超硬合金材料瞬态热冲击下机械性能分析

摘要：瞬态热冲击环境下，温度对金属材料的塑性、力学性能、断裂时间具有一定的影响。本文以航空、航天用超硬合金7A04材料为研究对象，利用实验研究了多种瞬态热冲击环境下，温度对该材料机械性能的影响。该研究为超硬合金材料的优化及应用条件控制提供了参考。

关键词：超硬合金材料；瞬态热冲击；力学性能

引言

合金材料具有价格低、易加工、耐腐蚀、塑性好、密度小等特点，是航空、航天工业的主要结构材料。超硬合金7404是一种热处理强化合金，拉伸强度和屈服强度几乎相同，在航空受热部件研究中应用非常广泛。本文利用实验，分析25℃～300℃多种瞬态热冲击环境下高速、高温对超硬合金力学性能的影响，对提升材料承载能力和结构优化具有一定的现实意义。

1.实验方法

为了进一步提高材料的力学性能，在实验材料超硬合金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含量高而导致的应力腐蚀。在变形合金系中，该材料具有最高强度：510MPa～590MPa。本实验材料为中国业集团提供的圆柱形棒材，为了保证材料中部加热区域温度分布均匀，经过车削将棒材加工成，总长度300mm，中间较细部分直径8mm、长度120mm的哑铃形圆柱，如图1所示。

实验在热-力联合实验装置上进行，该装置瞬时冲击热密度大于1.4MW/O，可控升温速率可达到150℃/s。超硬合金试样的拉伸实验分别在25℃、100℃、150℃、200℃、250℃以及300℃环境下进行。将试样表面加热至设定温度保温30s后，进行拉伸速率为20mm/min的拉伸载荷实验。利用扫描电子显微镜分析断口形貌。

2.实验结果及分析

如图2所示，为多种热冲击环境下，超硬合金7A04材料的拉升应力-位移曲线。由此看出，超硬合金在瞬态热冲击环境下，强度极限和弹性模型随热冲击温度的升高均呈现出下降趋势。其中，随着温度的变化，强度极限变化剧烈，而弹性模量变化不是很明显。随着温度的升高，超过250℃和300℃时，材料承载力下降非常明显。其中，250℃材料的强度极限仅为常温时材料的54.8%，300℃时为常温的40.9%；如图3所示，为多种热冲击环境下，超硬合金7A04材料应力-时间曲线。由此看出，六种实验温度下材料试样的拉断时间分别为56.1s、43.9s、37.6s、36.1s、32.4s和27.8s。随着热冲击温度的增加，超硬合金7A04材料的拉伸断裂时间逐渐缩短。这一数据对于航空、航天应用，尤其是导弹飞行时间、剩余强度以及承载的关系确定具有很大意义。由此看出，两组数据有一定的在差别，在150℃环境下，该材料的强度极限提高甚微，随着温度的增加，超过150℃后，强度极限提高的百分比逐渐增加。

3.结论

随着瞬态热冲击温度的升高，超硬合金7A04材料软化现象越发明显，塑性增加，导致了断口周围区域直径减小，从而降低了材料承载能力和承载截面积，增加了颈缩量。此外，随着温度的增加，超硬合金材料发生断裂所需时间缩短。该结论为航空、航天部件设计及材料优化提供了科学依据。

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