2024学校继续教育计划（精选8篇）
一、指导思想
以教育局和上级业务部门的工作要求为统领，根据太仓市教科研工作会议精神，重点立足“课题”与“课堂”坚持履行中心“研究、指导、服务与引领”工作职能，关注前沿，优化理念、创新方法、扎实过程，运用针对性科研方法，规范有序、求实务真、追求高效地开展各项工作。结合我校的工作计划，坚持教科研为课堂教学服务的理念，以“课题研究”为主要抓手，提升学校教育科研的品质，加强学校科研队伍建设。
二、重点工作：
1.做好“十三五”省级级课题的研究工作。
2.协同各部门做好2024校本培训项目申报。
3.协同各部门制定2024校本培训方案，按计划开展活动。
4.做好2024县市级培训工作报名工作。
5.抓好学校教科研常规管理工作。
6.加强学校科研队伍建设。
7.做好教师论文参赛、投稿等宣传工作。
三、具体措施及安排
（一）做好课题研究工作，促进教师专业成长
1．继续做好“十三五”课题研究工作
根据上级业务部门的指导要求，本科室将校本培训与课题研究相结合，结合十三五课题的申报，扎实开展校本培训活动。先向全体教师征集本校内关于学校规划发展、核心素养、课堂教学改革、学生阅读、教科研训一体化等领域内的问题。动员不同学科组的教师进行新一轮的课题申报，架构起学校的课题网络，促进教师向科研型教师的转变，提高专业素养。
2．做好在研课题的管理工作
深入课题的研究过程，与课题主持人定期沟通，了解学期课题研究计划内容。尽量多的参与具体的研讨活动当中，一起听课、研课，从科研角度来查看课堂教学的优点与不足，带领课题组老师用科研眼光来推动课堂教学。帮助课题组内的年轻教师在科研与教学相结合的研究道路上稳步前进。同时，进一步指导梅老师做好课题平台建设，按要求完成资料上传，并随时积累好过程资料。
3.优化教科研制度，做好相关网络管理
教科室制定相应的教科研管理制度，优化指导教科研的常规管理过程。对于各级各类教育科学研究课题，将按照课题网络化管理的具体细则，即按“研究方案、学习资料、研讨活动、学期汇报、研究成果、成果鉴定”六大板块，严格按要求上传，校教科室将采用指导服务、例行督查等形式，规范课题研究过程化管理，提高课题研究的实效度。
（二）加强各级培训活动，加大教师科研队伍建设
全员阅读，建立学习型校园
本学期继续通过阅读促进全体教师理论修养，要求每一位教师经常翻阅教育杂志，细心研读教育专著，潜心研究一个教学问题，感悟一种教学方法，做到有所体验，有所收获。重点围绕指定书目以及市发展中心编制的《燃荻》、校教科室编制的每月一期的纸质文摘，开展读书沙龙、读书心得交流活动，要求每位教师完成指定阅读书籍一本，并撰写600字以上的读后感三篇，上传校本培训平台的读书活动栏目内，纳入教师的校本培训学时统计内。同时把读书和课堂有机结合在一起，开展了课堂实践，将理论阅读与实践思考相结合起来，为阅读行为与教学行为架起互通的桥梁，从而提升教师自身素养。
本学期是2024年校本培训计划的制定与开始，一是协同各部门制定好新一的培训计划，二是提醒各部门按照计划开展相应活动，做好活动前有签到、活动中有组织、活动后有报道，将每一次的校本培训活动落实到位，材料搜集齐全。并做到网络平台上传资料及时到位、符合要求。三是本科室及时做好每位教师的校本培训学时统计，做到每次活动结束立即登记统计，每月汇总结算一次，及时查漏补缺，为考核做好准备工作。
同时2024年的县市级培训又将拉开序幕。按照上级部门的安排，有名师大讲堂、“苏州市中小学教师信息技术应用能力提升工程”的培训考试、“江苏省网络知识竞赛”、“苏州电教馆的网络培训活动”、“太仓市中小学教师远程培训教育”、“苏州市教师学科专业素养竞赛”等众多的培训项目，本科室会和教务处等部门协同商量，采用自主报名与部门推荐相结合的方式来保证教师有序合理地参与培训。本科室将认真做好各项报名的动员与名单上报工作，为每位老师顺利参与培训做好服务工作。
在项目实施过程中，不仅提升教师业务技能培训，而且把教师职业精神培育、价值取向建构作为重中之重，以此为教师的专业发展提供精神支撑和思想保障。打造一支德才兼备、素质优良，富有创新精神和实践能力的教师队伍，为太仓教育现代化建设提供人才保障。
3.做好上传下达工作，规范校本培训学时记录
做好上级部门的文件精神传达工作，严格按照《太仓市中小学教师继续教育学时认定管理办法》要求，每学年每位老师县级以上培训和校本培训各不少于50学时，5年总和不少于500学时的要求。本科室主要负责好继续教育中校本培训这一块的内容制定与学时统计。在以上两类的培训活动结束后，会按照上级部门的要求，请老师们及时登录培训管理系统，查看培训活动获得的相应学时，做好上传下达的工作。
（三）搭建学校科研成果推广、评选平台
1.做好各项论文赛事的通知动员工作。
本科室是为教师服务的部门，要做好上传下达工作。每个学期都有一些固定的论文比赛，接到上级部门传达的相关通知，就要及时梳理汇总，发布在校工作群里，便于老师及时了解比赛动态。在收集整理论文、案例过程中，要做到仔细、耐心，多给鼓励，帮助老师提高文章获奖数量与质量。
2.做好教师论文推广推荐工作。
教师撰写的教育教学论文是教师研究成果，也是教师评定职称需要的一个有力支撑，为了帮助教师提高这方面的成绩，除了组织教师积极参加各项论文比赛，还要最大程度地发挥学校作用，帮助老师做好文章质量把关工作，争取有更多的一线教师能有文章发表刊登出来，做好教研成果推广工作。
附月行事历：
2－3月：
1.上交苏州教育学会优秀教学案例。
2.参加全市教科室主任会议，传达会议精神。
3.完成2023-2024学第二学期教科研工作计划。
4．完成2024校本培训项目申报。
5．“十三五”课题研究。
6.完成2024年校本培训方案。
7.完成教师文章投稿。
8.编辑教学推荐文摘一份。
9.上交教师发展中心《燃荻》学习推荐资料一份。
10.召集课题组长，各课题组完成计划和月科研活动，资料上传课题平台。
11.编辑教育文摘一份。
12.完成本学期课题信息表填写。
13.做好“科研之窗”和“校本培训”两个网页的建设。
14.做好教师寒假读书心得评比。
15.下发教科研工作电子台账。
16.完成《太仓教育》杂志文章推荐工作
4月：
1.完成本月部门校本培训活动，统计学时。
2.参加信息课题月研讨活动
3.完成教师文章投稿
4.编辑教学推荐文摘一份
5.上交教师发展中心《燃荻》学习推荐资料一份。
6.做好“科研之窗”和“校本培训”两个平台建设。
7.做好江苏省“师陶杯”论文比赛的宣传工作。
5月：
1.完成本月部门校本培训活动，统计学时。
2.参加信息课题的月研讨活动。
3.完成教师文章投稿。
4．做好中国教师教育网远程培训报名工作。
5.编辑教学推荐文摘一份
6.上交教师发展中心《燃荻》学习推荐资料一份。
7.做好江苏省“师陶杯”论文比赛的组织工作。
8.太仓市级个人专项课题结题准备。
9.上交有关比赛论文。
10.做好“科研之窗”和“校本培训”两个平台建设。
6月：
1.完成本月部门校本培训活动，统计学时。
2.做好课题结题资料的最终整理。
3．开始中国教师教育网远程培训。
4.结合教导处评优课与汇报课，进行课题研讨活动。
5.编辑教学推荐文摘一份
6.上交论文比赛材料
7.完成《太仓教育》杂志文章推荐工作
8．做好“科研之窗”和“校本培训”两个平台建设
9.收集各位教师本学期论文、案例、反思等（40周岁及以下）。
10.做好学校继续教育和教师的继续教育验证工作。
11.统计、汇总本学期教师各级获奖情况、参加培训的情况。
12.整理本学期教科资料，条线评优。
在全球化的时代背景下, 国际教育有必要从小学甚至幼儿园开始就成为学校教育计划的一部分。课程、教学与师资作为中小学国际教育的关键因素, 三者环环相扣。国际教育的课程与教学范畴需要有:在正式课程中融入国际或全球意识与概念, 开设融入国际教育概念的相关科目或双语课程等;在非正式课程、课外或社团活动中, 开展国际交流与国际服务;在正式或非正式课程上, 利用信息技术打造跨国课堂;在校园与教室里, 营造国际教育的学习情境与气氛。师资是实施国际教育的主要力量, 除了有赖于中小学通过教师在职教育提升国际素养与促进国际教育专业成长外, 师资培养机构也应将国际教育列为培养课程内容, 以提供未来师资进行国际教育教学的能量。
一、从课堂管理走向课堂引导
学讲计划倡导教师实现教学方式的转变，解决课堂教学中“教什么、怎么教、教到什么程度”的问题。这一核心问题的转变改变了以往“填鸭式”教学，教师一统课堂天下的局面。换而言之，教师在课堂教学过程中由课堂管理走向课堂引导，由独裁者转变为教学的设计者、组织者、激发者、疏导者和提升者。
“学讲计划”指出：要让学生“学进去”，教师首先要掌握学情，充分掌握学生的现有水平和理解能力，初步确立教学方法，设计教学情境，在激发学习兴趣，调动学生自主学习能动性方面运筹帷幄。其次，教学过程中教师要始终站在思维高处，做好引领，关注学生思维过程，让学生把思维过程说出来。第三，把教学管理的时间充分腾出，留给学生充分的领悟知识的时间，让学生独立阅读或小组讨论来领悟新知。第四，教学过程要注重学生在学习方法的获得和学习能力的培养。要让学生“讲出来”，教师一是要在教学之前就考虑好让学生讲什么和如何讲，要明确“讲出来”的主题。二是要明确学生“讲出来”的内容和要求。三是要尽可能给学生留出充分的“讲出来”的时间，教师要学会恰当的提问、用心的倾听和积极的点拨和回应。四是要教师要鼓励和尊重学生差异，允许学生在“讲出来”的过程中出现种种错误并注意时刻保护学生的自尊心。五是要可以采用“教别人”的方式让学生“讲出来”。六是要拓宽“讲出来”的含义，使学生真正理解和掌握所学知识和技能，形成有效的学习方法和解决问题的能力。
由此可见，无论是“学进去”抑或是“讲出来”，教师的引领作用不可忽视。国家督学李希贵写道：“事实一再表明，只有改变自己，才能改变别人；只有领导改变，一個组织才有可能改变。那种自我感觉良好、故步自封，不再改变自己的管理者，任何希望改变别人改变组织的期待必然落空。”
二、让每个学生都成为自己的CEO
在《学校转型》一书中，李希贵指出，要让学校里的每一个教师都成为自己的CEO，大量的问题都在沟通、对话、协商中解决。我们实施的“学讲计划”教学改革何尝不是如此呢？
“学讲计划”倡导教师要引导学生实现学习方式的转变——由被动学转化为主动学，铸成良好的学习品格，解决“我要学、学什么、怎么学、学到什么程度”的问题。学生全程自主学习体现在“五学”的学习要求上，即“自学、互学、问学、教学、悟学”。“五学”的提出和实施，充分体现了以学生发展为本的教育观，让学生真正成为学习的主人。学讲计划实施以来，学生起初不适应分组学习，不会学，不会讲，不敢讲。随着教学改革的不断深入，教师学讲计划理念不断刷新，课堂教学手段的不断尝试，我们的学讲课堂日益精彩。
学讲课堂就是要打造这样的课堂，激发每位学生学习的积极主动性，让每位学生都成为学习的主人，发现问题，寻求解决问题的途径和方法，学会合作，学会学习。正如李希贵所说的那样，“管理到底为了什么”也许可以有了一个答案：说得时髦一点就是，让每一个人都成为自己的CEO；说得质朴一点，管理的全部努力都是为了激发每一个人的主动性、积极性和创造性。
三、让选择成为课堂的主旋律
很多老教师都对以前的“填鸭式”课堂教学模式记忆犹新，教师为主，学生为次，一本书，一支粉笔，一张嘴，一份教案，能够驰骋教海多年不变。学什么，怎么学，学生都没有选择，一味跟着老师的思维打转。所以有这么一句话，“死教书，教死书”。李希贵在书中指出，我们过分夸大了教育的力量，把教育当作挥舞在自己手上的感化与惩治的大棒，一厢情愿地把相同的教育强加到不一样的孩子身上，在“都是为了孩子好”的外衣下，我们已经不太在意孩子们的真实感受和千差万别的需求。我们的学校里太缺少选择。想想我们现如今推行的学讲计划课堂教学改革，我们会深刻地发现，实施学讲计划教学改革，我们的学生有了更多选择的空间。而这种选择对学生的成长来说，是多么的重要。
地理空间的拓展仅仅是一部分的改变，更为重要的是学习内容空间的选择和改变。学讲计划倡导的学讲课堂五步环节——“自主先学、小组讨论、交流展示、质疑拓展、检测反馈和小结反思”，对学生来说，无论是哪一个环节，学生都有着自由选择学习内容的权利和自由，他们会抛弃已知的、浅显的，追求深层次的知识，这是人类固有的好奇心和求知欲所驱使的，是人的内动力，是任何外在因素所实践的影响都无法比拟的。当然在这种选择的氛围下，给我们的教师提出了更高的要求，但不管怎样，选择改变了课堂，改变了孩子们，改变了我们的教育。正如李希贵在书中所写的那样，当选择成为校园主题词的时候，思考便成为常态，每一位同学都无法回避对自己、对社会的追问，自我潜能、个人价值和社会责任像孪生兄弟般一并问世。
关键词：2024铝合金,热处理,电导率
2024 铝合金是国内外航空、机械工业中应用最广的铝合金之一, 然而, 对铝合金热处理工艺的控制和使用过程中, 特别是在短时较高温度下, 材料出现的问题, 通常都采用破坏的形式进行金相检查, 或采用抗拉试验或硬度试验来检测铝合金热处理质量。由于铝合金热处理后, 在一个强度 (硬度) 值下, 可能有两个不同状态。因此, 只用强度或硬度来控制铝合金热处理后的质量是一种已经落后的检测方法, 是不能完全确保质量的。电导率检测方便快捷, 工作效率高, 且基本不受被检件形状、重量等条件限制, 对零件无损检测独具优势。国内外已有很多采用测电导率的方法来决定铝合金的热处理工艺和某些力学性能的报道[1,2,3]。本研究的目的是通过一系列试验摸索出2024 铝合金热处理制度与电导率之间的关系, 为铝合金原材料的电导率检验及零件的电导率检验提供经验与数据支持。
1 试验过程
1.1 试验用原材料
试验材料为2024 铝合金, 化学成分见表1。
1.2 试验方案
(1) 退火温度对2024 铝合金电导率的影响。退火温度分别为300℃、350℃、400℃, 保温2h, 出炉空冷。
(2) 固溶温度对2024 铝合金电导率的影响。固溶处理温度分别为485℃、490℃、495℃、500℃及505℃, 保温1h, 水淬, 自然时效96h。
(3) 人工时效温度对2024 铝合金电导率的影响。固溶温度495℃, 保温1h, 水淬, 分别180℃、185℃、190℃、195℃、200℃时效, 保温12h, 空冷。
(4) 自然时效时间对2024 铝合金电导率的影响。固溶温度495℃, 保温1h, 水淬, 自然时效24h、48h、72h、96h、120h。
1.3 试验设备
试验选用D60K型、精度为±0.12MS/m的涡流电导率测量仪;在每个试样两端分别取3 点测量电导率值, 6 个测量值的算术平均数为该试样电导率值。
2 试验结果及分析
2.1 退火温度对2024 铝合金电导率的影响
图1 显示了退火温度对铝合金电导率的影响。电导率随退火温度升高而降低。这是因为当温度升高时, 合金中第二相溶解增多, 过饱和固溶体的浓度增加, 使基体晶格畸变增加, 基体点阵中的电子散射源的数量和密度也随之增加, 导电电子的平均自由程变小而使电导率下降。
2.2 固溶温度对2024 铝合金电导率的影响
铝合金固溶温度对电导率的影响见图2。从图中可以看出, 随着固溶温度的逐渐升高, 电导率则逐渐降低。固溶程度越大, 作为溶质元素的异类原子引起的作为溶剂元素的晶格点阵畸变越大, 电子的散射越大, 导致电子的平均自由程越小, 电导率越低。此外, 合金组元间的相互作用引起有效电子数减少, 也会使电阻率增大, 从而使电导率下降。
2.3 人工时效温度对2024 铝合金电导率的影响
延伸率与人工时效温度的关系如图3 所示, 可见随着时效温度的升高电导率逐渐增大。这是因为当时效温度升高时, 淬火得到的过饱和固溶体将逐步析出溶质原子, 使合金的晶格畸变程度减少, 内应力降低, 从而使电子运动变得容易, 电导率逐步增大。时效温度越高, 强化相析出越充分, 合金的电导率越高。
2.4 自然时效时间对2024 铝合金电导率的影响
电导率与自然时效保温时间的关系见图4, 随着时间的延长, 电导率逐渐升高, 在96 小时之后变化趋势不明显。这是因为当时效时间增加时, 淬火得到的过饱和固溶体将逐步析出溶质原子, 使合金的晶格畸变程度减少, 内应力降低, 从而使电子运动变得容易, 此时电导率逐步增大。自然时效时间越长, 强化相析出越充分, 合金的电导率越高, 但超过96 小时之后, 析出溶质原子趋于饱和, 因而电导率的变化趋于平缓。
3结论
通过2024 铝合金的电导率试验研究, 我们得出这样的结论: (1) 随着退火温度的升高铝合金电导率逐渐降低。 (2) 铝合金电导率随固溶处理温度的升高逐渐降低, 可用电导率来判断固溶处理时铝合金固溶体的过饱和程度, 如当铝合金的固溶温度持续升高时, 电导率如果持续下降, 说明该铝合金固溶体的过饱和程度在持续提高;如果电导率保持不变, 则说明铝合金固溶体的过饱和程度已经达到极限, 继续升温意义不大。 (3) 铝合金电导率随着人工时效温度的升高而升高, 后期上升趋势缓慢。 (4) 电导率随自然时效时间的延长而逐渐升高, 后期趋于稳定。 (5) 在材料机械性能符合标准的前提下, 可以通过调整热处理参数调整铝合金的电导率。 (6) 两个不同的强度可能对应着一个相同的电导率读数, 两个不同的电导率值也可能对应着一个相同的强度值, 因此, 不能单独用电导率值来确定铝合金的热处理状态。
参考文献
[1]王宁, 石峰.电导率用于铝合金热处理工艺控制和过程检查[J].材料工程, 19949 (6) :37-39.
[2]何和种.热处理对919铝合金电导率和力学性能的影响[J].材料开发与应用, 1997, 12 (3) :6-9.
2024-O铝型材成形后，需要进行热处理才能达到最终的T62状态.合适的热处理工艺参数会得到性能较理想的最终型材，但是热处理工艺的最佳参数对热处理的工艺控制要求很高，因此很难确定.首先经由2024-O铝型材热处理工艺试验，系统地研究了固溶处理制度、淬火和人工时效制度等工艺因素对合金显微组织和力学性能的影响.其次，采用透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射仪（XRD），在微观上研究不同制度下，型材微结构的变化与增强相的析出.最后确定了实验室条件下2024-O状态铝型材T62热处理的最佳工艺参数，即（490～505）℃×（20～40）min+（185～195）℃×（8～14）h.在该制度下，型材合金具备较优的综合性能.
关键词：
2024型材料； T62热处理工艺； 显微组织； 力学性能
中图分类号： TS 912+.3-文献标志码： A
Study on Microstructure and Properties of 2024 Aluminum
Parts by T62 Heat Treatment
ZHAO Zhao1， FENG Zhaohui2
（1.College of Engineering and Applied Sciences， Nanjing University， Nanjing 210023， China；
2.Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095， China）
Abstract：
In order to get relatively ideal property of T62 state on 2024-O aluminum alloy，it needs to be heat treatment with appropriate parameters after molded.It is not easy to get the optimal parameters from the heat treatment which is still very challenge as it require highly control.In this study，2024-O aluminum alloy was systematically studied on microstructure and mechanical properties under various processing，such as solution temperature，holding time，quenching，and artificial aging system.The microstructure has been changed and the precipitate phase has been enhanced where observed by using TEM and XED.Finally，the alloy with better comprehensive performance was obtained by the confirmed parameters of （490-505）℃/（20-40）min+（185-195）℃/（8-14）h，which is the most suitable parameter for 2024-O aluminum alloy with T62 state inlaboratory condition.
Keywords：
2024-O aluminum alloy； T62 heat treatment； microstructure； mechanical property
2024鋁合金广泛应用于航空、航天、雷达等高科技产品的制造[1-4]，而且目前在科研领域，2024铝合金材料的组织、第二相析出、性能的热处理形成规律的研究也取得了较多的成果[5-7].在工业生产领域中，形状复杂的2024铝合金航空零件一般会采用O状态材料，之后热处理至T62状态[2].研究使用何种热处理制度可得到最佳综合性能的铝合金型材，一直是工程技术领域的研究重点[8-9].2024-T62铝合金零件的热处理方式，主要由固溶淬火与人工强制时效两个步骤组成，这两个步骤涉及大量影响第二相析出的因素[10-14]，从而导致了性能的变化[15-16]，因而2024-T62铝合金零件热处理的第二相析出及性能会随着这些因素的变化而有规律地改变.研究2024-T62零件热处理工艺参数对第二相析出及性能形成规律对航空复杂零件的生产具有非常重要的指导意义.因此，本文研究了2024铝合金O状态型材T62热处理工艺关键参数对材料性能及第二相析出的规律.
1 试验材料及方法
试验选用飞机窗框用2.0 mm规格O状态2024铝合金型材，研究不同固溶温度对零件性能的影响，确定较优的固溶温度.首先通过研究不同固溶时间对2024铝合金试样拉伸性能的影响，确定较优的固溶处理制度，研究人工强制时效工艺对零件性能及第二相析出的影响，确定2024铝合金试样的T62时效制度.
采用透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射仪（XRD）研究析出的第二相.
1.1 固溶处理对型材性能的影响
2024铝合金为可热处理强化铝合金，固溶处理对力学性能的影响很大[17].所以，试验首先研究不同固溶制度下型材拉伸性能的变化.试验采用规格为2.0 mm的O状态型材，合金型材热差分析确定2024铝型材的过烧点低于508 ℃.因此，试验选取固溶制度为480，485，490，495，500，503和505 ℃，分别固溶35 min.根据试验结果，选用495 ℃为固溶温度，保温时间为20～50 min，每隔5 min取1个时间点，对试样进行拉伸测试，研究固溶时间对型材力学性能的影响.
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1.2 时效制度对型材组织及性能的影响
设定固溶制度为495 ℃×35 min，选用室温水为淬火介质，选择不同时效温度和时效时间进行试验，研究不同时效制度下型材组织和性能的变化.具体时效参数为：175，785，190，195和200 ℃分别时效6，7，8，9，10，11，12，13和14 h.随后，将190 ℃×9 h，190 ℃×16 h和200 ℃×9 h时效的试验合金进行TEM观察和XRD分析.
2 结果与分析
2.1 固溶处理对试验合金性能的影响
根据固溶处理的方案，测定每个试样的结果，绘制曲线，如图1所示.从图1中可以看出， 固溶温度在480～490 ℃时，试验合金的室温力学性能不稳定；而在490～505 ℃时，试验合金的室温力学性能趋于稳定.在490～505 ℃时，强度随温度升高稳步提高，伸长率（δ10）没有明显波动.因此在490～505 ℃固溶，可以满足试验合金的室温力学性能要求.
图2为固溶时间对试验合金力学性能的影响.从图2中可以看出，试验合金的强度和伸长率在保温20～40 min时，性能稳定，保持着较好的强韧匹配.当固溶时间>40 min时，试验合金的力学性能随保温时间的延长而波动较大.试验合金的室温拉伸强度随固溶时间的变化而变化，并且围绕固定值波动，而20～40 min内的屈服强度、抗拉强度和伸长率变化不大，与总体平均值相近.因此，固溶时间为20～40 min，可满足试验合金的室温力学性能的要求.综上所述，2024铝合金型材较优的固溶制度为（490～505） ℃×（20～40） min.
2.2 时效制度对试验合金组织性能影响
2.2.1 室温拉伸性能
2024铝合金型材经过不同时效处理后的屈服强度如图3所示.当时效温度为175 ℃，时效6～16 h后， 试验合金的屈服强度均处于较低的水平.当时效时间为16 h时，屈服强度为360 MPa，略高于标准的规定.当时效温度为185 ℃时，时效后的屈服强度均高于标准规定的345 MPa.随着时效时间的延长，屈服强度不断提高.时效时间为14 h时，达到最高393 MPa，随后屈服强度逐渐降低.当时效温度为190 ℃时，在整个时效过程中，材料的屈服强度均保持在较高的水平，为379～403 MPa，比退火态提高300 MPa左右.当时效10～12 h时，屈服强度达到最高，约为403 MPa.随时效时间的延长，试验合金的过时效响应较慢，时效16 h后，屈服强度仍可达到380 MPa左右.当时效温度为195 ℃时，时效仅6 h，屈服强度即达到400 MPa左右.随时效时间的延长，试验合金的屈服强度逐渐降低.时效14 h后，过时效响应加快，屈服强度显著降低.当时效温度提高到200 ℃时，随时效时间的增加，材料的屈服强度逐渐降低，而且降低的速度较快.当时效10 h时，屈服强度为337 MPa，不满足标准要求.
2024铝合金型材不同时效处理后的伸长率如图4所示.当时效温度为175～200 ℃、时效时间为6～16 h时，试验合金的伸长率随时效时间的弛豫均呈降低趋势.时效温度升高后，降低的速度放缓.不同制度下的伸长率均与标准要求相符.比较之下，175 ℃时效，试验合金的伸长率略高，韧性较好.
综上所述，时效温度为190 ℃、时效时间为8～14 h时，试验合金具有较好的力学性能，工艺参数范围较宽.考虑到试验合金时效后的强度，以及强韧的匹配程度和工业化生产的工艺控制，2024铝合金型材较优的T62热处理制度为（185～195） ℃×（8～14） h.
2.2.2 组织TEM观察及分析
试验合金经190 ℃×9 h、190 ℃×16 h和200 ℃×9 h时效后的TEM明场像见图5. 特征析出相的电子衍射花样见图6.由图5可以看出，试验合金经过不同温度和时间时效后，析出相的大小、形状及分布有明显的差别.当时效制度为190 ℃×9 h时，析出相以长棒状为主，也有少量较粗的短棒状和片状析出相弥散分布，如图5（a）所示.时效时间延长至16 h，棒状析出相数量减少、粗化，细长薄片状析出相数量增加，并沿同一方向分布，如图5（b）所示.当时效温度升高到200 ℃时，棒状析出相明显减少、粗化；细长薄片状析出相增多，长度增加，粗化，沿3个方向互成60 °析出，交错分布，如图5（c）所示.
由电子衍射花样分析表明，长棒状析出相为Al2CuMg，即S（或S ′ ）相，如图6（a）所示.S（或S ′ ）相为正交结构，空间群Cmcm，点阵参数a=0.4 nm，b=0.923 nm，c=0.714 nm.S相和S ′ 相的晶体结构、点阵参数以及位向关系均完全一致，只在某个方向上的错配有所不同，因而通常无法区分.
较粗的短棒状析出相为Al7Cu2Fe相，如图6（b）所示.Al7Cu2Fe相属于四方结构，空间群为P4/mnc，点阵参数a=0.633 6 nm，c=1.487 0 nm.
在图6（a）中，除了Al的[122]衍射谱和Al2CuMg的[011]衍射谱外，还可找出另一套很弱的电子衍射花样，从拉长的斑点及其拉长方向来看，来自细长薄片状析出相.
2.2.3 试验合金的XRD分析
试验合金的XRD图谱如图7所示.两个试样中均含有Al基体、Al2CuMg和Al7Cu2Fe相.经过高温时效后，在200 ℃×9 h时效的试样中发现了Al2Cu的衍射峰，见图7（b），表明在TEM分析中未能标定出的细长薄片状析出相可能是Al2Cu相，即θ（或θ ′ ）相.在高温时效后，Al2Cu相增多，使得在XRD图谱中出现其衍射峰，这与图5中200 ℃×9 h时效制度下，试样中的细长薄片状析出相变多、粗化的现象一致.
2XXX系铝合金强化主要靠细小弥散分布的强化相，试验中2024铝合金型材晶内的主要析出相为S ′ （主要强化相）+θ ′ （θ）.试验结果表明，随着时效时间的延长和时效温度的升高，S ′ +θ ′ （θ）相粗化，并且密度减小，导致试验合金的屈服强度及塑性降低.当进行190 ℃×9 h时效后，试验合金的屈服强度均保持在较高的水平，析出相以长棒状为主，且细小弥散.当时效温度提高到195～200 ℃时，随时效时间的延长，试验合金的屈服强度逐渐降低，棒状析出物数量减少、粗化，细长薄片状析出物数量增多，晶内析出相主要是S ′ +θ ′ ，由于时效温度较高，导致析出相形核及长大速度明显加快，200 ℃時效9 h，析出相明显粗化，因而屈服强度低于190 ℃时效后.
nlc202309090817
3 结 论
（1） 2024铝合金型材T62热处理制度为：（490～505）℃×（20～40）min+（185～195）℃×（8～14）h，该制度下型材的性能最为理想，其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为377、481 MPa和11.0%.
（2） 主要强化相是细小弥散分布的正交结构长棒状析出相Al2CuMg，即S（或S ′ ）相；次要强化相是细长薄片状析出相Al2Cu，即θ（或θ ′ ）相.这两种相的共同存在，使得材料的屈服强度均保持在较高的水平.
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多波束测深系统将传统的测深技术从原来的点、线扩展到面, 能够对所测水域进行全覆盖、高精度测量[1,2,3]。Sonic 2024多波束测深系统是目前市场上主流的测深设备, 较其他类型多波束优势在于超高分辨率和准确度, 且波束具有导向性[5]。文章结合实际工作中航道扫测的项目, 详述了多波束系统中各传感器的性能指标、多波束系统的安装与校准以及多波束数据后处理的基本流程, 最后通过CARIS HIPS生成水下地形的三维图像。
2 主要仪器性能指标
2.1 多波束测深仪
Sonic 2024是美国R2Sonic公司生产的基于第五代声呐结构的高精度多波束测深仪。工作频率为200-400k Hz (可调) , 波束宽度为1°×0.5°@400k Hz, 波束数目为256个, 扇形条带开角为10°-160°, 测深最大量程为500m, 脉冲宽度为17μS-500μS, 功率为191-2211d B, 测深分辨率为1.25cm。
2.2 光纤罗经及姿态传感器设备
法国i XSEA公司生产的OCTANS光纤罗经和运动传感器是世界上唯一经IMO认证的测量级罗经。它内置有自适应升沉预测滤波器, 在任何情况下, 均能实时提供精确可靠的运动姿态数据。OCTANS航向稳定时间小于5min, 航向精度为0.1°×Secant纬度, Roll/Pitch动态精度为0.01°, Heave精度为5cm或5%。
2.3 定位设备
Trimble SPS361型信标机是世界GPS知名公司Trimble的高精度的定位设备, 支持接收MSK信标差分信号, 可提供亚米级定位精度, 广泛应用于海洋测量、港口工程等各个领域, 水平定位精度优于1米。
3 多波束安装与校准
3.1 多波束系统安装
多波束换能器采用侧舷安装方法安装于测量船舶的左舷, 并以多波束换能器安装杆与海水面交点作为参考点建立船体坐标系, 定义船右舷方向为X轴正方向, 船头方向为Y轴正方向, 垂直向下为Z轴正方向[6], 量取各传感器相对于参考点的位置, 往返各测量一次, 取其平均值。
3.2 多波束系统校准
多波束系统的校准需要选择具有一定地形特征的合适区域做校准测量, 本次选取垂直于航道的两条测线作为多波束校准的测线。由于Sonic 2024多波束系统具有PPS功能, 能够实现GPS UTC时间和电脑时间的同步, 故时间延时 (Latency) 为0[4]。因此, 本次测量仅需进行横摇、纵摇和艏摇校准。
(1) 横摇 (Roll) 校准。通过海底平坦海区同线同速反向的条带断面测量数据测定横摇 (Roll) 偏差数据。
(2) 纵摇 (Pitch) 校准。通过水深变化大的海区同线同速反向的中央波束测量数据测定纵摇 (Pitch) 偏差数据。
(3) 艏摇 (Yaw) 校准。通过水深变化大的海区异线 (间距为覆盖宽度的2/3的两条测线) 同速同向的边缘波束测量数据测定艏摇 (Yaw) 偏差数据。
4 数据处理与比对
多波束测量结束后使用CARIS HIPS软件进行水深后处理, 后处理顺序为:定位数据检查-姿态数据检查-声速改正-线模式编辑-潮位改正-合并数据-面模式编辑数据处理等, 生成水下地形三维效果图, 如图1所示, 使用CARIS GIS软件对水深数据进行抽稀, 并按照5mm间隔生成水深文件*.txt, 最后根据项目要求绘制测区1:1000比例尺的水深图。
5 结束语
通过Sonic 2024多波束测深系统水下地形扫测的工程实例, 详述了各种传感器的性能指标、多波束系统的安装与校准和多波束数据处理的基本流程, 通过水下地形三维图的生成, 较直观地验证了高精度和高密度的多波束数据可以分辨水下地形地貌的细微结构和变化, 这为对水深测量有较高要求的水下工程以及研究海底地形地貌的变化问题等提供了有力的手段。
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2 水域测量三种典型GPS差分信号分析
Beacon海岸信标站台网, 在我国是由交通部设立在我国沿海的20个站台组成。信标站台以约3 0 0 k H z的频率播发R T C M格式的GPS差分信号, 信号覆盖海岸线约100 km, 沿海用户可根据该信号计算位置坐标。由于信标站台自身差分改正信号精度有限, 台站间距离从几十公里至几百公里不等, 故用户所能得到的平面定位精度非常有限, 从1 m~5 m不等, 观测过程中需验潮。Beacon海岸信标站台网播发的广域差分定位信号免费, 目前国内95%海洋测量用户使用该信号。
SBAS即Satellite Based Augmentation Systems, 是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统。目前全球发展的S B A S系统有:欧空局接收卫星导航系统 (EGNOS) , 覆盖欧洲大陆;美国的DGPS (Differential GPS) , 美国雷声公司的广域增强系统 (WAAS) , 覆盖美洲大陆;日本的多功能卫星增强系统 (M S A S) , 覆盖亚洲大陆;等等。SBAS通过地球静止卫星 (GEO) 发布包括G P S卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息, 通过G E O卫星发播G P S和G E O卫星完整的数据, 通过GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号。用户通过接受差分改正信号可计算自身坐标位置, 测量过程中需要验潮。平面定位精度在1 m以内, 信号使用免费, 故内陆地区的水域测量较多使用S B A S差分信号。
Star Fire TM又称RTG (Real Time GIPSY) 技术[1], 它是世界上第一个可以提供单机实时分米级定位精度的星基增强差分系统, 是由美国航空航天局下属的喷气动力实验室 (JPL) 和美国NAVCOM公司合推出的商业级高精度GPS差分系统。Star Fire TM系统拥有遍布全球的80多个参考站和6个地球同步卫星, 信号覆盖全球。定位模式分为R T K、SBAS增强、Star Fire等, 测量精度从厘米级到分米级不等。由于Star Fire TM为商业级GPS差分系统, 信号使用费用高昂, 故使用范围有限。
在近海或者内陆多波束测量中, 对于精度和费用权衡, 多选择SBAS差分信号。但是SBAS差分信号本身精度有限, 在精度较高的多波束测量中带来诸多限制。下文在分析多波束系统差分定位信号处理过程后, 探讨了RTK应用于多波束测量的可行性。
3 R2Sonic 2024多波束系统定位信号处理过程
R2Sonic2024多波束系统是美国R2SONIC公司研发的浅水多波束, 是目前最先进的多波束测量系统之一。条带覆盖宽度10°~160°, 工作频率200~400 k Hz, 步长10 k Hz, 共21个工作频率。工作深度500 m以内, 属浅水多波束。R2SONIC2024系统采用基于P C机或者便携计算机的图形用户界面 (GUI) 操作。计算机装有导航、数据采集和存储的PDS2000软件, 该软件显示和采集深度、图像和其他传感器的数据。命令信息通过以太网传输到声呐接口模块 (SIM) , 后者具有给声呐头供电、实现同步、传感器数据时间打标以及数据和命令中继功能。S I M接收换能器头解码声呐命令, 触发发射脉冲, 接收、放大、波束形成、底检测、打包, 以以太网方式将数据传输到控制计算机。
R2Sonic 2024多波束系统中定位数据经Y型电缆输出给各单位, 传输示意图1所示。
接收机通过2个RS232串口Port A和Port B, 共输出3种NMEA定位语句和1种时间同步信号, 即GGA、VTG、ZDA和1PPS。G G A为G P S定位信息, V T G为地面速度信息, ZDA为时间和日期信息, 1 PPS为GPS授时的秒脉冲信号。Port A输出GGA和VTG, 供给数据采集软件PDS2000;Port B输出ZDA和PPS, ZDA供给PDS2000和SIM, 1 PPS单独通过Port B串口第9针经BNC接口接入SIM。串口PortA必须输出有效的GGA和VTG语句, 而串口Port B输出的语句必须是唯一的Z D A字符串, 不能有其它的N M E A语句, 同时必须经第9针输出1 PPS时间同步信号给SIM进行打标。对于多波束系统而言, 这3种N M E A定位语句和1种时间同步信号缺一不可。
PDS2000采集软件所采集的原始数据中, 包括定位信息、打标信息、表面声速信息、声波发出与接收信息等等。当差分信号出现失锁或断电时, 当前时间段的条带数据不可用, 也不可事后补救, 只能返工。故在多波束系统测量过程中, 务必保持GPS差分定位信号连续不间断。
4 RTK在多波束系统中应用的可行性分析
在多波束数据后处理中, 横摇偏角 (Roll) 、纵倾偏角 (Pitch) 、航偏角 (Yaw) 、时间延迟 (Time Offset) 、潮位以及声速剖面均可得到有效改正。然而GPS差分信号平面定位精度有限, 其坐标值在定位精度范围内具有不确定性。结果会在条带重叠区出现系统性偏差, 在高差较大的水下地形区域会更加明显, 如图2所示。
这种系统偏差是由于GPS差分信号平面定位精度引起, 无法消除。这就使得在分辨率要求较高的水下测量中, 多波束测量系统无法得到高精度的三维数据, 如海底电缆、海底光缆等。如果能将RTK引入多波束系统, 定位精度提高近两个数量级, 而且无需验潮, 可得到高精度的水下地形数据。
R T K在单波束测量中已经有广泛应用, 定位精度高, 无需验潮。在单波束测量中, 接收机只需要输出GGA语句即可满足定位需求, 而多波束系统需要另外的VTG、ZDA和1 PPS。目前市场上大多数RTK接收机拥有2个以上的信号输出端口。如Trimble R8系列, Leica GX1200系列等。然而这些接收机均缺少PPS输出端口。但是, 作为GPS最重要的功能之一——授时, 在接收机主板上一直保留有PPS输出端口, 故只需在接收机外壳上重新设置一个PPS输出端口即可。
除对RTK接收机外壳进行改造外, 还需自制Y型电缆, 以连接R T K接收机与SIM、数据采集软件。RTK接收机输出端口多种多样, 如Leica的lemo接口, Trimble的RS232串口等。按照工业接口标准, 在Y型电缆输入端, 根据接收机不同选择不同接口, 分别制作Port A、Port B和PPS接口。在Y型电缆输出端, 制作输出端口Port A (RS232串口) 、Port B1 (RS232串口) 、Port B2 (RS232串口) 和PPS输出口 (BNC接口) 。输入端Port B一分为二, 分别接入Port B1和Port B2;输入端的PPS接口电缆一分为二, 一部分接入Port B1第9针, 一部分作为PPS输出口。这样就保证G G A、V T G、Z D A和1PPS输入到数据采集软件, ZDA和1 PPS分别输入到SIM上GPS和PPS端口。SIM接口如图3, GPS和PPS端口在左侧。
在测量开始时, 设置RTK接收机Port A输出GGA、VTG语句, PortA输出ZDA, PPS端口输出1 PPS。将自制Y型电缆按照对应接口分别与R T K接收机、数据采集软件、SIM连接。这样多波束就可以得到厘米级别的定位精度坐标数据。
5 结论
改造RTK接收机外壳使之能输出PPS信号, 自制Y型电缆使之可输出GGA、VTG、ZDA语句, 可使RTK应用于R2Sonic 2024多波束系统, 能大幅提高多波束测量精度, 而且无需验潮。但在应用过程中, 测区应在RTK参考站信号和精度覆盖范围内[2] (一般不超过30 km) , 而且RTK拟合高程误差不超过规范要求。
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疲劳是一个能量耗散的过程,在材料疲劳破坏过程中,绝大部分塑性功以热能的形式释放出来,热量耗散是材料疲劳过程中的主要能量耗散形式,所以试样疲劳点的温度及其演变包含了疲劳过程中塑性应变发展的重要信息[9,10]。
采用红外热像法研究材料疲劳过程中温度的演变规律已有相关报道。Risitano等[11],Luong等[12], Wagner等[13]分别利用红外热像法得到了材料疲劳过程中的温升变化曲线,结果表明,材料疲劳过程中的温度变化可以分为三个特征明显的阶段,即第一阶段———初始温升阶段、第二阶段———温度稳定阶段、第三阶段———温度快速升高阶段;Zhang等[14]利用红外热像法研究了10mm厚AZ31B镁合金熔焊接头疲劳过程的温度变化,发现其温升曲线的第一阶段与第三阶段呈上升趋势,但第二阶段温升值下降并逐渐达到一个稳定值,并指出弹性滞后引起的热弹性效应滞后是第二阶段温升下降的主要原因;姚磊江等[15]同时使用红外热成像仪与远距离高倍显微镜对纯铜疲劳过程中的热耗散和显微结构演化的相关性进行了实验研究,表明红外热像法能清晰地反映塑性应变集中区域裂纹萌生和扩展等过程,与表面形貌的显微图像具有一致性。
但以往的红外热成像技术研究疲劳性能主要集中于疲劳过程的温升曲线变化趋势以及变化机理分析, 没有将其与材料的微观组织结构对应起来。组织结构不均匀的熔焊接头疲劳过程的温升曲线与均匀材料相比显示出了明显的不一致性[14]。本工作针对2024-O铝合金的母材及优化参数后的无缺陷FSW焊缝,通过红外热成像技术研究其疲劳实验过程中的温度演变规律,对比揭示FSW焊缝区的组织结构不均匀性对其疲劳过程中热耗散的影响规律。
1实验材料与方法
实验选用8mm厚的2024-O铝合金板材制备焊接接头,其名义化学成分如表1所示,为了获得无缺陷的FSW接头,实验采用搅拌摩擦加工代替平板对接FSW过程,在搅拌摩擦焊机(赛福斯特FSW-RL31- 010型)上进行焊接接头制备。 搅拌头轴肩直径为18mm,搅拌针为根部直径5mm的锥台结构,上面加工有右旋螺纹。选择优化后的焊接参数:搅拌头转速300r/min,焊接速率60mm/min。母材试样和焊后试样经剖切、打磨、抛光、Keller试剂(HF∶HCl∶ HNO3∶H2O=1∶1.5∶2.5∶95)腐蚀15s后,采用光学显微镜观察其微观组织形貌。将母材和接头制备成拉伸试样,为了使拉伸断裂发生在焊缝区以得到准确的接头力学性能参数,采用圆弧标距的拉伸试样, 其尺寸如图1所示,在INSTRON 3382拉伸试验机上进行拉伸实验。
室温疲劳实验在INSTRON 8802疲劳试验机上进行,采用带双圆弧缺口的疲劳试样以确保疲劳断裂发生在焊缝处,其尺寸如图2所示,此时疲劳试样的应力集中段较短,温度变化区域集中。将疲劳试样表面用细砂纸打磨至光亮,然后超声波清洗。为了提高铝合金表面的辐射率,在疲劳试样待观测的侧面喷上一层均匀的黑漆(辐射率0.9)。疲劳实验时载荷加载频率为20Hz,以正弦波方式加载,应力比为-1,试样夹持端用玻璃绒隔热。采用VarioCAM?hr head-HS红外热像仪(精度为0.1℃)记录疲劳过程中试件表面的温度变化,采样速率为12.5帧/s,拍摄温度范围取为0~300℃,红外热像仪距离试样50cm处放置,侧面拍摄。实验系统如图3所示。
2结果与讨论
2.1组织形貌观察与力学性能测试
2024-O铝合金母材为轧制状态,微观形貌为沿轧制方向的板条状组织,如图4所示,基体晶粒取向性一致,结构均匀。在实验所选取的焊接参数下制备的FSW焊缝微观形貌如图5所示,其中整体形貌如图5 (a)所示,接头的热影响区(Heat Affected Zone, HAZ)、热力影响区(Thermal Mechanical Affected Zone,TMAZ)、焊核区(Weld Nugget Zone,NZ)微观形貌分别如图5(b),(c),(d)所示,焊核区为细小的等轴再结晶组织,热力影响区的组织发生了较大程度的扭曲变形,晶粒沿着焊核呈流线型分布,其中前进侧热力影响区如图5(c)所示,晶粒出现了不同程度的长大,与焊核区的组织过渡出现突变,后退侧热力影响区与焊核区的组织过渡较为平缓。热影响区的晶粒与母材相比,取向性不再明显,晶粒尺度与母材相似。可以看出,FSW焊缝区显示出了高梯度的组织结构不均匀性。
为了得到母材和FSW焊缝区的拉伸性能参数以确定疲劳加载的应力水平,分别取母材和FSW接头的三组试样进行拉伸实验,测得的各组试样的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2如表2所示。可以看出,在实验所选取的焊接参数下,FSW焊缝区的抗拉强度超过了母材。拉伸实验时,三组FSW接头试样均在前进侧热力影响区断裂,因为在前进侧,塑性体之间的速度梯度比较大,组织过渡出现突变,在焊核区与前进侧热力影响区之间往往形成力学性能的薄弱区。
2.2疲劳实验结果与分析
对母材和FSW接头的疲劳试样分别在不同的应力水平下进行疲劳实验。为了获得疲劳寿命在103~ 105周次时母材和FSW焊缝区疲劳过程的温升变化曲线并能够进行对比分析,经初步实验调整,对于母材试样,分别选取0.64σb0,0.57σb0,0.52σb0,0.5σb0四个应力水平;对于FSW接头试样,分别选取0.75σb1, 0.7σb1,0.68σb1,0.66σb1,0.65σb1,0.6σb1六个应力水平(其中σb0为母材的平均抗拉强度,σb1为FSW焊缝的平均抗拉强度),在相同的加载频率与应力比下进行疲劳测试,采用红外热成像仪获取疲劳过程中试样表面的温度。疲劳测试结果如图6所示,可以看出,FSW焊缝的疲劳寿命曲线位于母材的疲劳寿命曲线上方,在加载应力为139.3MPa时,FSW接头的疲劳寿命为72768周次,为母材疲劳寿命值(4675周次)的1550%,即实验所制备的FSW焊缝疲劳性能优于母材。
经过退火处理的2024-O铝合金中夹杂物呈弥散分布,夹杂物使滑移均匀分布,同时弥散的夹杂物也使其与基体界面易于脱开,加速了疲劳裂纹扩展,在裂纹尖端塑性区内,空穴也易在弥散相周围产生,空穴的连接导致裂纹的扩展,所以其疲劳裂纹扩展速率高[16], 而FSW焊缝区由于经过固溶溶解,其夹杂物较少,因此疲劳裂纹扩展速率慢,疲劳性能较好。
图7显示了部分母材和FSW接头的疲劳试样断裂后的形貌,矩形框内为疲劳断裂发生的位置。可以看出,母材的疲劳断裂均发生在圆弧缺口的底部,因为对于组织结构均匀的母材试样来说,缺口底部宽度最窄,是加载过程中的应力集中区。然而,FSW焊缝的疲劳断裂均发生在前进侧热力影响区,与拉伸断裂的位置一致。结合图5中对前进侧热力影响区微观组织的观察可以发现,在前进侧接近焊核附近的区域,被拉长的晶粒沿着焊核呈流线型分布,晶粒尺寸与焊核区相比相差较大,晶粒沿界面方向被拉长,整个区域呈放射型的条状组织,表明该区域的金属在焊接过程中受到了较大的拉伸变形[17],又由于前进侧晶粒方向与加载应力方向几乎垂直,当试样承受轴向交变载荷时,裂纹向阻力最小的方向扩展,所以该区相比于接头其他区域最容易发生破坏。
2.3疲劳过程中的温度演变及分析
使用红外热成像技术分别采集了母材试样和FSW焊缝区在疲劳加载过程中的温度演变数据,将每个循环周次下试件表面最高温度与环境最高温度的差值作为温升ΔT,当疲劳寿命较短时(循环次数为3× 103~5×103周次),母材和FSW焊缝区疲劳过程中的温升变化及部分特殊点的红外热像图如图8所示。 由图8(a)可以看出,母材试样在循环载荷的作用下表面温度变化符合“三个阶段”[11,12,13]的明显特征,即第一阶段循环初期温度快速升高、第二阶段循环稳定表面温度平稳变化、第三阶段宏观裂纹扩展开始温度急剧上升。第一阶段因为试样和环境的温差较小,对流过程中的热量损失较少,大部分热量耗散用于提高试样的温度,试样表面温度上升较快直至温度稳定;第二阶段由于试件的热量耗散与试件和环境的热量交换大致相当,因此温度相对稳定;到了第三阶段试件中宏观裂纹开始扩展,由于裂纹尖端的能量快速释放,导致温度迅速上升,直至发生破坏。图8(b)显示出在循环载荷作用下FSW焊缝区表面的温度演变,表面温升在第一阶段与第三阶段的变化趋势与母材相似,而在第二阶段呈下降的趋势,且第一阶段与第二阶段之间有峰值出现,与熔焊接头疲劳过程的温升变化相似[14]。图9为疲劳寿命在1×104~2×104周次时母材和FSW焊缝区疲劳过程中的温升变化及部分特殊点的红外热像图,可以看出,加载应力较小时,FSW焊缝区表面的温度变化显示出了同样的规律。
在一定的应力水平下,取加载开始时载荷循环1000次试件表面的最高温度T1、断裂前1000次载荷循环中的最低温度T2,将T2与T1的差值作为该疲劳载荷下第二阶段总的温升值ΔT0,各组疲劳试样第二阶段的温度变化情况如图10所示,可以看出,对于母材,不同的疲劳寿命时第二阶段的温度变化值都接近于0,可以认为母材第二阶段的温度稳定,这一现象说明,疲劳加载过程中不断输入的机械能通过对试样塑性应变做功稳定地转化为热能耗散出来;对于FSW焊缝区,不同的疲劳寿命时第二阶段温度的变化值均为负值,在实验选取的应力水平下,FSW焊缝区第二阶段表面温度变化值为-5~-3℃。由图8(b)与图9 (b)可以看出,温度的下降是一个缓慢的过程且在第二阶段结束时存在一个最低点,这说明对于具有高梯度不均匀结构的FSW焊缝来说,第一阶段之后,疲劳加载输入的机械能与热能的转化率开始降低,由于FSW焊缝具有高梯度不均匀的组织结构,焊核区与热力影响区的晶粒通过不断的循环软化积累了大量的弹塑性应变能,材料本身结构的稳定性随着能量积累的过程不断降低,到第三阶段开始时,宏观疲劳裂纹形成并扩展,由于经过固溶溶解的FSW焊缝区疲劳裂纹扩展速率慢,因而此时热能的释放是一个更加缓慢连续的过程,由图8和图9都可以看出,FSW焊缝区疲劳过程中温度变化的第三阶段所经历的载荷循环次数相比于母材更大。
因为第三阶段是宏观裂纹开始扩展直至断裂的阶段,一般这个阶段的循环次数只占整个疲劳寿命的很小一部分,为了降低损失和危害性,当监测到结构件中宏观疲劳裂纹开始扩展时,即可认为该结构件已经失效。随着先进的测温技术的发展,未来有希望通过疲劳过程中结构件表面的温度监测来确定疲劳裂纹的形成和扩展时间,即要准确捕捉第三阶段的开始时间,因为FSW焊缝较之于母材,其第三阶段循环次数更多且温度缓慢升高的过程更长,所以更加适于将来通过构件表面温度的无损检测来确保其在疲劳加载环境下工作的安全性。
3结论
(1)对于8mm厚的2024-O铝合金,在搅拌头转速为300r/min、焊接速率为60mm/min时,得到的FSW焊缝区抗拉强度为232.2MPa,高于母材,FSW焊缝显示出了高梯度的组织结构不均匀性,前进侧热力影响区是其力学性能薄弱区。
(2)实验所选参数下制备的FSW接头焊缝显示出了较好的疲劳性能,由于前进侧热力影响区内变形的晶粒方向与加载应力方向几乎垂直,裂纹扩展阻力小,因而疲劳断裂均发生在其前进侧热力影响区。
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