时效处理对动密封3J21合金性能的影响
摘要：该文以常用动密封材料3J21合金作为研究对象，探究时效处理对其性能的影响。拉伸和疲劳振动试验测试结果表明:在时效温度400℃~640℃内,3J21合金的抗拉强度和疲劳极限随温度的增大先逐渐增大，到550℃达到最大值，随后逐渐降低;延伸率呈大致相反的变化规律。550℃时效合金强化效果最好，强度高而塑性稳定，疲劳极限达到最大值，约5.76X105次。金相组织观察表明:时效过程中析出的强化相及产生的回复效应是造成上述结果的主要原因。振动疲劳试验中,3J21合金疲劳试样的高度和弹力值随时间的增加逐渐降低，振动初期变化较快，该变化规律对于航空液压泵动密封结构中间隙尺寸及公差的设计具有重要的参考价值。
关键词：动密封材料;3J21合金;时效处理;影响
0 引言
波浪圈是经模具冲压而成的弹性元件，具有体积小、占用空间少，又具有减振和调节压力的作用,在航空液压泵动密封中得到了广泛的应用；随着新一代航空液压泵向高压力、高转速、高寿命、高温度、高可靠性方向发展,对密封结构的泄漏量和可靠性提出了更高的要求。波浪圈在动密封结构中，承受交变载荷的作用，其抗疲劳性能直接影响到动密封稳定性和可靠性。3J21合金具有无磁、耐腐蚀、高弹性、高强度和良好的耐疲劳性能，在航空液压泵动密封中作为波浪圈材料得到了应用。
时效处理是改善3J21合金性能的重要手段，通过时效处理可调整合金的组织,以达到合金理想的性能与工作稳定性。为此，探索时效处理对3J21合金性能的影响，为航空液压泵弹性元件合理的选材设计和工艺规范的制定提供依据，显然具有十分重要的意义。
1.1试验材料
试验材料为0.2mm厚的3J21合金冷轧带，技术条件符合YB/T5253-93。
1.2试验方法
将3J21合金冷轧带按图1所示尺寸冲压加工成某型航空液压泵内波浪圈（疲劳试样）及标准拉伸试样,试样加工完成后分别在VKA-120型真空炉中采用400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、640℃进行时效处理，时效时间3h。拉伸试验在电子万能试验机上进行,采用Olympus金相显微镜对组织进行观察，腐蚀剂为200mlHCl+65mlHNO3+5gCuCl2。
疲劳振动试验采用专用工装在TPJ-2型疲劳试验机上进行，振动频率600次/min,振幅为从工作高度1.7mm到波浪圈自由高度，振动5h观察1次，随每1h停机观察1次，并测量疲劳试样弹力及高度值，并记录疲劳断裂时间。
2、试验结果分析与讨论
2.1拉伸性能及组织分析
图2是不同时效温度下拉伸试验结果，可以看出,随时效温度的增加，合金的抗拉强度逐渐增大，550℃达到最大值,随后呈下降趋势，延伸率变化规律与抗拉强度大致相反，这与强塑性倒置的一般规律相符。合金的组织决定性能,3J21合金拉伸性能变化规律与时效过程中析出的沉淀强化相、合金元素的偏聚及回复与再结晶有关。从图3中3J21合金时效温度下的金相组织照片可以看出，时效产生的析出相及合金元素偏聚，在形变带、晶界处以及晶粒内部呈弥散分布;随着时效温度的升高，析出相的数量越多，分布越均匀，强化效果越明显;但温度大于550℃，沉淀相发生溶解，强化作用降低，并加速回复与再结晶（如图3f所示）,这与拉伸强度于550℃后开始降低的试验结果相吻合。
2.2疲劳分析
在本文中规定波浪圈振动断裂时间即为合金的疲劳极限，图4是时效温度对合金疲劳极限的影响，从图4中可以看出温度对疲劳极限的影响与对拉伸强度的影响类似，都是先增大,550℃达到最大值，约16h（振动5.76X105），随后逐渐降低。
疲劳试样在振动过程中承受交变载荷的作用，经过有限次的循环之后,将在应力集中处局部塑性变形，并堆积产生循环滑移带，滑移带的堆积将导致裂纹的萌生，裂纹经过扩展进而导致断裂。裂纹萌生是对组织较为敏感，在400℃〜550℃时效处理时，由于析出相的产生，对位移的滑移起到阻碍的作用，进而阻碍裂纹的萌生和扩展,提高疲劳极限,550℃时疲劳极限达到最大值，温度大于550℃时，由于强化相的长大、溶解，强化作用降低，位错能以绕过机制运动，降低了对位错的阻碍作用。金晓鸥等人对不同时效态的裂纹萌生寿命不同，而裂纹扩展速率总体上差别不大。
图5是550℃时效处理的疲劳试样在振动试验过程中高度和弹力值的变化曲线，可以看出试样的高度和弹力值总体上随振动时间的增加逐渐降低,振动初期高度和弹力变化较快。初期变化较快可能与波浪圈冲压变形后经时效处理产生的应力松弛或初次承受载产生的尺寸回弹有关。根据波浪圈的载荷-绕度关系公式，高度和型面R转接是决定弹力的重要原因，因此，本次试验中弹力的变化规律与高度变化一致。试验过程中的高度及弹力变化规律对于航空液压泵动密封结构中间隙尺寸及公差的设计具有重要的参考价值。
3、结论
本文通过对动密封材料3J21合金进行不同时效温度处理，观察其金相组织，进行拉伸及疲劳振动试验，可得出以下结论：
(1) 在时效温度400℃~640℃内，3J21合金的抗拉强度和疲劳极限随温度的增大先逐渐增大，到550℃达搭配最大值,随后逐渐降低；延伸率呈大致反的变化规律。550℃时效合金强化效果最好，强度高而塑性稳定，疲劳极限达最大值，约振动5.76X105,时效过程中析出的强化相机产生的回复效应是造成上述结果的主要原因。
(2) 在振动疲劳试验中，3J21合金疲劳试样的高度和弹力值随时间的增加逐渐降低,振动初期变化较快，该变化规律对于航空液压泵动密封结构中间隙尺寸及公差的设计具有重要的参考价值。
