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3J1(3J01)弹性合金
一、3J1概述
3J1合金是铁-镍-铬系奥氏体沉淀强化型高弹性合金。固溶处理后具有良好的塑性，硬度低，易加工成型。经固溶或冷应变后时效处理，获得高的力学性能和弹性性能。
该类合金具有较高的强度、高的弹性模量，较小的弹性后效和滞后、弱磁性、良好的耐蚀性和热稳定性等特点，能在较高的温度、较大的应力或腐蚀性介质条件下工作。3J1可在250℃以下工作。该类合金也能在低温（如近-200℃）下使用。
1.1 3J1材料牌号 3J1(Ni36CrTiAl)。
1.2 3J1相近牌号 ЭИ702,36HXTЮ(俄罗斯)。
1.3 3J1材料的技术标准 3J1合金的技术标准YB/T 5256—1993《弹性元件用合金3J1和3J53技术条件》。
1.4 3J1化学成分。
C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Ti | Al | Fe |
≤0.05 | ≤1.00 | ≤0.80 | ≤0.020 | ≤0.020 | 34.5～36.5 | 11.5～13.0 | - | 2.70～3.20 | 1.00～1.80 | 余量 |
1.5 3J1热处理制度 见表1-3。
1.6 3J1品种规格与供应状态
品种或要求 | 热处理制度 |
带材 | 920～950℃固溶＋650～750℃，时效2～4h，空冷或炉冷 |
冷应变＋600～700℃，时效2～4h，空冷或炉冷 | |
丝材 | 冷应变＋500～700℃，时效2～4h，空冷或炉冷 |
棒材 | 冷应变＋650～750℃，时效2～4h，空冷或炉冷 |
热轧（锻）材 | 950～980℃固溶＋700～750℃，时效≥4h，空冷或炉冷 |
品种和状态 | 冷轧带材 | 冷拉丝材 | 冷拉磨光棒材 | 热轧圆球 | 锻材 | 热轧扁材 |
厚度和直径（边长） | 0.05～3.5 | 0.10～6.0 | 3.0～30.0 | 6.0～25.0 | >5～100 | 4.0～13 |
宽度 | 50～250 | - | - | - | - | - |
长度 | - | - | - | ≤500 | ≤300 | ≥300 |
1.7 3J1熔炼与铸造工艺 合金采用真空感应炉熔炼或真空感应炉熔炼加真空自耗炉重熔。
1.8 3J1应用概况与特殊要求 该类合金是20世纪60年代的老牌号，国内生产与应用多年。主要用于制造各种**用弹性敏感元件及耐硝酸或其他腐蚀介质的零件，如膜盒、膜片、波纹管、传送杆、挡板和其他弹性结构件等。
二、3J1物理及化学性能
2.1 3J1热性能
2.1.1 3J1线膨胀系数 该组合金在固溶加时效状态下，其平均线膨胀系数(20～100℃)=(12.0～14.0)×10-6℃-1。
2.2 3J1密度 冷应变加时效状态合金的密度ρ=8.0g/cm3[1,4]。
2.3 3J1电性能 在冷变形＋时效状态下ρ=1.02μΩ·m[3]。
2.4 3J1磁性能 固溶加时效状态的3J1合金，其磁化率χm=(12.5～205)×10-11[4,5]。
2.5 3J1化学性能 该合金对硝酸、磷酸、氢氧化钠、含硫石油、燃料油和润滑油等腐蚀介质，以及在海洋和热带气候条件下，具有较好的耐腐蚀性。
三、3J1力学性能
3.1 3J1技术标准规定的性能
3.1.1 3J1交货状态合金材的力学性能
状态和品种 | (δ或d)/mm | σb/MPa | δ/% |
固溶态带材 冷拉丝材 | 0.20～0.50 0.20～3.0 | ≤981 ≥981 | ≥20 - |
3.1.2 3J1交货状态合金材经时效处理后的力学性能
状态和品种 | (δ或d)/mm | σb/MPa | σP0.2/MPa | δ/% |
冷轧＋时效带材 固溶＋时效带材 冷拉＋时效带材 冷拉＋时效带材 热锻（轧）材固溶＋时效 | 0.20～2.50 0.20～1.00 0.50～5.0 3.0～18.0 6.0～25.0 | ≥1373 ≥1177 ≥1471 ≥1373 ≥1177 | ≥981 ≥735 - - - | ≥5 ≥8 ≥5 ≥5 ≥10 |
注：厚度>0.10mm的带材和d>0.20mm的丝材，其抗拉强度也应符合表中要求；规定非比例伸长应力σPO.2值适用于厚度大于0.50mm的带材。
3.2 3J1室温及各种温度下的力学性能 不同状态的合金室温力学性能见表3-3。
3.3 3J1持久和蠕变性能
3.4 3J1疲劳性能
3.5 3J1弹性性能
状态 | 带材试样厚度/mm | σb/MPa | δ/% | HV |
920～950℃,以1.3℃/min速度水套冷却 | 0.10～0.20 | 588～735 | 20～27 | 150～190 |
920～950℃,以1.3℃/min速度水套冷却＋720℃，时效2h | 0.10～0.20 | 1275～1295 | 14～16 | 350～390 |
60%～65%冷应变 | 0.10～0.20 | 1280～1304 | 4～6 | - |
60%～65%冷应变＋650℃，时效2h | 0.10～0.20 | 1471～1600 | 6～7 | 400～480 |
状态 | E/GPa | G/GPa | βE/10-6℃-1 |
固溶＋时效 冷应变＋时效 | 176～196 186～206 | 77～78 76～78 | －200～250 －200～350 |
四、3J1组织结构
4.1 3J1相变温度 合金在900℃以上（达920～980℃）固溶处理后，为单相奥氏体组织。固溶或经冷应变后时效处理，约在500℃，从奥氏体中开始析出γ′[(Ni,Fe)3(Al,Ti)]沉淀强化相，600℃以上析出迅速，650～750℃析出量达**值（含钼的合金温度偏上限）。在750℃以上析出相开始溶解，900℃以上溶解完毕。 4.2 3J1时间-温度-组织转变曲线
4.3 3J1合金组织结构 使用状态的合金基本组织为；奥氏体基体加γ′[(Ni,Fe)3(Al,Ti)]型强化相，并含有少量的碳化物和Fe2Mo拉氏相（含Mo合金）。
五、3J1工艺性能与要求
5.1 3J1成形性能 合金的热应变温度，为350～1140℃，进行锻、轧等热加工，其加工性能良好。
固溶处理后，合金塑性良好，可冷应变加工制成薄带和细丝，或用冲压、挤压等方法制成形状复杂的弹性元件。厚度0.20～1.00mm的3J1合金软态带材的杯突值不小于8.5mm。冷拉丝材弯曲、缠绕性能良好。
5.2 3J1焊接性能 合金在固溶状态下比在时效状态下有更好的焊接性能，可进行点焊、缝焊、氩弧焊、电子束焊，以及铜、银基硬钎焊。在时效处理后，点焊、缝焊性能较差。在合金表面镀镍后可进行低温锡、铅软钎焊。
合金在固溶状态下焊接，焊后时效处理。在时效后焊接，应注意不要使零件温度超过时效温度，以免降低合金性能。
5.3 3J1零件热处理工艺 为防止合金表面氧化，成品热处理宜在真空或保护气氛条件下进行。
固溶处理：固溶温度对合金的加工性能和时效处理后的性能影响较大。温度低于900℃固溶时，合金为两相组织；超过1100℃后，将引起晶粒长大，而且不均匀。含钼的合金热稳定性较高，可适当提高固溶温度。固溶温度根据合金成分、品种和不同性能要求等因素合理选择（见1.5），一般在保证完全固溶条件下，应尽量选择较低的温度。
经不同温度固溶处理的3J1合金，其强度与时效温度的关系见图5-1，从图可见，随固溶温度的升高，时效后的强度下降。
时效处理：合金经时效处理后获得高的力学性能和弹性性能。应根据时效前的合金品种、状态和使用性能等因素合理选择时效处理制度（见1.5）。
固溶处理后的时效，随时效温度的提高强化效果增强。3J1在660～700℃达到时效强化的峰值；含钼的合金在达到时效强化的峰值，温度继续升高，强化效果很快降低。见图5-2。
经应变形后的合金时效，亦称硬时效。因冷应变促进时效析出过程，提高时效强化效果。冷应变使合金的时效强化峰值温度向低温方向移动。冷应变率越大，时效温度也越偏低。较合适的冷应变率一般为50%～70%。合金经一定的冷应变加工，并在稍低的温度下时效，对减少弹性滞后和后时效有利[6]。
5.4 3J1表面处理工艺 合金热处理后的氧化皮，可采用碱浸-酸洗联合操作方法清除。液温度不宜超过500℃。酸液采用“三酸”水溶液，在50～80℃温度下进行。
酸洗后可用稀硝酸水溶液短时间漂白，**用石灰水中和零件表面的残酸。
5.5 3J1切削加工与磨削性能 固溶状态的合金硬度较低，易于切削等各种机加工。冷应变状态和时效状态的合金也能进行机加工，但较难。零件一般在固溶状态加工成毛坯，时效处理后再精加工到要求尺寸。合金的磨削性能良好。
