火端面极近处(热电偶与淬火端面距离小于Imm)的温度场。

发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供了一种测定铝合金端淬时沿试样轴向温度场的方法，目的通过改变试样的制作方法和热电偶的安装方法，克服现有技术中存在的影响测量数据稳定性和准确性的缺陷。为了实现上述目的，本发明的技术方案按照以下步骤进行
(I)制备试样将待测铝合金坯料制备成顶部带有圆柱形台阶的圆柱形端淬试样，将端淬试样沿柱体切割成“L”形底座和“I”形侧盖两部分；“L”形底座的底面即为端淬试样的淬火端面，沿“L”形底座纵向切割面的高度方向加工一凹槽，凹槽底面的中心线与端淬试样的中心轴线重合，以通过端淬试样的中心轴线且垂直于凹槽底面的平面为对称平面，在“L”形底座和“ I ”形侧盖上加工两组螺钉孔，每组螺钉孔由分别位于“L”形底座和“ I ”形侧盖的上下两个螺钉孔构成，两个螺钉孔大小一致、中心对正；(2)安装热电偶在凹槽底面上沿端淬试样的中心轴线上，在需要安装热电偶的位置加工出3-4_深的孔，将热电偶一端正负极连接后植入孔中，并用和坯料相同材料的铝合金细丝将热电偶和孔之间的空隙铆严，使热电偶线整齐的排列在凹槽内，剩余部分从凹槽的开口引出端淬试样外，热电偶的另一端连接数据记录仪信号输入通道，用和坯料相同材料的螺钉旋入螺钉孔将“L”形底座和“ I ”形侧盖连接在一起，旋入螺钉后保证试样的淬火端面平齐，试样安装完毕后用管箍在外侧加固，将试样结合处的缝隙用耐火棉或耐火泥封严，“L”形底座和“I”形侧盖连接为一体；
(3)端淬测试对端淬试样在马弗炉中进行固溶处理，固溶处理结束后5秒内将端淬试样从马弗炉中转移到淬火架上进行端淬，打开数据记录仪采集温度随时间变化的数据，保持淬火介质流量恒定,淬火介质垂直喷射到端淬试样淬火端面的中心,直至端淬试样的温度降到室温；
(4)处理数据端淬结束后，根据数据记录仪测得的实验数据，绘制出温度一时间关系曲线，得到铝合金端淬时沿试样轴向的温度场。
所述的“L”形底座的纵向切割面距端淬试样中心轴线的距离是试样柱体直径的l/2(Tl/5，横向切割面距淬火端面的距离是柱体高度的l/5(Tl/10。所述的“L”形底座的转角处加工成过渡圆角。所述的凹槽一端距淬火端面的距离是柱体高度的l/30(Tl/50。所述的“L”形底座上螺钉孔位于淬火端面一端加工出台阶。与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是
本发明方法将“L”形底座的转角处加工成过渡圆角的作用是，防止淬火过程中产生应力集中，避免试样开裂；
本发明方法中开设的凹槽的尺寸以方便在其底面安装热电偶而定，使热电偶安装方便的同时减少凹槽加工对试样整体性的影响；
本发明方法中所述的淬火介质是液态介质、气态介质或气液混合态介质。本发明方法在“L”形底座上螺钉孔位于淬火端面一端加工台阶的作用是方便连接螺钉的螺帽嵌入台阶中，保证试样装配后淬火端面平齐；而螺钉材料与铝合金试样材料一致的作用是，避免引入不同热容的材料对温度场测定造成影响；
本发明方法中将热电偶安装在凹槽底面的中心轴线上的作用是准确的测得端淬时试样芯部的温度变化；凹槽底面与试样的分割面不共面，能够有效的减少实验过程中水蒸气和冷空气对实验结果的影响；
本发明方法中使用管箍加固试样的作用是，保证“L”形底座和“I”形侧盖在实验中接触良好、结合牢固；使用耐火棉或耐火泥密封结合处缝隙的作用是，减少水蒸气和冷空气对实验结果的影响；
本发明方法中所述的淬火介质不局限于液态介质，还可以是气态或气液混合态介质，使用不同介质进行淬火时要对淬火装置进行相应改动。本发明方法的有益效果在于
(1)热电偶安装位置准确、与试样结合牢固；
(2)热电偶能安装在极为接近试样淬火端面的位置(与淬火端面距离可小于1_)，能够准确测量近淬火端面的温度场；(3)热电偶受外界环境影响小，测试结果真实可靠；
(4)试样结构简单、易于加工、可以重复使用。


图I是本发明端淬试样的结构示意 图2为图I所示结构的俯视 图3为图I中部件I的结构示意 图4为图3所示结构的俯视 图5为图3所示结构的左视图； 图6为图I中部件2的结构示意 图7为图6所示结构的俯视 图8为本发明实施例I中试样端淬时温度一时间关系曲线；
图9为图8所示曲线前60秒范围内的放大 图10为本发明实施例2中试样空冷时温度一时间关系曲线；
图11为图10所示曲线前120秒范围内的放大 图中1 :“L”形底座；2 :“1”形侧盖；3 :凹槽；4 :螺钉孔。
具体实施例方式本发明方法中的端淬试样结构如图I-图7所示，是顶部位置有一圆柱形台阶的圆柱形端淬试样，将端淬试样切割成“L”形底座(I)和“ I”形侧盖(2)两部分；
“L”形底座(I)的底面即为端淬试样的淬火端面，将“L”形底座(I)的转角处加工成过渡圆角，沿“L”形底座(I)的高度方向加工一凹槽(3)，凹槽(3)底面的中心线与端淬试样的中心轴线重合，以通过端淬试样的中心轴线且垂直于凹槽(3)底面的平面为对称平面，在“L”形底座(I)和“I”形侧盖(2)上加工两组螺钉孔(4)，每组螺钉孔(4)由分别位于“L”形底座(I)和“I”形侧盖(2)的上下两个螺钉孔(4)构成，两个螺钉孔(4)大小一致、中心对正，可组成一个长螺钉孔用于连接试样，在“L”形底座(I)上的螺钉孔(4)位于试样淬火端面一端加工出台阶。本发明中所述的数据记录仪型号是HI0KI8430-21。下面结合实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。实施例I
以水为淬火介质对7B50铝合金端部淬火过程中沿试样轴向的温度场进行测定。(I)制备试样在80mm厚的7B50铝合金热轧厚板上取材，加工成如图I所示的顶部带有圆柱形台阶的圆柱形端淬试样，端淬试样标距部分的直径为70mm,高度为200mm,其头部台阶的直径为80mm，高度为IOmm ；
从顶部台阶上偏离端淬试样中心轴线6mm的位置将试样切割成“L”形底座(I)和“ I”形侧盖(2)两部分，“L”形底座(I)的底面即为端淬试样的淬火端面，将“L”形底座(I)的转角处加工成直径为20mm的过渡圆角，沿“L”形底座(I)的高度方向加工一凹槽(3)，凹槽
(3)底面的中心线与端淬试样的中心轴线重合，凹槽(3)的尺寸为7mmX6mmX208mm，其中7mmX6mm的面距离试样淬火端面的高度为2mm ；以通过端淬试样的中心轴线且垂直于凹槽底面的平面为对称平面，在“L”形底座(I)和“I”形侧盖(2)上加工两组公称直径为IOmm螺钉孔(4)，每组螺钉孔(4)由分别位于“L”形底座(I)和“I”形侧盖(2)的上下两个螺钉孔(4)构成，两个螺钉孔(4)大小一致、中心对正，在螺钉孔(4)位于淬火端面的一端加工出直径为14_的台阶，用于放置沉头螺钉的螺帽，采用与试样相同的7B50铝合金加工成公称直径为10mm，螺帽直径为14mm的沉头螺钉，螺钉的长度略小于螺钉孔的总深度。(2)安装热电偶在凹槽(3)的7mmX208mm底面上沿着端淬试样轴线安装热电偶，为了精确测定端部淬火时沿试样轴线方向的温度场，本实施例沿试样轴线安装9组热电偶，它们与萍火端面的距离依次为 3mm、6mm、10mm、15mm、25mm、35mm、65mm、100mm、160mm。首先，用直径为I. 5mm的钻头沿轴线在需要安装热电偶的位置沿径向钻出一个深度为3_的孔，将热电偶正负极焊接在一起的一端放入孔中，然后，用小段直径为Imm的7B50铝合金丝把孔与热电偶间的缝隙铆严，使热电偶与试样充分接触，且保证热电偶与试样的结合是牢固可靠的，将热电偶线整齐的排列在凹槽(3)内，并将剩余部分从“L”形底座(I)上凹槽(3)上端的7mmX6mm开口引出端淬试样外，最后，将热电偶的另一端正确的连接到HI0KI8430-21数据记录仪的信号输入通道中。 装配端淬试样在凹槽(3)中指定位置安装好热电偶后，将“I”形侧盖(2)安放在“L”形底座(I)上，安放时保证两者组合成一个完整的圆柱体试样，两部分的螺钉孔(4)对正，将螺钉旋入螺钉孔(4)，连接、固定“L”形底座(I)和“ I”形侧盖(2)，旋入螺钉后保证淬火端面平齐，在试样的侧面用管箍加固试样，使试样在实验过程中结合牢固，最后用耐火石棉将“L”形底座(I)上方凹槽(3)的缺口缝隙堵死，并用耐火泥将“L”形底座(I)和“ I”形侧盖(2)结合处的缝隙及螺钉孔(4)周围的缝隙堵死，防止水蒸气和冷空气进入试样内影响测试结果。(3)固溶热处理在马弗炉中对试样进行固溶处理，固溶制度采用470°C下保温2小时+ 483°C下保温6小时。端面淬火将端淬试样从马弗炉中转移至铺设有耐火保温材料的淬火架上，转移时间小于5秒钟，打开数据记录仪采集数据，并迅速打开已经调节好流量的水流喷嘴，开始端面淬火，淬火过程中水流的大小和水柱的高度保持不变，当端淬试样整体温度降至室温时停止测试。(4)测试结果将数据记录仪采集的数据绘制成温度一时间关系曲线，如图8所示，图9为图8所示曲线前60秒范围内的放大图，由图可知距离淬火端面160mm范围内试样的冷却速度经历了先增大后减小的过程；在淬火开始阶段，距离淬火端面越近的位置冷却速度越大。实施例2
以空气为淬火介质对7B50铝合金空冷过程中沿试样轴向的温度场进行测定。(I)制备试样在80mm厚的7B50铝合金热轧厚板上取材，加工成如图I所示的顶部带有圆柱形台阶的圆柱形端淬试样，端淬试样标距部分的直径为70mm,高度为200mm,其头部台阶的直径为80mm，高度为IOmm ；
从顶部台阶上偏离端淬试样中心轴线6mm的位置将试样切割成“L”形底座(I)和“ I”形侧盖(2)两部分，“L”形底座(I)的底面即为端淬试样的淬火端面，将“L”形底座(I)的转角处加工成直径为20mm的过渡圆角，沿“L”形底座(I)的高度方向加工一凹槽(3)，凹槽
(3)底面的中心线与端淬试样的中心轴线重合，凹槽(3)的尺寸为7mmX6mmX208mm，其中7mmX6mm的面距离试样淬火端面的高度为2mm ；
以通过端淬试样的中心轴线且垂直于凹槽底面的平面为对称平面，在“L”形底座(I)和“I”形侧盖(2)上加工两组公称直径为IOmm螺钉孔(4)，每组螺钉孔(4)由分别位于“L”形底座(I)和“I”形侧盖(2)的上下两个螺钉孔(4)构成，两个螺钉孔(4)大小一致、中心对正，在螺钉孔(4)位于淬火端面的一端加工出直径为14_的台阶，用于放置沉头螺钉的螺帽，采用与试样相同的7B50铝合金加工成公称直径为10mm，螺帽直径为14mm的沉头螺钉，螺钉的长度略小于螺钉孔的总深度。(2)安装热电偶在凹槽(3)的7mmX208mm底面上沿着端淬试样轴线安装热电偶，为了精确测定端部淬火时沿试样轴线方向的温度场，本实施例沿试样轴线安装9组热电偶，它们与萍火端面的距离依次为 3mm、6mm、10mm、15mm、25mm、35mm、65mm、100mm、160mm。首先，用直径为I. 5mm的钻头沿轴线在需要安装热电偶的位置沿径向钻出一个深度为4_ 的孔，将热电偶正负极焊接在一起的一端放入孔中，然后，用小段直径为Imm的7B50铝合金丝把孔与热电偶间的缝隙铆严，使热电偶与试样充分接触，且保证热电偶与试样的结合是牢固可靠的，将热电偶线整齐的排列在凹槽(3)内，并将剩余部分从“L”形底座(I)上凹槽(3)上端的7mmX6mm开口引出端淬试样外，最后，将热电偶的另一端正确的连接到HI0KI8430-21数据记录仪的信号输入通道中。装配端淬试样在凹槽(3)中指定位置安装好热电偶后，将“I”形侧盖(2)安放在“L”形底座(I)上，安放时保证两者组合成一个完整的圆柱体试样，两部分的螺钉孔(4)对正，将螺钉旋入螺钉孔(4)，连接、固定“L”形底座(I)和“ I”形侧盖(2)，旋入螺钉后保证淬火端面平齐，在试样的侧面用管箍加固试样，使试样在实验过程中结合牢固，最后用耐火石棉将“L”形底座(I)上方凹槽(3)的缺口的缝隙堵死，并用耐火泥将“L”形底座(I)和“ I”形侧盖(2)结合处的缝隙及螺钉孔(4)周围的缝隙堵死，防止水蒸气和冷空气进入试样内影响测试结果。(3)固溶热处理在马弗炉中对试样进行固溶处理，固溶制度采用470°C下保温2小时+ 483°C下保温6小时。端面淬火固溶处理结束后5秒内将端淬试样从马弗炉中转移到淬火架上进行端淬，淬火架上固定有硬质保温耐火材料的保温套筒，试样的顶部台阶卡在套筒上沿，用耐火石棉将试样暴露的台阶部分包裹严，其余部分插入套筒内，套筒的高度略小于试样标距段高度，淬火端面刚刚露出套筒下沿，打开数据记录仪采集数据，测试过程中保证测试环境内没有明显的空气流动，当试样整体温度降到室温时停止实验。(4)实验结果将数据记录仪采集的数据绘制成温度一时间关系曲线，如图10所示，图11为图10所示曲线前120秒范围内的放大图。由图可知距离淬火端面160mm范围内试样的温度变化几乎同步，冷却速度变化不大。
权利要求
1.一种测定铝合金端淬时沿试样轴向温度场的方法，其特征在于按照以下步骤进行 (1)制备试样将待测铝合金坯料制备成顶部带有圆柱形台阶的圆柱形端淬试样，将端淬试样沿柱体切割成“L”形底座和“I”形侧盖两部分；“L”形底座的底面即为端淬试样的淬火端面，沿“L”形底座纵向切割面的高度方向加工一凹槽，凹槽底面的中心线与端淬试样的中心轴线重合，以通过端淬试样的中心轴线且垂直于凹槽底面的平面为对称平面，在“L”形底座和“ I ”形侧盖上加工两组螺钉孔，每组螺钉孔由分别位于“L”形底座和“ I ”形侧盖的上下两个螺钉孔构成，两个螺钉孔大小一致、中心对正； (2)安装热电偶在凹槽底面上沿端淬试样的中心轴线上，在需要安装热电偶的位置加工出3-4_深的孔，将热电偶一端正负极连接后植入孔中，并用和坯料相同材料的铝合金细丝将热电偶和孔之间的空隙铆严，使热电偶线整齐的排列在凹槽内，剩余部分从凹槽的开口引出端淬试样外，热电偶的另一端连接数据记录仪信号输入通道，用和坯料相 同材料的螺钉旋入螺钉孔将“L”形底座和“ I ”形侧盖连接在一起，旋入螺钉后保证试样的淬火端面平齐，试样安装完毕后用管箍在外侧加固，将试样结合处的缝隙用耐火棉或耐火泥封严，“L”形底座和“I”形侧盖连接为一体； (3)端淬测试对端淬试样在马弗炉中进行固溶处理，固溶处理结束后5秒内将端淬试样从马弗炉中转移到淬火架上进行端淬，打开数据记录仪采集温度随时间变化的数据，保持淬火介质流量恒定,淬火介质垂直喷射到端淬试样淬火端面的中心,直至端淬试样的温度降到室温； (4)处理数据端淬结束后，根据数据记录仪测得的实验数据，绘制出温度一时间关系曲线，得到铝合金端淬时沿试样轴向的温度场。
2.根据权利要求I所述的一种测定铝合金端淬时沿试样轴向温度场的方法，其特征在于所述的“L”形底座的纵向切割面距端淬试样中心轴线的距离是试样柱体直径的l/2(Tl/5，横向切割面距淬火端面的距离是柱体高度的l/5(Tl/10。
3.根据权利要求I所述的一种测定铝合金端淬时沿试样轴向温度场的方法，其特征在于所述的“L”形底座的转角处加工成过渡圆角。
4.根据权利要求I所述的一种测定铝合金端淬时沿试样轴向温度场的方法，其特征在于所述的凹槽一端距淬火端面的距离是柱体高度的l/30(Tl/50。
5.根据权利要求I所述的一种测定铝合金端淬时沿试样轴向温度场的方法，其特征在于所述的“L”形底座上螺钉孔位于淬火端面一端加工出台阶。
全文摘要
本发明属于金属材料热处理领域，具体涉及一种测定铝合金端淬时沿试样轴向温度场的方法。本发明方法是首先将端淬试样切割成“L”形底座和“1”形侧盖两部分，沿“L”形底座的高度方向加工一凹槽，在“L”形底座和“1”形侧盖上加工两组螺钉孔，在凹槽底面上加工孔，将热电偶安装在孔中，将螺钉旋入螺钉孔，对端淬试样固溶处理后进行端淬，采集数据，直至端淬试样的温度降到室温，根据数据记录仪测得的实验数据，绘制出温度―时间关系曲线，得到铝合金端淬时沿试样轴向的温度场。本发明方法热电偶安装位置准确，可极为接近试样淬火端面，与试样结合牢固，受外界环境影响小，测试结果真实可靠。
文档编号G01K7/04GK102967383SQ20121055078
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者康雷, 赵刚, 田妮 申请人:东北大学