本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种铝合金淬透性的端面淬火测试装置及方法。
背景技术：
铝合金作为航空工业和汽车工业中广泛使用的结构材料，时效后具有较高的强度。为了获得最佳的时效强化效果，材料固溶后必须快速淬火。然而，随着厚度的增加，或由于控制残余应力的需要，材料中心部分的淬火速率往往达不到所需的临界冷却速率，性能下降，出现淬不透的现象。因此，铝合金厚截面材料的淬透性问题引起了人们广泛的关注。
铝合金淬火是使高温状态以急冷方式将过饱和状态固定到室温，其目的是使淬火组织中保留大量空位和过饱和固溶体，为时效析出提供热力学与动力学条件。高强铝合金固溶产生的过饱和状态极不稳定，在淬火冷却过程中很难避免其向平衡态转换，结果使高强铝合金材料时效后的性能下降或不稳定。
铝合金材料的淬透性是针对铝合金厚截面材料和构件固溶-淬火-时效后的组织性能不均匀性问题而提出的，并且随着对铝合金厚板不断提出的提升综合性能和增加板厚的强烈需求而愈加突出。末端淬火方法是研究时效强化铝合金厚截面材料淬透性的有效途径。
目前，铝合金淬透性研究大多数都直接采用钢的端淬-硬度法，并以钢的淬透性衡量指标作为铝合金淬透性的衡量标准，一般通过依据国家标准GB/T225-1988《钢的淬透性末端淬火试验方法》的末端淬火试验的方法获得。
铝合金与钢铁淬火都是从高温快速降到室温，从形式讲具有相似之处，但两类材料淬火前的加热温度几乎相差一倍，一般7000系和2000系铝合金的固溶温度都小于500℃，两类材料的热力学参数他相差甚远，具有完全不同的传热学特性，因此，钢的淬透性末端淬火试验方法不适用铝合金材料。
虽然有少量文献报道中涉及了铝合金的淬透性，但由于不同作者采用的分析测试方法有差异，得出的参数可比性差，目前国内外还没有像钢铁材料那样建立起一套公认的铝合金淬透性分析测试方法。以往此类试验在测定铝合金的淬透性时，由于试验设备比较简陋，试验结果受水压、水流高度及水温波动的影响较大，难以精确满足试验要求。因此，应用于铝合金淬透性研究的端淬-硬度试验法试验的喷水口直径、喷水高度、试样尺寸等目前还没有统一的标准，有必要建立一套合理公认的铝合金淬透性的测试装置和测试方法。
技术实现要素：
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种结构简单、操作使用方便、能有效提高铝合金材料淬透性准确性的铝合金淬透性的端面淬火测试装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供一种铝合金淬透性的端面淬火测试装置，用于对经固溶处理后的由铝合金材料制成的试样棒进行淬透性测试，该试样棒具有固定端和淬火端，其特征在于，包括：固定架；试样支架，固定设置在固定架上，用于固定试样棒；端面淬火单元，用于对试样棒的淬火端进行淬火处理，具有固定设置在固定架上且位于试样支架的下方的喷水支架、固定设置在该喷水支架上的喷水嘴以及与该喷水嘴相连通的水箱；硬度测量单元，用于检测经端面淬火处理以及时效处理后的试样棒的长度方向上的多个硬度测量位置处的硬度信号；温度测量单元，用于检测在端面淬火处理以及时效处理中的试样棒的长度方向上的多个温度测量位置处的温度信号；数据采集卡，与硬度测量单元以及温度测量单元分别通信连接，用于接收硬度信号以及温度信号；以及数据分析单元，与数据采集卡通信相连接，用于对硬度信号以及温度信号进行分析并得到试样棒的硬度与距淬火端距离的关系曲线、冷却速度与距淬火端距离的关系曲线、硬度与冷却速度的关系曲线以及与最大硬度值的90％对应的位置至淬火端的距离，该距离即为淬透深度；其中，试样棒呈竖向设置，固定端与试样支架固定连接，淬火端上设置有圆柱形的凹槽，喷水嘴的中轴线与凹槽的中轴线相重合。
本发明提供的端面淬火测试装置，还可以具有这样的特征：其中，试样棒为横截面呈正方形的长方体或者圆柱体，长方体的尺寸为长25mm、宽25mm、高125mm，圆柱体的尺寸为直径25mm、高125mm，凹槽的尺寸为直径20mm、深10mm。
本发明提供的端面淬火测试装置，还可以具有这样的特征：其中，固定架包括底座以及与该底座固定连接的竖杆，试样支架以及喷水支架分别通过紧固件可拆卸地安装在竖杆上。
本发明提供的端面淬火测试装置，还可以具有这样的特征：其中，试样支架上还设置有耐火隔热板，用于隔离试样棒和试样支架之间的热传递，固定端通过螺钉固定安装在耐火隔热板上，耐火隔热板上设置有供螺钉穿过的通孔，固定端上设置有与螺钉相匹配的螺钉孔。
本发明提供的端面淬火测试装置，还可以具有这样的特征：其中，端面淬火单元还包括依次设置在水箱和喷水嘴之间的开关阀以及流量计，水箱和开关阀之间、开关阀和流量计之间以及流量计和喷水嘴之间均通过喷水管路连接且连通。
本发明提供的端面淬火测试装置，还可以具有这样的特征：其中，水箱的内部还设置有加热部件，用于加热被容纳在水箱内的水。
本发明提供的端面淬火测试装置，还可以具有这样的特征：其中，多个硬度测量位置为从淬火端开始每隔5mm依次设置，温度测量位置的数量为五个，五个温度测量位置距淬火端的距离分别为3mm、23mm、53mm、78mm以及98mm。
本发明提供的端面淬火测试装置，还可以具有这样的特征：其中，温度测量单元具有与温度测量位置的数量相同的热电偶，试样棒的外表面位于多个温度测量位置的部位上均设置有与热电偶相匹配的热电偶安装孔，多个热电偶分别一一对应地安装在多个热电偶安装孔内。
本发明提供的端面淬火测试装置，还可以具有这样的特征：还包括：输出单元，用于输出硬度与距淬火端距离的关系曲线、冷却速度与距淬火端距离的关系曲线、硬度与冷却速度的关系曲线以及淬透层深度，其中，输出单元与数据分析单元通信连接。
本发明还提供一种铝合金淬透性的端面淬火测试方法，其特征在于，包括以下操作：
操作一，将铝合金锭沿轧向切取出两个预定尺寸的试样棒，在每个试样棒的淬火端加工出圆柱形的凹槽，固定端加工出螺纹孔，并在其中一个试样棒的长度方向上按照预定距离依次加工出五个热电偶安装孔；
操作二，对两个试样棒分别加热升温进行固溶，并保温一段时间；
操作三，将经操作二的固溶处理后的不带有热电偶安装孔的试样棒安装在试样支架上，开启开水阀使水从喷水嘴喷出并喷至凹槽内来对试样棒进行淬火处理；
操作四，将经操作三的淬火处理后的试样棒取出并进行时效处理后，采用硬度测量单元分别检测每个硬度测量位置处的硬度信号；
操作五，将经操作二的固溶处理后的带有安装孔的试样棒取出，将温度测量单元的五个热电偶分别一一对应地安装在热电偶安装孔内，先将试样棒安装在试样支架上进行淬火处理，再进行时效处理，并采用温度测量单元分别检测在淬火处理以及时效处理中每个温度测量位置处的温度信号；
操作六，采用数据采集卡分别接收硬度信号以及温度信号；
操作七，采用数据分析单元对硬度信号进行分析并得到硬度与距淬火端距离的关系曲线以及与最大硬度值的90％对应的位置至淬火端的距离，该距离即为淬透深度；
操作八，采用数据分析单元对温度信号进行分析并得到冷却速度与距淬火端距离的关系曲线；以及
操作九，采用数据分析单元并根据硬度与距淬火端距离的关系曲线以及冷却速度与距淬火端距离的关系曲线得到硬度与冷却速度的关系曲线，根据硬度与距淬火端距离的关系曲线、冷却速度与距淬火端距离的关系曲线、硬度与冷却速度的关系曲线以及淬透深度对试样棒的淬透性进行评价。
发明作用与效果
根据本发明所涉及的铝合金渗透性的端面淬火测试装置及方法，由于端面淬火单元能够对试样棒进行淬火处理，温度测量单元能够检测经端面淬火处理以及时效处理后的试样棒的硬度信号，温度测量单元能够检测在端面淬火处理以及时效处理中的试样棒的温度信号，数据分析单元能够对硬度信号以及温度信号进行分析并得到试样棒的硬度与距淬火端距离的关系曲线、冷却速度与距淬火端距离的关系曲线、硬度与冷却速度的关系曲线以及与最大硬度值的90％对应的位置至淬火端的距离，该距离即为淬透层深度，从而能够很好地评价铝合金的淬透性；而且结构简单、操作使用简便、准确性高，重现性好，能够节省实验时间，有效地降低了实验成本。
附图说明
图1是本发明的实施例中铝合金淬透性的端面淬火测试装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例中试样棒的硬度与距淬火端距离的关系曲线图；
图3是本发明的实施例中试样棒的不同温度测量位置处的冷却曲线图；
图4是本发明的实施例中试样棒的冷却速率与距淬火端距离的关系曲线图；以及
图5是本发明的实施例中试样棒的硬度与冷却速率的关系曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明的实施例中铝合金淬透性的端面淬火测试装置的结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，试样棒200由铝合金材料制成，为横截面呈正方形的长方体，该长方体的尺寸为长25mm、宽25mm、高125mm。试样棒200的上端作为固定端，其上设置有用于固定的螺钉孔(图中未示出)，该螺纹孔的尺寸为直径5mm、深15mm；试样棒200的下端作为淬火端，其上设置有圆柱形的凹槽201，该凹槽201的尺寸为直径20mm、深10mm。当然，也可以根据需要，试样棒200为圆柱体，该圆柱体的尺寸为直径25mm、高125mm。
如图1所示，本实施例中的铝合金淬透性的端面淬火测试装置100，用于对经固溶处理后的试样棒200进行淬透性测试。该端面淬火测试装置100包括固定架10、试样支架20、端面淬火单元30、硬度测量单元(图中未示出)、温度测量单元(图中未示出)、数据采集卡(图中未示出)、数据分析单元(图中未示出)以及输出单元(图中未示出)。
如图1所示，固定架10包括底座11以及与该底座11固定连接的四个竖杆12。
如图1所示，试样支架20固定设置在固定架10上，用于固定试样棒200使试样棒200呈竖向设置。在本实施例中，试样支架20通过紧固件可拆卸地安装在竖杆12上，方便调节试样支架20在固定架10上的高度；紧固件为螺钉或者螺栓螺母。
试样支架20上设置有耐火隔热板21，用于隔离试样棒200和试样支架20之间的热传递。试样棒200的固定端通过与其上的螺钉孔相匹配的螺钉22固定安装在耐火隔热板21上，耐火隔热板上设置有供螺钉22穿过的通孔(图中未示出)。
如图1所示，端面淬火单元30用于对试样棒200的淬火端进行淬火处理，包括喷水支架31以及通过喷水管路36依次相连接且连通的喷水嘴32、流量计33、开关阀34以及水箱35。
喷水支架31固定设置在固定架10上且位于试样支架20的下方。在本实施例中，喷水支架31通过紧固件可拆卸地安装在竖杆12上，方便调节喷水支架20在固定架10上的高度；紧固件为螺钉或者螺栓螺母。
喷水嘴32固定设置在喷水支架31上，用于向试样棒200的下端面的凹槽201喷水。喷水嘴32与凹槽201位置对应设置，并且喷水嘴32的中轴线与凹槽201的中轴线相重合，从而使水从喷水嘴32中喷出并喷至凹槽201内后发生反射而形成球形水幕。
流量计33用于检测从水箱35流向喷水嘴32的水的流量。
开关阀34用于控制开启或关闭水箱35内水的流出。
水箱35用向喷水嘴提供水源，其内部设置有加热部件351，用于加热被容纳在水箱35内的水。在本实施例中，加热部件351为加热管。
喷水管路36用于使喷水嘴32与流量计33之间、流量计33与开关阀34之间以及开关阀34与水箱35之间连接且连通。
硬度测量单元，用于检测经端面淬火处理以及时效处理后的试样棒200的长度方向上的多个硬度测量位置(图中未示出)处的硬度信号。在本实施例中，多个硬度测量位置呈从淬火端开始每隔5mm依次设置。
温度测量单元，用于检测在端面淬火处理以及时效处理中的试样棒200的长度方向上的五个温度测量位置(图中未示出)处的温度信号，五个温度测量位置距淬火端的距离分别为3mm、23mm、53mm、78mm以及98mm。在本实施例中，温度测量单元具有五个热电偶，试样棒200的外表面位于五个温度测量位置的部位上均设置有与热电偶相匹配的热电偶安装孔(图中未示出)，五个热电偶分别一一对应地安装在五个热电偶安装孔内。
数据采集卡，与硬度测量单元以及温度测量单元分别通信连接，用于接收硬度信号以及温度信号。
数据分析单元，与数据采集卡通信连接，用于对硬度信号以及温度信号进行分析并得到试样棒的硬度与距淬火端距离的关系曲线、冷却速度与距淬火端距离的关系曲线、硬度与冷却速度的关系曲线以及与最大硬度值的90％对应的位置至淬火端的距离，该距离即为淬透层深度。
输出单元，与数据分析单元通信连接，用于输出硬度与距淬火端距离的关系曲线、冷却速度与距淬火端距离的关系曲线、硬度与冷却速度的关系曲线以及淬透层深度。
本实施例中的一种铝合金淬透性的端面淬火测试方法，采用如图1所示的端面淬火测试装置，包括以下操作：
操作一，将铝合金锭沿轧向切取出两个预定尺寸的试样棒200，在每个试样棒200的淬火端加工出圆柱形的凹槽201，固定端加工出螺纹孔，并在其中一个试样棒200的长度方向上按照预定距离依次加工出五个热电偶安装孔。
操作二，对两个试样棒200分别加热升温至475℃进行固溶，并保温4h。
操作三，将经操作二的固溶处理后的不带有热电偶安装孔的试样棒200安装在试样支架20上，开启开水阀34使水箱35内的水从喷水嘴32喷出并喷至凹槽201内来对试样棒200进行淬火处理，处理时间为10min。
操作四，将经操作三的淬火处理后的试样棒200取出并进行时效处理24h后，采用硬度测量单元分别检测每个硬度测量位置处的硬度信号。
操作五，将经操作二的固溶处理后的带有安装孔的试样棒200取出，将温度测量单元的五个热电偶分别一一对应地安装在热电偶安装孔内，先将试样棒200安装在试样支架20上进行淬火处理10min，再进行时效处理24h，并采用温度测量单元分别检测在淬火处理以及时效处理中每个温度测量位置处的温度信号。
操作六，采用数据采集卡分别接收硬度信号以及温度信号。
操作七，采用数据分析单元对硬度信号进行分析并得到硬度与距淬火端距离的关系曲线以及与最大硬度值的90％对应的位置至淬火端的距离，该距离即为淬透深度。
图2是本发明的实施例中试样棒的硬度与距淬火端距离的关系曲线图。
如图2所示，本实施例中的试样棒200在每个硬度测量位置处的硬度值为在该硬度测量位置处取与试样棒200的中心线垂直方向上五个硬度的平均值作为纵坐标，每个硬度测量位置与淬火端距离作为横坐标，获得硬度与距离的关系曲线，即淬透性曲线。
操作八，采用数据分析单元对温度信号进行分析并得到冷却速度与距淬火端距离的关系曲线。
图3是本发明的实施例中试样棒的不同温度测量位置处的冷却曲线图；
如图3所示，将温度测量单元的五个热电偶分别一一对应地安装在带有安装孔的末端淬火冷却曲线实验试样，在淬火冷却过程中，电脑连接记录末端淬火冷却曲线实验试样样品温度变化的情况，测试端淬过程中这五个位置从开始淬火到结束的冷却曲线。
图4是本发明的实施例中试样棒的冷却速率与距淬火端距离的关系曲线图。
如图4所示，根据冷却曲线算出420～230℃范围五个位置的平均冷却速率，也就是在420～230℃范围五个位置冷却曲线近似一条直线，其斜率就是冷却速率；每个冷却速率位置与淬火端距离作为横坐标，冷却速率作为纵坐标，获得试样棒的冷却速率与距淬火端距离的关系曲线图
操作九，采用数据分析单元并根据硬度与距淬火端距离的关系曲线以及冷却速度与距淬火端距离的关系曲线得到硬度与冷却速度的关系曲线，根据硬度与距淬火端距离的关系曲线、冷却速度与距淬火端距离的关系曲线、硬度与冷却速度的关系曲线以及淬透层深度对试样棒的淬透性进行评价。
图5是本发明的实施例中试样棒的硬度与冷却速率的关系曲线图。
如图5所示，试样棒200的硬度随着冷却速率的增加而不断增加，且硬度与冷却速度的对数之间具有良好的线性关系。由此可知，要使铝合金板材淬透，冷却速率需大于一定值。
实施例作用与效果
根据本实施例所涉及的铝合金渗透性的端面淬火测试装置及方法，由于端面淬火单元能够对试样棒进行淬火处理，温度测量单元能够检测经端面淬火处理以及时效处理后的试样棒的硬度信号，温度测量单元能够检测在端面淬火处理以及时效处理中的试样棒的温度信号，数据分析单元能够对硬度信号以及温度信号进行分析并得到试样棒的硬度与距淬火端距离的关系曲线、冷却速度与距淬火端距离的关系曲线、硬度与冷却速度的关系曲线以及与最大硬度值的90％对应的位置至淬火端的距离，该距离即为淬透层深度，从而能够很好地评价铝合金的淬透性；而且结构简单、操作使用简便、准确性高，重现性好，能够节省实验时间，有效地降低了实验成本。
进一步，由于试样棒的淬火端上设置有凹槽，喷水嘴的中轴线与该凹槽的中轴线重合，能够使水从喷水嘴喷出并喷至凹槽内后发生反射而形成球形水幕，有效地消除了试样棒表面产生大量气膜，从而改善了试样棒的表面传热效率，能够准确地测试试样棒的淬透深度。
另外，由于试样支架以及喷水支架均可拆卸地安装在固定架上，方便调节试样支架和喷水支架在固定架上的高度，从而进一步调节喷水嘴和凹槽之间的距离。
此外，由于端面淬火单元包括有开关阀、流量计以及水箱内设置有加热部件，使得该测试装置能够根据试样棒在淬火冷却方向上的厚度情况，适时调节冷却介质的压力、流量和温度，从而有效地改善试样棒的表面传热效率。