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东莞市旺特金属材料有限公司
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3J58镍基高温合金力学性能及标准 广东旺特特种合金 2023 广东 恒弹合金具有特殊物理性能，这类金属功能材料可以细分为磁性合金、弹性合金、热膨胀合金、电阻合金等，主要用在仪器仪表、电子技术等工业中作为能量、信息转换、传输等元器件。恒弹合金因技术含量高，附加值高，经济效益显著，具有重要的工程应用价值。然而，由于Fe-Ni合金材料化学成分复杂，合金元素含量较高，给合金生产带来了新的难点，因此采用常规表面处理工艺在质量和性能上均存在一定局限性。 强激光（脉冲能量30一50J，脉冲宽度15—30ns）与物质相互作用产生的强冲击波，具有高压（GPa-TPa）、**快（几十纳秒）、**高应变率（10^7—10^8sｓ^-1，比爆炸成形高出100倍）的显著特点，形成了一种*特的非传统制造技术，利用强激光辐射材料是表面改性的重要方法之一，局部区域在高能密度激光束作用下可以强化材料的机械性能。近年来激光冲击强化广泛应用在*工业结构金属件的强化、抗疲劳和抗腐蚀的性能提高上，并取得了明显的效果，但关于激光冲击恒弹合金后力学性能的变化规律，目前国内尚未见这方面的研究报道。 纳米压痕技术是评价微观薄膜力学性能的有效手段,在材料表面研究中正日益受到青睐。文中拟对恒弹合金中的3J58试样进行激光冲击强化处理,采用Hystron公司的Triboindenter纳米压痕仪测定激光冲击后试样的冲击区域、影响区域、基体(未冲击区域)的硬度和弹性模量,并对上述区域的表面残余应力进行测试和研究,为进一步控制激光冲击强化过程中的力学性能的变化规律提供基础,为恒弹合金3J58的表面强化处理提供新的方法,对于提高恒弹合金3J58使用寿命具有重要的现实意义。 1试验准备 1.1试样材料 试样材料为强化型恒弹性合金3J58,其化学成分范围为:ω(Ni)=43.0%~43.6%,ω(Cr)=5.20%~5.60%,ω(Ti)=2.30%~2.70%,ω(Al)=0.50%~0.80%,ω(C)≤0.05%,ω(Mn)≤0.80%,ω(si)<0.80%,ω(P)≤0.02%,ω(S)≤0.02%,Fe余量.机械性能:比重d为8.1g/cm;抗拉强度δb。为150kgf/mm;维氏硬度HV为400。试样尺寸为60mmx60mmx2mm。采用K9光学玻璃为约束层,用厚度为0.3μm美国3M公司的**铝箔作为激光冲击吸收层,冲击试验前后,将试样放置到盛有乙醇的槽内,利用超声波进行清洗。 1.2试验装置及参数选择 激光冲击恒弹合金3J58试验在江苏大学强激光实验室的重复率铵玻璃高功率激光冲击强化装置上进行,激光光斑直径为8mm,脉冲能量为20J,激光波长为1054nm,激光脉冲宽度为20ns。 1.3样品测试 纳米压痕试验采用美国Hystron公司生产的具有高分辨率的Triboindenter纳米压痕仪测试的连续载荷和位移来计算材料表面力学性能,压针为金刚石Berkovichtip。用压针逼进试样表面确定表面接触零点,加载保载时间为10s,力分辨率3nN@1μN,加载力的范围为100nN~10mN,较大加载速率在纳米,纳牛顿水平上,利用探针对样品表面微区进行压入或划人,可获得材料微区的硬度、折合模量等。 利用X350A型X射线应力仪对3J58合金试样表面进行了X射线衍射分析,扫描起始角及终止角分别为107°和114°,侧倾角Ψ分别取10°,25°,35°和45°。对于铬靶Ka特征辐射，3J58合金为(311)晶面,X射线吸收系数取μf=2.5x10^5m-1。 2试验结果和分析 2.1纳米硬度和弹性模量 纳米压痕测量技术中，两种较常用的力学性质就是纳米硬度（H）和弹性模量（Er），根据Oliver-Pharr方法，可以分别由下式给出： 式中Pmax为较大载荷;S为卸载曲线**部的斜率，S=dp/dh；he为接触深度;A为接触面积;Er为约化弹性模量;β为与压头几何形状有关的系数(对于三棱锥压头取1.034)。将制备好的样品置于Triboindenter纳米压痕仪上,载荷为1450μN,从中可以获得纳米压痕的较大载荷Pmax和接触深度he。等数据,每组数据为多次试验结果的平均值。纳米压痕的加压卸载曲线如图1所示。 由试验结果可见,激光未冲击的合金表面的纳米硬度H和弹性模量Er分别是2.08 GPa,34.35GPa;激光冲击影响区域的纳米硬度H和弹性模量Er分别是2.47GPa,95.79 GPa;激光冲击区域的纳米硬度H和弹性模量E,分别是5.04GPa,17.56GPa。显然激光冲击区域和激光冲击影响区域的纳米硬度和弹性模量明显**未冲击表面的对应值。并且与未冲击区域的接触深度144.25nm相比,激光冲击后试样影响区域和冲击区域的接触深度分别为135.48nm和106.59nm,接触深度明显变小,也表明激光冲击提高了冲击表面的纳米硬度,有利于提高试样的抗外物冲击损伤能力,这与BSYilbas等以及WW Zhang等的研究结果一致。