不同熱處理溫度下金屬材料的衰減特征

于 浩，王庭鑫

（1.沈陽市大東區社會事務服務與行政執法中心，遼寧 沈陽 110001；2.大連重工起重集團有限公司鑄鋼分公司，遼寧 大連 116000）

金屬材料廣泛應用于我國醫療器械的制造、航空航天器材的裝備、工業建設等多個領域，但由于金屬材料綜合性能不能完全滿足行業發展的需要，出現一系列器械性能不達標的現象，影響我國金屬材料行業的進一步發展[1]。熱處理工藝是指金屬材料在固態下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，將金屬材料的組織和性能達到預期效果的一種金屬熱加工技術。為探究熱處理工藝對金屬材料衰減特征的影響，本文以鋁合金為對象，設計仿真實驗，在其他環境保持不變的條件下，改變鋁合金試樣在熱處理工藝時的溫度，以計算機為主要載體對這一過程中鋁合金的衰減信號進行采集，記錄并分析鋁合金試樣衰減特征的變化規律，計算其衰減特征系數，實現對不同熱處理溫度下鋁合金衰減特征的分析。實驗結果表明，在高溫條件下進行鋁合金材料的熱處理工藝，可以保證鋁合金的衰減特征具有穩定性，提高鋁合金的綜合性能。

1 鋁合金衰減特征分析試驗

1.1 樣品采集

鋁合金的衰減信號采集以計算機為主要載體，連接脈沖發射/接收儀、示波器和耦合劑，當計算機中心發送樣品采集信號時，耦合劑試樣的底面就會進行反射作用，再由一體式探頭將反射出的信號進行接收，一體式探頭的接收頻率具有可調節性的優勢，可在短時間內進行多次累計采樣，并將采集到的信號值以均值的形式輸出，便可得到穩定、準確的衰減特征。將在不同溫度下進行熱處理工藝的鋁合金的衰減信號輸入計算機，利用MATLAB軟件對衰減信號進行編輯、計算與分析[2]。

選擇鋁合金作為實驗對象，將直徑為50 mm的鋁合金切割成厚度為15mm的胚料，再以不同溫度對鋁合金胚料進行熱處理，熱處理工藝完成后，恒溫狀態保溫3小時再取出，形成鋁合金樣品。鋁合金胚料熱處理工藝的溫度變化如表1所示。

表1 不同溫度下鋁合金胚料熱處理參數

1.2 衰減特征計算

熱處理工藝通過改變金屬材料的化學成分達到提升金屬材料綜合性能的目標，因此，金屬試樣的衰減信號會隨著溫度的改變而改變。根據表1設置的熱處理工藝的溫度變化，設置一體式探頭頻率為10MHz，采樣率為500MS/s，將采集的鋁合金試樣在不同熱處理溫度下的衰減特征進行記錄。假設在試樣編號1＃中采集到的衰減信號和在試樣編號2＃中集到的衰減信號分別記為U1(t)和U2(t)，則鋁合金試樣在熱處理工藝溫度為852℃和963℃的衰減系數可表示為。

式中，d代表鋁合金試樣的厚度。

利用金屬試樣的衰減信號計算出金屬材料的衰減系數，由于對金屬材料的熱處理工藝分為加熱、保溫和冷卻三個過程，衰減特征的變化也會受到這三個過程的處理時間所影響，因此，只有保證熱處理工藝的三個環節相互銜接，才能正確分析不同溫度下熱處理工藝對鋁合金衰減特征的影響。

2 結果與分析

2.1 衰減特征系數

以鋁合金試樣編號1＃和2＃的衰減特征a1(ω)和a2(ω)為例，二者分別在852℃和963℃下進行熱處理加工工藝，其衰減特征的函數表達式為。

式中，n代表衰減特征變化的次數。

2.2 衰減特征的變化

根據上述分析可知，鋁合金在不同溫度下進行熱處理加工工藝時，其衰減特征的變化是不同的。當熱處理溫度達到200℃時，鋁合金表面的晶界會發生明顯變化，晶粒的數量在明顯減少；當熱處理溫度達到500℃時，鋁合金表面的晶界也有顯著變化，可以用顯微鏡觀測到晶粒的數量也在逐漸減少。

2.3 衰減特征穩定性

在同一采樣率下，對鋁合金在不同熱處理溫度下的衰減信號進行采集，并根據上述過程計算相應的衰減系數，將衰減系數的均值作為鋁合金試樣的標準衰減系數。再分別對試樣編號為3＃、4＃、5＃、6＃的鋁合金試樣的衰減信號進行采集，完成衰減信號的采集后，分別計算鋁合金試樣的衰減系數，然后計算這4次衰減系數與標準衰減系數的函數關系，確定鋁合金衰減特征的波動性與穩定性。

結果顯示，鋁合金在不同溫度下進行熱處理加工工藝時，其衰減特征的變化具有一定的波動性，且其波動范圍隨著溫度的升高而降低。

3 結語

本文以實驗分析的方式，對不同熱處理溫度下金屬材料的衰減特征進行分析，以鋁合金為實驗對象，將其在不同溫度下進行熱處理加工工藝，分析其衰減系數和衰減特征的變化。

結果表明，高溫條件下對鋁合金進行熱處理加工工藝，提高鋁合金衰減特征的穩定性，進而提高其綜合性能。通過對鋁合金材料的衰減特征分析，推測大部分金屬材料均可通過熱處理工藝提高衰減特征的穩定性。希望本文的研究能夠為我國金屬材料的熱處理提供理論依據。