（材料加工工程专业论文）feal系高阻尼合金组织和性能的研究.pdf

f e a 1 系高阻尼合金组织和性能的研究 材料加工工程专业 研究生董守军指导教师李宁 本文采用葛氏倒扭摆( j n l 型真空扭摆仪) 测试了f e a l 系合金的阻尼性 能( 用对数衰减率表示) 。采用光学显微和扫描电子显微观察( s 刚) 等方法， 系统地研究了f e a 1 系铁磁性阻尼合金的微观组织，考察了合金元素、热处理 工艺对含金阻尼性能和力学性能的影响，探讨了f e 一 l 合金产生高阻尼特性的 微观机制以及f e a l 系高阻尼合金的同质和异质焊接性能。 通过测试发现合金元素对合金阻尼性能有很大的影响，添加少量的a l 、m o 以及s i 元素，都有利于提高合金的阻尼性能以及力学性能。特别是元素的 添加，使合金的综合性能得到了很大的改善。 热处理工艺对合金阻尼性能有很大的影响。随着固溶处理温度升高，f e a l 合金的阻尼值逐渐升高，在9 0 0 。c 或者1 0 0 0 c 固溶空冷后，合金的阻尼值最大， 迸一步升高固溶温度，合金的阻尼性能便下降了。随着固溶时问的延长，合金 的阻尼性能也是先升高，在两小时达到峰值，随着时间的迸一步延长，合金的 阻尼性能下降。固溶处理后的在3 5 0 c 时效处理过程中，随着时效时间的增加， 合金的晶体并没有发生改变，合金的阻尼性能也没有明显的变化。 通过测试f e - a 1 合金的力学性能发现，f e 一5 a i - 2 m o 以及f e 一5 a 卜0 6 s i 合 金在9 0 0 c l 司溶两小时处理后的综合力学性能较好，而此时合金的阻尼性能也 较好，阻尼峰值也高。也就是说，f e - a l 合金经过适当的热处理后既具有很好 的阻尼性能又具有不错的机械性能。 试验还测试了f ea l 系阻尼合金的同质焊接以及与o c r l s n i 9 t i 不锈钢的异 种焊接的焊接性能，试验表明无论是同种焊接还是异种焊接，合金的抗拉强度 虽然较未焊时有所下降，但都还保持较高水平，塑性稍差。关于f e a 1 合金的 焊接性能还有待于实验迸一步研究。 关键词：f e - a i 合金阻尼性能磁机械滞后焊接性能 s t u d y o n d a m p i n gc a p a c i t ya n d m i c r o s t r u c t u r eo fh i g h d a m p i n g f e a 1a l l o y s m a j o ro fm a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t es h o u j u nd o n g s u p e r v i s o rn i n gl i i h ei n v e r t e dt o r s i o np e n d u l u mt e c h n i q u ef j n 一1v a c u u mi n t e r n a lf r i c t i o n t e c h n i q u e ) w a su s e d t ot e s tt h e d a m p i n gc a p a c i t i e s o ff e - a 1 a l l o y s t h e m i c r o s t r u c t u r eo ff e r r o m a g n e t i c sf o rf e - a 1a l l o y sa sw e l la st h ee f f e c t so fa l l o y e l e m e n t sa n dh e a tt r e a t m e n to nt h ed a m p i n gb e h a v i o ra n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f f c a 1b a s e da l l o y sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yb ym e a n so fo p t i c a l m i c r o s c o p y s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t h em i c r o - - m e c h a n i s m f o rh i g h d a m p i n gp r o p e r t i e sa n ds i m i l a ra n dd i s s i m i l a rw e l d i n gp r o p e r t i e so ff e a 1a l l o y sh a s b e e nd i s c u s s e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta l l o ye l e m e n t sa f f e c to b v i o u s l yt h ed a m p i n gc a p a c i t y o ft h e s ea l l o y s 髓”a d d i t i o no fa 1 ，m oa n ds ia r eo fa d v a n t a g ef o rt h e i m p r o v e m e n to fd a m p i n ga n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e s ea l l o y s e s p e c i a l l y ， m oc a ng r e a t l ye n h a n c et h ec o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i t yo ft h ea l l o y s h e a t - t r e a t i n gt e c h n o l o g yo b v i o u s l ya f f e c t st h ed a m p i n gc a p a c i t y o ft h e s e a l l o y s w i t ht h eh e a t - t r e a t i n gt e m p e r a t u r er i s e a n dt i m ei n c r e a s e ，t h ed a m p i n g c a p a c i t yo ff e - a 1r e a c h e sp e a k sa t9 0 0 o r1 0 0 0 f o rt w oh o u r sf o l l o w e db ya i r c o o l i n ga n dd e c r e a s e sw i t hf u r t h e ri n c r e a s i n go fh e a t - t r e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e d a m p i n gc a p a c i t ya n dt h ec r y s t a lf i a o r p h o l o g yo ft h ea n o y su n d e rd i f f e r e n t a g i n gt i m ea t3 5 0 。c a f t e rh e a t t r e a t i n ga t9 0 0 。c f o rt w oh o u r sh a ss t i g h ta l t e r a t i o n t h et e n s i l ep r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t ef e 一5 5 a 1 2 m oa n d f e 一5 5 a 1 0 6 s ia l l o y sp o s s e s st h eb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t ya t9 0 04 cf o rt w o h o u r sf o l l o w e db ya i rc o o l i n g t h eo v e r a l lp r o p e r t i e so ft h e s ed a m p i n ga l l o y si s v e r yg o o d ，i e w i t hs u i t a b l eh e a tt r e a t m e n t ，f e a 1a l l o yp o s s e s s e st h eh i g h e s t d a m p i n gc a p a c i t ya n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t y s i m i l a rw e l d i n gp r o p e r t i e so ff e - a 1a l l o y sa n dd i s s i m i l a ro n eo fo c r l8 n i 9 t i s t a i n l e s ss t e e lw e r ei n v e s t i g a t e di nt h ep r e s e n ts t u d y i ns p i t eo ft h es i m i l a ro r d i s s i m i l a rw e l d i n g ，t h et e n s i l es t r e n g t ho fa l l o y sm a i n t a i n sh i g hl e v e l ，b u ti sl o w e r t h a nt h eu n w e l d i n gm a t e r i a l o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep l a s t i cp r o p e r t yo ft h ew e l d i n g a l l o yi sr e l a t i v e l yb a d ，t h es i m i l a ra n dd i s s i m i l a rw e l d i n gp r o p e r t i e so ff e a 1a l l o y s n e e dl u c u b r a t e da g a i n k e yw o r d s ： f e - a ia l l o y s d a m p i n gc a p a c i t y m a g n e t o m e c h a n i c a lh y s t e r e s i sw e l d i n gp r o p e r t i e s 董守军f e a l 系高阻尼合金组织和性能的研究 1 绪论 1 1阻尼合金的工程应用背景 在当今世界上，随着近代文明时发展，飞机、船舶、车辆等机械的功率、 速度不断增加和各种工业的大规模生产，其主要副作用之一是振动造成的有害 噪声也随之增长。有害的振动既导致材料疲劳，又降低机械部件的工作可靠性。 如潜艇发动机振动噪声沿艇体的传播和发射不但干扰导航仪器的正常工作，而 且将自己暴露给敌人；音像系统中的机械振动将不可避免地调制成背景噪声， 降低“信噪比”，影响图象的声音和质量。而且噪声还使人听着发烦、讨嫌，妨 碍人们的工作、学习和休息。影响人们的身心健康，甚至危及生命。据美国 国家职业安全与健康研究所1 9 7 1 年的调查，至少1 0 的工作人员处于9 0 d b 以 上的工作环境。为达到规定的9 0 d b 以下的噪声标准工业界需耗资1 3 5 亿美元， 若把标准降到8 5 d b 水平则需3 1 6 亿美元，可见噪声污染不可忽视。噪声已成 为世界上三大公害( 大气污染、水质污染和噪声) 之一。目前各发达国家对噪 声引起的环境污染问题十分重视，如法国在7 0 年代就对机场的噪声污染进行课 税。同时，振动和噪声还严重影响产品的质量，仪器仪表的精度以及机械设备 的使用寿命。根据统计，在机器制造业中有近8 0 的事故和设备的损坏是由于 共振造成”1 。所以，机械的振动和噪声水平已成为机械产品在市场竞争中应考 虑的重要因素。不论从保护人们的身心健康和工作环境出发，还是从工业化的 发展趋势出发，振动和噪声已成为当前世界各国需要解决的最迫切问题之一。 减少和消除有害振动或噪音的途径，不仅在于采用合理的机械机构设计方 案，还有赖于改善材料的阻尼性能，即选用具有高阻尼( 大内耗值) 特性的材 料，以阻止和降低振动应力峰的传播，从而消除并减少有害振动和噪音的产生 。1 。通常降低材料或结构振动的常用方法有三种：一是增加质量提高刚性，将 结构件设计得足够庞大和坚固，以降低振动振幅，此法效果显著但不适于小型 化、轻量化和高速化；二是避免共振，巧妙设计结构件，以使它避开共振条件， 它适于振动源是单一振动频率的场合；三是使振动衰减的方法，利用减振材料 ( 高阻尼材料) ，并采取柔性设计，即振动通过弹性能转化为热能而消失“1 。第 一种方法从成本和重量方面考虑是不可取的；第二种方法是传统的结构设计所 经常采用的方法，但如果振动谱非常复杂，则这种方法也只能部分解决问题； 四川大学硕士学位论文 而第三种方法则能很好地解决各类与振动有关的问题，它要求引进一种机制， 通过这种机制使结构的振动能量能够完全地被耗散掉。所以采用高阻尼材料是 一种很好的减振降噪方法，也是一种十分有效的途径。 所谓阻尼合金就是以减少振动或噪声的发生为目的的材料，它的内耗非常 大，容易吸收振动能量，把振动能变成材料内部的热能，从而使得振动迅速衰 减。因此阻尼合金也称减振合金、吸振合金或制振合金等。1 。 当金属受到振动时在金属内存在着对振动起阻尼作用的内耗，这是人们早 就知道的，不是什么新问题。但是，积极地利用内耗，却是最近几十年的事。 上世纪五十年代，国外就开发了铸造m g 合金和m g 一0 6 z r 的k i x i 实用 合金0 1 以及n i c o 系实用合金n i v c o 1 0c 6 ，使阻尼合金的研究取得重大进展。六 十年代，开发了m n c u 。7 】系实用合金s o n o s t o n e ，i n c r a m u t e 和n i t i 系实用合金 n i t i n o l ，给金属材料减振降噪开辟了广阔的前景。七十年代，开发了价格低廉 的，在高温下具有良好阻尼性能的铁基合金如s i l e n t a l l o y , t r a n g a u o y , f e c r - c o ， f e c r m o 合金，该类合金在3 0 0 的高温下仍具有较好的阻尼性能。同时，该 类合金的强度高，弹性模量大，加工性能好，已被广泛地应用在多种工业机械 的振动发声部件上。八十年代，国外着重进行铁基阻尼合金和m n c u 合金的机 理和工艺性能的研究，将性能成分编制的回归方程借用电子计算机确定最 佳成分，并在实际应用中积累了大量的数据，从而把高阻尼合金材料广泛地用 于各种低噪声产品设计，环境噪声控制和劳动保护等工程。1 。 近十多年来，随着人们环境意识，产品质量和武器的隐蔽意识的增强，阻 尼合金的应用已遍及国防工业的舰艇、战机、导弹、坦克以及民用工业的飞机、 船舶、汽车、机械和仪表制造等各个领域，并且取得了明显的减振降噪效果， 这进一步刺激了国内外阻尼合金的研究和开发。由此可见，阻尼合金作为一种 将结构和功能统一为一体的新型材料，前景十分光明。 1 2 阻尼合金的表征及测量方法 理想弹性体在受到外力时，应变在瞬间便达到胡克定律所规定的量值，也 即应力和应变是同步的，是单值函数关系。当有非弹性行为出现时，应力应变 不同相，例如应变的变化相对于应力的变化有一个相角差( 巾) 。即存在： 020o e x p t jj，1i!111】1 _ 1 ， 董守军f e a l 系高阻尼合金组织和性能的研究 = oe x p ( ( _ ) t 一由)( 卜1 ) 式中o 。，e 。分别为应力幅和应变幅，。为角频率，t 为时间，巾为应变与 应力之间的相角差。这样，振动一周后，则形成一滞后回线，引起机械振动能 消耗，内耗发生”1 。 金属或合金的阻尼性能好坏可用许多种方法量度。通常我们用对数衰减率 ( 6 ) ，内耗( q 1 ) ，归一化的宽带，减振系数( 比阻尼s d c ) ，能耗系数( 叩) 和位相差( 由) “”等方法进行表征。 1 2 1 对数衰减率( 6 ) 对数衰减率6 表示自由衰减过程中相继两次振幅比的自然对数，即： 6 = l n ( 兰) ( 1 - 2 ) a 月+ l 式中a 。a 。+ 。分别表示第n 次和第n + 1 次振动的振幅。当阻尼很小时，a 。一a 一， 则6 一o ；当阻尼很大时，a 。a 。+ 。一一，则6 一o 。可见，自由衰减法测出的对数 衰减率6 应落入o 。o 范围之内，一般金属与合金材料的i n ( ；生) 介于o 1 以n + i 的范围内。 当阻尼为线性时( 6 与振幅大小或振动次数无关) ，有： 。1 n ( 熹) 2 荟m ( 1 n 肌一- l n 肌t ) = m6 因此6 ：一1i n ( 生) ( 卜3 ) m a n + 即线性阻尼的情况下，6 可以表达为相邻m 次振幅a n 和a 。+ 。的比值的函数。 1 2 2 内耗( 0 。1 ) 品质因子的倒数叫内耗，也可称为损失因子，是材料振动一周所损耗的能 量与 其中 能圭 aw = lk a 2 - lk a 。+ 1 2 ， w = l k a 。2 ， 因此 q - 1 2 击( 警) ：击一n 唆) 2 ：击一n 溉) _ 2 = 1 2 z 1 - e - 2 5 ( 1 - 5 ) 可以看出，阻尼很小时，a 。一a m ，q - - - 0 ；阻尼很大时，a a “一一，q - 1 5 击， 所以自由衰减法测出的材料的内耗应落入o 瓦l ( 0 0 1 5 9 ) 之间。 在内耗很小的情况下，即6 1 的条件下，( 卜5 ) 式可近似表达为 q - 1 = 害 ( 1 6 ) 计算结果表明。”：当内耗值分别为5 x1 0 ，lx1 0 。2 和5 1 0 1 时，用上面 的近似公式算得的内耗值相对误差分别为1 5 8 ，3 1 7 和1 6 5 3 。可见近似公 式的适用范围应为5 1 0 。或1x1 0 2 以下的内耗值计算。 1 2 3 减振系数( 比阻尼s d o ) 当材料产生0 2 永久形变时的应力为o 。，则以o 。：1 0 作为剪切应力振 幅，采用倒扭摆法测得振动能量每周相对衰减率并以百分数表示，即为减振系 数。换言之，减振系数是振动物体内振动能转变为热能而损失的比率，它是以 4 1，j哪! 一薹! 兰! ! 垒! 丕壹堕星鱼垒塑堡塑丝丝笪堕窒 振动一周振动能的损失率来定义的1 。 s d c = w w = 挚1 0 0 ( 卜7 ) 式中w ，w ，a 和a 。+ t 的物理意义与前面的相同。变换上述公式，则有： s d c = i 一孕= i e - 2 万 ( 1 8 ) 所以，自由衰减法测出的材料的比阻尼应落入o 1 的范围内。 并且对数衰减率6 ，内耗q - 1nl 9 5 1 1 ns d c 三者之间存在关系： q 1 2 喾= 瓦1 1 - e - 2 8 ( 1 - 9 ) 在实际应用过程中，对低阻尼合金，可以认为对数衰减率8 ，内耗q - , 及比 阻尼s d c 之间满足： s d c = 28 = 2 厅q 。 ( 卜1 0 ) 1 2 4 归一化宽带 半功率点方法：阻尼可按照在共振频率峰( w n ) 附近相当于振幅的0 7 0 7 的两点宽度( w z w ，) 来量度。这对应于两个点，其储能为共振频率储能最大值的 一半，并用毗连的共振频率归化。这样： o rw 一2 - w i 3 f “ 1 2 5 位相角( 巾) 在周期加载下造成应变滞后于应力的角叫相角， t a n 巾，即 叩。t a n 击2 鲁 由上述可知，金属的内耗q 1 ( 或对数衰减率6 表明这种合金的阻尼性能越好。 能耗系数叩为损失角正切 ( 1 1 2 ) 或比阻尼s d c ) 越大，则 1 2 6 阻尼性能的测量方法 i 2 6 1 低频扭摆法 低频扭摆法是由我国葛庭燧于2 0 世纪4 0 年代首先建立的，又称葛氏扭摆 法。这种方法采用丝状( 直径o 5 1 5 m m ，长l o o m m ) 或片状试样，在自由振 四川大学硕士学位论文 动下，通过测量应变振幅衰减谱，测得试样的阻尼性能。为了减少轴向拉力的 影响( 因在高温下丝材试样容易产生蠕变现象) ，实际测量时通常采用倒置扭摆 仪。这种方法适用的频率范围为0 5 2 0 h z ，振幅范围1 0 1 1 0 。 1 2 6 2 共振棒法 共振棒法包括单悬臂弯曲或双悬臂弯曲法，三点弯曲法，纵向法和扭转法 等，其中常用的有单、双悬臂弯曲法和三点弯曲法。单悬臂弯曲法适用于较软 的材料( 弹性模量e 1 0 ”p a ) 。在强迫振动下，这些方法通过测量应变与应力之间存在的相位差 中，测量材料的阻尼性能。至于纵向法和扭转法，其测量频率可达4 0 k h z 。 1 2 6 3 复合振荡器法 复合振荡器法又称为超声波脉冲法，实质上是共振棒法中的纵向法、扭转 法在超声频率的推广。待测试样( 典型尺寸6 5 m m x3 m m x3 r a m ) 粘贴在石英上( 置 于加热炉中) ，再先后通过其石英晶体侧粘贴到第二探测石英晶体上和第三驱动 石英晶体上，组成一个四元复合振荡器。通过粘贴在驱动和探测晶体上的电极 导线来施加驱动信号和获取采集信号。通常在自由振动衰减、恒定振幅和共振 峰频率等条件下进行。该法适用的频率范围为3 0 2 0 0 k h z 。 在实际测量过程中，可根据材料内耗的大小、频率高低以及试样尺寸、形 状等因素来选择适当的方法： 内应力( 和应变) 较大时，可用测定滞后回线的方法求出试样振动一周所 消耗的能量w 与试样中所储蓄的振动能w 之比，即a w w 。目前可用的最小 应变已达7 1 0 。 当内耗较大时，可用强迫振动法直接测量应变落后于应力的相位差巾。这 时所用频率f 必须小于振动系统的固有频率f r ，一般选f ( 1 1 0 ) f 。目前用这 种方法可测到最低内耗约为1 0 4 ，最低测量频率可达1 0 一。 当试样尺寸较大时，可用音频法测定试样的共振曲线，或用横振动法测衰 减曲线。用共振曲线半宽度求出q - 1 。目前约能测到内耗1 0 1 的数量级。 当内耗比较小时，可用自由衰减法测定6 。对于丝状或小、薄片状试样， 用扭摆法最为方便。能够测量最高内耗约为0 5 ，最低内耗约为1 0 1 。对于较大 董守军f e - a i 系高阻尼合金组织和性能的研究 尺寸的试样也可用音频法。 1 3 阻尼机制 根据阻尼谱的特征，材料阻尼机制大体可分为四大类型：动滞后型，静滞 后型，共振型和相变机制型“”1 。 1 ) 动滞后型 动滞后型内耗也叫驰豫型内耗( 线性内耗) ，它是材料的滞弹性引起的，所 以也称为滞弹性内耗“”。滞弹性的特征是在加载或去载时，应变不是瞬时达 到其平衡值，而是通过一种驰豫过程来完成这种变化的。这种机制的特点是阻 尼性能与振幅( o 或e ) 无关，而与频率f ，温度t 有关。 2 ) 静滞后型 动滞后的产生是由于实验的动态性质，与此不同，静滞后的产生是由于应 力和应变存在着多值函数关系“”。在同一载荷下，在加载过程中和去载过程中 对应的应变值不同，并且在完全去掉载荷后有永久应变残留，要想把这部分残 余应变去除就需在相反的方向加一定载荷才行。静滞后内耗( 非线性内耗) ，其 特点是阻尼性能与振幅有关，而与频率、温度无关。 3 ) 共振型 材料中的阻尼共振是产生内耗的又一种情况。例如晶体中两端被钉扎的位 错线段在振动应力下可作受迫振动，对材料施加应力后，阻尼共振型固体的应 变随时间的变化与材料的阻尼系数有关。共振型内耗与动滞后型内耗相似，但 材料的固有频率随温度的变化较小。 4 ) 相变机制型 相变机制型内耗指材料发生相变时，其阻尼性能明显改善，其特点是阻尼 性能与振幅无关，而与t f ( t 为加热或冷却速度) 成正比。 1 4 阻尼合金的分类 根据阻尼机制的不同，阻尼合金可分为四大类：即复相型阻尼合金、位错 型阻尼合金、孪晶型阻尼合金和铁磁性阻尼合金“”。当然还有些合金是同时通 过上述四种机制中的两种或两种以上的机制消耗振动能，通常我们把这类合金 叫做复合型阻尼合金。 四川大学硕士学位论文 1 ) 复相型阻尼合金 这类阻尼合金是由两种以上的多相组织构成，其阻尼机制是受振动时由第 二相与基体界面发生塑性流动或第二相变形而吸收振动能，并将振动能变成热 能而耗散。主要合金为f e c s i 和a 卜z n 系合金。 片状石墨铸铁也是一种比较常用的复相型高阻尼合金。研究表明，这种合 金的阻尼性能取决于第二相石墨的形态，数目及分布，尤其形态更为重要。片 状石墨形态具有很高的减振性能，而球状石墨f e c s i 合金的内耗要低两个数 量级之多“”。但该类合金强度低，质脆，故加工困难，应用受到一定限制。 a l - z n 系阻尼合金在复相型阻尼合金中占有重要的地位。其中日本东洋铝 业株式会社的g e n t a l l o y a 系合金及日本三菱金属株式会社的c o s m a l z 合金 具有代表性。a 卜z n 系阻尼合金的特点在于：比重轻，强度高，有利于产品的 轻量化；属于非磁性物质，内耗不受磁场的影响，有利于电子，电器产品的减 振降噪；在微小的摆动中能保持高的阻尼性能。 复相型合金的内耗与不均匀组织结构有关，在周期应力作用下，复相体中 强度较高的基体组织发生弹性形变，而片状较软的余相组织则产生塑性变形， 从而使合金的能量逸散大大提高。这类合金具有比重小，比强度高，物理性能 优良，工艺简单，材料成本低和非磁性，但其阻尼性能对频率敏感，只有振动 频率达到材料的固有振动频率( 约1 2 0 0 h z ) 时才表现较好的阻尼性能。此外， 这类合金只能在1 5 0 左右使用，其内耗也不是很大，因而应用范围还是受到 限制。 2 ) 位错型阻尼合金 这类合金是通过位错的运动产生内耗。其阻尼机制是由于该类合金的晶体 中存在着众多的可滑动位错。这些位错在振动应力的作用下与杂质原子相互作 用，脱离杂质原子的钉扎，从而在应力一应变的关系上出现回线，消耗振动能， 引起内耗。显然使位错脱离钉扎点所需应力小的材料，其内耗就大。按g r a n a t o 一1 u c u e 理论将此内耗分为与振幅无关和有关的两部分，前者是阻尼共振型的， 与振幅无关，但与频率有关；后者是静滞后型的，与振幅有关，但与频率无关 “”。一般作为减振降噪的频率范围是从1 6 h z 2 0 k h z “”1 ，所以与振幅有关的静 滞后型内耗是人们从事位错型阻尼合金研究的主要内容。 位错型阻尼合金的主要合金是镁及镁合金( m g n i ，m g z r ，m g c u ，m g a 1 ， 董守军f e a l 系高阻尼合金组织和性能的研究 m g s i 等) ，典型合金为m g z r 合金( m g 一0 6 z r 的k i x i 合金) 。这类合金的特 点是比重轻，比强度高，能承受很大的冲击载荷，对油、苯，碱类的耐蚀性好， 适于航空等应用。 镁是六方晶体，在剪切应力的振动下产生弯曲应力并与六方晶体底面成4 5 度时，其弯曲应力最大，而在与底面平行或垂直方向上则最小，因此，为了得 到大的振动阻尼能力，需控制镁合金的结晶组织。岗本平等人的研究表明，等 轴晶有利于镁及镁合金在应变振幅增加时提高内耗。因而在这样的条件下，镁 及镁合金的内耗随应变振幅的提高而急剧增加“”。 3 ) 孪晶型阻尼合金 孪晶型阻尼合金是由合金中与热弹马氏体相变有关的相变孪晶晶界或母相 与马氏体的相界，在振动外应力的作用下发生移动产生非弹性应变而使应力松 弛，从而将外加振动能以热能耗散，形成对振动的阻尼衰减。主要合金有m n c u ， m n c u a 1 ，c u - h l - n i ，c u - z n h l 和n i - t i 等，m n - c u 合金是这类合金的代表。 b r i c h o n 对m n - 3 0 c u 合金研究表明，在无外力作用时孪晶已存在，当外加力时， 其孪晶数目大大增加，当去掉外力后又回到原始状态，类似于畴壁在外力作用 下的移动。为此认为孪晶的形成和消失伴随孪晶界的移动，产生静滞后作用而 造成能量损失n ”。 m n c u 阻尼合金的特点为：使用温度受到锰含量的强烈限制，这主要是由 合金的马氏体相变温度所决定的。含锰量越多，马氏体转变点m s 就越低。在 m s 以下使用时，由于晶内存在许多微细的孪晶组织，可以得到高的内耗；反之， 由孪晶机制所引起的内耗消失。但一般来说含锰量高的合金塑性较差，加工性 能恶化。 4 ) 铁磁型阻尼合金 铁磁型阻尼合金，其阻尼机制是在受到外界的交变振动时，合金中的磁畴 壁发生非可逆性移动，形成磁一机械静滞后作用，从而在应力和应变关系上出 现滞后曲线，造成能量耗散，形成对振动的阻尼衰减。主要合金有：铁基合金 ( f e c r ，f e h l ，f e a l - s i ，f e - c o ，f e - t i ，f e c r a l ，f e c r m o 等) ，镍 基合金( n i c o ) 等。铁磁型阻尼合金的特点是：内耗强烈地依赖于应变振幅， 应变振幅增大，内耗提高，直到一峰值，然后又逐渐降低；内耗受磁畴壁移动 难易程度的控制，移动越容易，内耗就越高；在达到磁饱和时，阻尼性能锐减， 9 四川大学硕士学位论文 甚至消失。 1 5 不同类型阻尼合金的性能特点 表i - i 给出了上述几种阻尼合金的阻尼性能与外界条件变化的关系哪! 。这 些阻尼合金各有其特点，复相型阻尼合金其阻尼性能与温度和频率有关，而位 错型、孪晶型和铁磁型阻尼合金的阻尼性能与振幅有关，与频率无关。从性能 和应用特点看，复相型阻尼合金阻尼性能偏低，而且只能在1 5 0 左右较窄的 温度区使用。位错型阻尼合金在1 5 0 下合金发生应变时效，其阻尼性能明显 下降。孪晶型阻尼合金在高于m s 点温度以上不能使用。铁磁型阻尼合金高阻尼 性能受外界影响因素小，可以从室温一直保持到3 0 0 ( 或更高) 的高温。 表i - i 阻尼合金的性能与外界条件的关系 最高使 时效与变形振 与频率与磁场 特性典型代表热处理用温度 变化幅的关系关系关系 ( ) 复相型a 1 一z n 系不需要 1 5 0 无小有无 孪晶型m n - c u 需要 1 5 0 大 中无无 位错型 m g - z r 不需要 1 5 0 无中 无无 3 0 0 以 铁磁型f e c r 等 需要无大 无有 上 表卜2 阻尼合金的性能特点 强度 表面硬化处焊接塑性成 特性典型合金耐腐蚀气蚀 n r a m 2理性 加工 本 复相型a 卜z n 系差9 8 可能 难难低 孪晶型 m n c u 较好5 8 8可能 难 容易 低 位错型 m g - z r 稍差1 9 6不行不行 难 高 铁磁型f e - c r 等好4 4 1 容易 良好容易 低 从上表l 一2 可以大致看到四种基本类型的阻尼合金有着各自的特性，复相 1 0 董守军f e a l 系高阻尼合金组织和性能的研究 型的a 1 z n 合金耐腐蚀气蚀能力和力学性能偏低。位错型的镁合金阻尼性能虽 很高，但其抗蚀性能太差，力学性能太低；f e - n i m n 虽具有很好的抗蚀和力学 性能，可内耗太小。孪晶型的m n c u 及n i t i 合金，尽管它们具有较高的阻尼 性能和好的抗蚀及力学性能，但由于受马氏体相变点的制约，使用温度不能超 过8 0 c 。铁磁型的f e c r 基和n i c o 基阻尼合金具有很好的抗蚀性能，力学性 能十分接近奥氏体不锈钢的水平，其内耗相当于m n c u 合金的水平，甚至更高， 更重要的是，它的焊接性能和塑性加工性好，具有广阔的应用前景。 1 6 铁磁型阻尼合金的机制和研究近况 1 6 1铁磁型阻尼合金的阻尼机制 b e c k e r 等人于1 9 3 4 年首先发现了铁磁合金的内耗特性，后来b e c k e r 和 d o r i n g 又进一步指出：在振动应力作用下，铁磁合金的内耗根据其机制的不同， 由三部分组成： 1 ) 宏观涡流( m a c r oe d d yc u r r e n t ) 内耗： 2 ) 微观涡流( m i c r oe d d yc u r r e n t ) 内耗； 3 ) 磁机械滞后( m a g n e t o m e c h a n i c a lh y s t e r e s i s ) 内耗。 铁磁型阻尼合金是通过改变总磁化强度形成的宏观涡流，畴壁的可逆移动 ，及磁化矢量的转动产生的微观涡流，以及不可逆的畴壁移动导致的磁弹性滞后 使振动能转换成热能而耗散。“。 宏观涡流内耗是振动应力作用下通过磁致伸缩逆效应引起试样整体磁感 应强度发生变化而激发的一种涡流损耗，这种损耗在试样处于饱和磁化状态时 或完全退磁状态时为零；微观涡流内耗是在振动应力作用下磁畴内局部磁通发 生改变而造成的一种涡流损耗，这种损耗在试样内部的不同地方是各不相同 的：磁机械滞后内耗是在振动应力作用下磁畴发生不可逆移动引起局部磁化改 变并导致磁弹应变滞后而造成的能量损耗。 在低频振动条件下，退磁状态的铁磁合金的阻尼主要由磁机械滞后引起， 能够导致磁致伸缩效应的不可逆移动的磁畴壁越厚，数量越多，磁机械滞后阻 尼就越大。 四川大学硕士学位论文 i 6 1 1 宏观涡流内耗 b o z o r t h 。”给出在低频和高频振动条件下，铁磁合金的宏观涡流损耗用对数 衰减率表征分别如下： 6l - z 2 e 1 a 厂2 r 2 一f ( 1 1 3 ) s f 蹄j 寺 ( 1 _ 1 4 ) 式中e 是杨氏模量，r 为柱状试样的半径，f 为振动频率，u 为磁导率，p 为电 阻率，a 为单位应力作用下试样磁感应强度的变化率，即a = d b do 。很显然试 样处于饱和磁化或完全退磁状态时，o = o ，故6 。和6 。均为零。 同时，从上面两式可以知道，宏观涡流内耗与振幅无关。在低频条件下， 6 。与r 2 f 成正比；高频条件下6 。与1 尺2 f 成正比。这是由于前者振动应力 激发的磁通的变化均匀地分布于试样横截面内，横截面越大( 即r 2 越大) ，振 动频率越高，6 。就越大；而后者，由于频率太高引起了趋肤效应，振动应力激 发的磁通的改变仅限于表面层，振动频率越高，试样半径越大，这一表面层就 变得越薄，因而导致损耗也就越小。 b e r r y 和p r i t c h e t 对纯n i 的研究表明：试样磁化至m m , = o 6 3 ，振动频率 为l o k h z 时，可获得最大的宏观涡流内耗，6 。= o 0 6 ；当振动频率高于l o k h z 时，引起高频宏观内耗涡流，6 。随频率的继续增大而下降；当频率小于l o k h z 时，引起低频宏观涡流内耗，6 。随频率的减小而线性下降，当频率等于l o o h z 时，宏观涡流内耗已很小，其6 o 0 1 。 1 6 1 2 微观涡流损耗 g a n g a n n a 等人啪3 认为微观涡流产生的物理机制是磁畴壁在振动应力作用 下的阻尼减振。这种减振可引起磁畴局部磁通的改变并导致局部涡流损耗。磁 畴壁的阻尼减振可用如下方程描述： m 箸+ r 鲁+ k x = o o c o s ( 呲) ( 1 _ 1 5 ) 对上式求解可得微观涡流内耗为： 1 2 董守军f e a l 系高阻尼合金组织和性能的研究 6 产：；磐娶_ i ( 1 1 6 ) 。1 【棚2 ( 2 。一2 ) 2 + 脚2 r 2 】 、1 式中m 为单位面积畴壁的质量，x 是畴壁位移，r 是阻尼系数，k 是恢复力系 数，o 。是) l - ) j n 振动应力的幅值，m 。为畴壁固有振动频率，m 为外加应力振动 频率，e 为弹性模量，k 是一个与电磁性质有关的常数。 上式表明：微观涡流内耗与振幅无关，而与振动频率有关，并随振动频率 出现一个峰值。研究表明：振动频率分别为2 5 ，5 0 ，7 5 和1 5 0 k h z 时，纯n i 的微观涡流内耗分别为8i - o 0 0 3 ，0 0 2 5 ，0 0 1 7 ，0 0 0 2 ；当固定振动频率， 振幅值从1 0 。6 开始增大时，内耗也开始增大，并随振幅的增加而线性增加，此 时的内耗是一种非线性内耗，其机制是畴壁不可逆移动造成的静滞后。因此， 可以说与微观涡流内耗有关的畴壁的阻尼减振实际上就是低于1 0 。6 振动应力下 畴壁在其平衡位置附近的一种可逆移动。 ： ，1 6 1 3 磁机械滞后内耗 铁磁合金被磁化时，由于磁致伸缩效应，将出现应变；如果施加应力有助 于这种应变，则磁化便是这种应变的效应，这就是磁致伸缩逆效应。由于这种 逆效应，铁磁合金在夕l - ；0 n 应力作用下除了产生一个弹性应变e l 外，还会产生 。一个磁应变e 。( 如图1 1 ) ，出现e 效应，因此在应力一应变曲线的初始段 就不是直线；当磁应变e 。随外加应力的增大而达到饱和磁致伸缩以后，应力 一应变才成线性关系；当应力减小时，应力大体按直线b a d 返回；应力为零时， 有残留应变e ，存在。这样，在应力一应变图上便出现了阴影部分的滞后回线， 这就是铁磁合金具有阻尼( 内耗) 特性的力学原因。 和磁化产生磁致伸缩的过程一样，应力作用下，铁磁合金产生磁应变也是 通过不可逆畴壁移动来完成的。在外加应力。作用下，取向有利的磁畴将通过 畴壁的不可逆移动吞并取向不利的磁畴，最后在应力方向产生了一个永久的剩 余磁应变 。如果施加的力为周期振动应力，则磁畴壁在振动1 4 周期内随应 力瞬时达到其相应的平衡位置；下一个1 4 周期内，应力回复到零点。畴壁则 因其移动的不可逆并不回到初始位置，这样畴壁扫过的部分所衬托的磁应变就 是一个标准的静滞后过程，也称磁机械滞后。显然，磁机械滞后应是一个与振 13 四川大学硕士学位论文 动频率无关，而与振动振幅有关的非线性内耗。c o c h a r d t 以及后来所有的对铁 磁合金磁机械滞后的研究均表明：铁磁合金的磁机械滞后在振动应变大于l o 。6 时开始出现；然后随着应变振幅的增加而增大；达到极大值后，随振幅的继续 增大而下降；下降的速度比出现峰值前上升的速度要慢一些，即所谓“上得快， 下得慢”规律。 o e r d s t m f n 一 图1 1铁磁合金的应力一应变关系 大量的研究结果表明：磁机械滞后内耗是构成铁磁合金内耗的主要部分。 譬如，f e c r a l 因磁机械滞后引起的对数衰减率为6 = o 1 5 ，这比宏观涡流和 微观涡流大了一个量级；在通常振动频率小于l o o h z 的情况下大了两个量级。 为此，对铁磁合金阻尼性能的研究主要集中在磁机械滞后方面的研究上。 1 6 1 4 磁畴不可逆移动 ( 1 ) 畴壁及其应力效应 铁磁合金内的磁畴和畴壁是合金从高温的顺磁态到居里点以下的铁磁态转 变过程中，包括磁场能、退磁场能、交换能、磁晶各向异性能和磁弹性能在内 的总的自由能要求极小，尤其是退磁能要求最小而自发形成的o ”。畴壁就是合 金内磁畴的磁化矢量从一个方向转到另一个方向的过度区；畴壁内原子的磁矩 1 4 董守军f e a l 系高阻尼合金组织和性能的研究 是从其一侧的磁畴磁化方向上逐渐变到另一侧磁畴的磁化方向上；由于磁畴太 窄或太厚会造成畴壁能量分别因交换能或各向异性能太大而升高，因此畴壁应 有一定的厚度；同样，由于畴壁内各原子磁矩偏离易磁化轴会产生各向异性能， 并且相邻原子问的磁矩存在取向差会引入交换能，因此畴壁也有一定的能量， 通常以单位面积上畴壁的能量，即畴壁密度来表征畴壁能量。畴壁的厚度和能 量均由合金的各向异性能和交换能共同决定m 3 ”。此外，由于磁畴是被畴壁间 隔而成的小的磁性单元，因此磁畴也有一定大小，一般以畴壁厚度和磁畴大小 之间的比来表征畴壁的体积密度。 如果畴壁两侧磁畴的磁化方向互成1 8 0 。，则该畴壁称为1 8 0 。壁：如果畴 壁两侧磁畴的磁化方向互成9 0 。或其它非1 8 0 。角度，则该畴壁统称9 0 。壁。 当铁磁合金自发地形成磁畴和畴壁时，畴壁总是处于合金内部能量最小的地方。 如果合金内部的能量起伏是由内应力的起伏变化造成，并且内应力的起伏变化 具有正旋波特性，在x = o 附近的半个周期内，内应力近似为 o ，= g x ( 1 1 7 ) 其中g 为常数。根据c u l l i t y 。3 1 的计算1 8 0 。和9 0 。畴壁在这种应力场中 其磁弹性能的变化分别为 e 。= 36 ，g x ( 1 1 8 ) e 9 0 = 3 4 9 0g x 。( 卜1 9 ) 可见，对1 8 0 。畴壁来说，其能量极小值处于波谷即o ，取得极小的位置上； 而9 0 。畴壁则在x = o 即o ，= o 的位置上其能量极小。当外加应力作用于合金时， 合金的内应力分布就会发生改变。外加应力可以改变内应力的零点位置，却不 能改变其极小位置，因此，外加应力只能使9 0 。畴壁发生移动，而1 8 0 。畴壁 则原地不动。 ( 2 ) 磁弹转换 在应力作用下，9 0 。畴壁的移动分可逆和不可逆移动两种情形。其区别就 在于前者不经过能量起伏，而后者则要经过能量起伏( 或应力起伏) 。很显然， 当这些能量的起伏幅度太大时，如第二相和位错应力场，就会形成一种“能量 墙”，畴壁要想越过它而完成不可逆移动，就必须在相当大的外加应力作用下才 能实现。因此，要