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f e c d m o 高温高阻尼合金的研究 ￥仁孑仁3 弘 f e - c r - m o 高温高阻尼合金的研究 材料加工工程专业 研究生李乖文指导教师李宁 本论文结合实际的工程应用背景，以f e c r a l s i 合金为对比研究的参考 对象，研究了f e c r m o 合金的常温和高温阻尼性能，分析了热处理条件对合金 阻尼性能的影响。并从微观组织结构和铁磁学方面探讨了合金阻尼性能的影响 因素。同时还测试了f e c r m o 合金的机械性能，并分析比较了f e c r m o 高温 高阻尼合金代替0 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢而应用在核反应堆一回路主泵上的 可能性。 采用葛氏倒扭摆( j n 一1 型真空扭摆仪) 测试了f e - c r - m o 、f e - c r - a i - s i 合金的阻尼性能( 用对数衰减率表示) 。通过测试发现热处理温度对合金阻尼性 能有很大的影响。随着热处理温度的升高，合金的阻尼性能先升高，然后又逐 渐下降。f e c r m o 、合金在9 0 0 2 h 水淬( 6 = o 1 6 1 ) 和1 1 0 0 2 h 退火( 6 = 0 1 5 1 ) 处，阻尼性能达到极大值。而f e c r a 卜s i 在8 0 0 2 h 水淬( 6 = o 1 3 4 ) 和9 5 0 2 h ( 6 = o 0 9 7 ) 退火处，阻尼性能达到极大值。这些极值和o c r l 8 n i 9 t i 的阻尼性能相比，要高出十倍之多。 热处理后的冷却速度对合金阻尼性能有很大的影响。对于f e c r m o 合金， 存在一个临界温度( 1 0 0 0 ) ，在临界温度以下，f e - c r - m o 合金在快冷态( 水淬) 的阻尼性能高于慢冷态( 退火) 的阻尼性能；在临界温度以上，情况刚好相反。一) 热处理时间对合金阻尼性能也有很大的影响。对f e c r m o 合金，在l1 0 0 进行了变时间的实验，结果发现经过半小时水淬后，合金的阻尼性能最好，并 且随着热处理时间的增长，合金阻尼性能逐渐降低；当热处理时间超过两小时 后，其阻尼性能明显下降。 四川大学硕士学位论文 通过测试f e c r m o 和f e c r a 卜s i 合金在高温时的阻尼，掌握了它们的高 温阻尼特性和变化规律文随着测试温度的升高，f e c r - m o 和f e c r - a 1 一s i 合金 的阻尼性能6n l 和所对应的应变振幅yc 都几乎线性下降，但在3 0 0 ( 或更高 的温度区) ，它们都还具有很好的阻尼性能( 6 = o 0 8 4 ) 。这种高温特性在国内 外文献中未见相关报道。 结合测试温度，研究了外加交流磁场对合金阻尼性能的影响。结果发现， 随着外加交流磁场强度的增加，合金的阻尼性能逐渐降低，当合金磁化到饱和 态时，磁机械滞后效应消失，合金的阻尼性能降到最低。文 本文通过s e m 、x 衍射和光学显微镜观察了f e c r m o 合金的显微组织结构， 并结合合金的阻尼性能，分析了微观组织对其阻尼性能的影响。 通过测试f e - c r - m o 合金的机械性能发现，f e c r m o 合金在9 0 0 处理后的 综合机械性能较好，抗拉强度ob 达到4 6 7 m p a ，屈服强度0s 达到2 7 8m p a ，延 伸率8 达到2 3 ；而此时合金的阻尼性能8m 也最高，达到0 1 6 1 。也就是说， f e c r m o 合金经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。 关键词：f e c r m o 合金，f e - c r - a i - s i 合金阻尼性能j 磁机械滞后 阻尼合金 i i f e c r - m o 高温高阻尼合金的研究 h i g hd a m p i n gc a p a c i t yo ff e c r m oa 1 l o y s a th i g h t e m p e r a t u r e m 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 e h e w e nl i s u p e r v i s o rn i n gl i c o n s i d e r i n g t h e a p p l i c a t i o n s ，t h i sp a p e re x p l o r e s t h e d a m p i n g c a p a c i t yo ff e c r m oa l l o y sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n da th i g ht e m p e r a t u r e i ta n a l y s e st h ee f f e c t so ft h eh e a tt r e a t m e n t ，m i c r o s t r u c t u r e sa n d f e r r o m a g n e t i c s0 nt h ed a m p i n gc a p a c i t y a n dt h r o u g ht h et e s t s o nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp e c r m oa l l o y ，t h ep o s s i b i l i t yi sa n a l y z e d t h a tf e c r 。m o h i g hd a m p i n ga l l o y ss u b s t i t u t eo fo c r l 8 n i 9 t i s t a i n l e s s s t e e li nt h ec i r c u i to fn u c l e a rp i l e t 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 e ( j n 一1v a c u u mi n t e r n a l f r i c t i o nt e c h n i q u e ) w a su s e dt ot e s tt h ed a m p i n gc a p a c i t i e so ff e c r m o a n df e c r a 1 一s ia l l o y s t h er e s u l t s i n d i c a t et h a t h e a t t r e a t i n g t e m p e r a t u r ea f f e c t so b v i o u s l yt h ed a m p i n gc a p a c i t yo ft h e s ea l l o y s a s t 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 s ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yo ff e c r m o r e a c h e st w op e a k sr e s p e c t i v e l ya t9 0 0 ( 6 = o 1 6 1 ) f o rt w oh o u r sf o l l o w e d b yw a t e rc o o l i n ga n d1 1 0 0 ( 6 = o 1 5 1 ) f o r t w oh o u r sf o l l o w e db yf u r n a c e c o o li n g a n dt h ed a m p i n gc a p a c i t yo ff e c r a 1 一s ir e a c h e st w op e a k sa t 8 0 0 ( 6 = 0 1 3 4 ) f o rt w oh o u r sf o l l o w e db yw a t e rc o o l i n ga n d9 5 0 ( 6 = o 0 9 7 ) f o rt w oh o u r sf o l l o w e db yf u r n a c ec o o l i n g a n dt h e s ev a l u e s ( d a m p i n gc a p a c i t y ) a r et e nt i m e sh i g h e rt h a no c r l 8 n i 9 t is t a i n l e s s s t e e l t h ec o o li n gr a t ed u r i n gh e a tt r e a t m e n tc a na f f e c to b v i o u s l y t h e i i i 四川大学硕士学位论文 d a m p i n gc a p a c i t yo ff e c r m oa l l o y t h e r ee x i s t sac r i t i c a lt e m p e r a t u r e a t1 0 0 0 b e l o wi t t h ed a m p i n gc a p a c i t yo ff e c r m ob yw a t e rc o o l i n g i sh i g h e rt h a nt h a tb yf u r n a c ec o o l i n g h e a t t r e a t i n g t i m ec a na f f e c t o b v i o u s l yt h ed a m p i n gc a p a c i t y o f f e c r m oa l l o y w h e nh e a t e da t11 0 0 b yw a t e rc o o l i n gf r o mh a l fh o u r t o e i g h th o u r s ，t h ed a m p i n gc a p a c i t y o ff e c r m o a l l o y d e c r e a s e g r a d u a l l y a f t e r t w oh o u r s ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yo ff e c r m o d r o p s s h a r p ly b ys t u d yi n gt h ed a m p i n gc a p a c i t yo ft h ef e 。c r 。m o a n df e c r a 1 s i a l l o y sa th i g ht e m p e r a t u r e ，t h ed a m p i n gc h a r a c t e r a n dv a r i a t i o na r em a d e c l e a r a st h et e s t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，t h ed a m p i n gc a p a c i t y 6m o r s t r a i na m p l i t u d eyco ff e c r m o a n df e c r a l s i a l l o y s d e c r e a s e g r a d u a l l y b u ta t3 0 0 c ( e v e no t h e rh i g h e rt e m p e r a t u r e s ) ，t h ed a m p i n g c h a r a c t e r so ft h e s ea l l o y sa r es t i l lh i g h e r ( 6 = o 0 8 4 ) t h e s er e s u l t s h a v en o tb e e nr e p o r t e df o rt h e s ey e a r s a 1 t e r n a t i n gm a g n e t i cf i l e dc a na 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 fa l l o y s a st h em a g n e t i cf i l e ds t r e n g t h e n s ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yo f f e c r m oa l l o y sf a l ld o w ng r a d u a l l y w h e n t h e a l l o y s a r e m a g n e t i c s a t u r a t i o n ，t h ed a m p i n gc a p a c i t yr e a c h e sa t t h em i n i m u m t h em i c r o s t r u c t u r eo ff e - c r - m oi se x a m i n e du n d e ro p t i c a lm i c r o s c o p e a n de l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dx r d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h e d a m p i n gc a p a c i t ya r ea n a l y z e d t h et e n s i l ep r o p e r t i e s a r e i n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t si n d i c a t e f e - c r m oa l l o yp o s s e s st h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t ya t 9 0 0 y ：f o rt w o h o u r sf o l l o w e db yw a t e rc o o l i n g i t st e n s i l es t r e n g t h ( 0b ) i s4 6 7 m p a ， v i e l ds t r e n g t h ( 0s ) i s2 7 8 m p a ，a n dl o n g a t i o np e r c e n t a g e i s2 3 a f t e r a 1 1 w i t hs u i t a b l eh e a tt r e a t m e n t ，f e c r m oa l l o yp o s s e s s e s t 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 k e yw o r d s ：f e c r 一a l l o y f e c r a 1 一s ia l l o yd 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 s d a m p i n ga l l o y i v f e c r - m o 高温高阻尼合金的研究 1绪论 1 1阻尼合金的工程应用背景 随着科学技术的飞速发展，来源于工业、交通运输、航空航海等的振动和 噪声越来越多，严重危及人们的生活和生命，已成为世界三大公害( 大气污染、 水质污染和噪声) 之一i l 】。它不但使人听着发烦，讨嫌，妨碍人们的工作、学 习和休息，而且影响健康，特别强烈的噪声甚至能破坏神经系统，引起精神失 常，休克乃至生命，是环境工程急需解决的重要课题之一。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【2 】。所以，机械 的振动和噪声水平己成为机械产品在市场竞争中应考虑的重要因素。可见，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 3 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。 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： 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。 材料的内耗( 或阻尼) 研究兴起于2 0 世纪4 0 年代，但是人们对高阻尼材 料产生兴趣却是7 0 年代，当时由于工业的发展，关于振动和噪声的问题越来越 突出，在传统的防噪减振措施不能满足需要时，人们希望有一个根本解决问题 的方法，即寻找高阻尼材料，将振动和噪声抑制在发生源处【5 j 。 四川大学硕士学位论文 上世纪五十年代，国外就开发了铸造m g 合金和m g 0 6 z r 的k i x i 实用 合金1 6 1 以及n i c o 系实用合金n i v c o 1 0 q ，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 8 1 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 ，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 l l 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，己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籍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一，。 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。据统计“，到目前为止，仅日 本已申请有关阻尼合金的专利就超过1 0 0 个：1 9 8 7 年日本市场阻尼合金的销售 额为4 0 亿日元，1 9 9 5 年的年销售额超过5 0 0 亿日元，2 0 0 0 年已超过7 5 0 亿日 元。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。 阻尼合金在核工业中也有其独特的重要作用。自噪音是影响核潜艇隐蔽性 和战斗力的重要因素。我国核潜艇的自噪声远高于美、俄等国。除了通过改进 设计和提高加工工艺水平来降低噪音外，采用高温高阻尼合金是一种十分有效 的途径。譬如，核反应堆一回路主泵在正常运行时所发出的噪声超过1 0 0 d b ， 而噪声的4 0 以上来源于叶轮叶片的振动i l l 】。虽然通过改进设计和提高加工及 装配精度可适当降低主泵噪声，例如俄罗斯采用钛合金壳体屏蔽就可以显著减 低主泵的噪声。但这种方法要增加主泵的外形尺寸，与结构向小型化，一体化 方向发展背道而弛。针对这一问题，周邦新提出f 1 2 】用阻尼合金来制造主泵叶轮 及其相关发声部件( 以前一直是0 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢，不具有阻尼性能) ， 以降低主泵的噪声。要作到这点，首先要研制出一种阻尼性能优异的高阻尼 合金。并且这种合金能够满足主泵工况要求，即可以抵抗3 0 0 ( 2 的高温高压水 2 f e c r - m o 高温高阻尼合金的研究 的腐蚀、冲刷乃至空泡腐蚀：其中最关键的要求是在3 0 00 c 左右的高温条件下， 该合金仍具有极好的阻尼性能。本论文工作就是在这样一种背景下提出的，希 望通过研究能找到一种或多种满足主泵工况的高阻尼合金，它既具有很好的阻 尼性能，又具有与0 c r l 8 n i 9 t i 奥氏不锈钢相当的机械性能。当然针对主泵工况 研制成功的高阻尼合金还可以应用到核动力装置的其它振动发声部件，以及国 防和民用工业的其他场合内以达到减振降噪的工程目的。 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( 由) 。即存在： o2oo o x p t ：oe x p ( ( ) t 一巾)( 1 一1 ) 式中o 。，e 。分别为应力幅和应变幅，u 为角频率，t 为时间，由为应变与 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“。 高阻尼合金，也称为减振合金，具备的基本特征是能够通过材料内部的各 种相应阻尼机制，吸收外部振动能，并将振动能转化为热能而不可逆耗散，达 到减振的功效。金属或合金的阻尼性能好坏可用许多种方法量度。常用的有对 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( r ) 和位相差( 由) ”1 。 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 = i n ( 二生)( 卜2 ) a n + i 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，如一a 。叫， 则6 0 ；当阻尼很大时，a 。a 。一一，则6 一一。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 ( 毒生) 介于o 1 四川i 大学硕士学位论文 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： i n ( j ! ! ! 一) = ( i n a 一+ 一1 一i n a 一+ ) a k ，1 2 萎等， 2 6 t = m6 因此 6 ：一ii n ( 生) ( 卜3 ) 即线性阻尼的情况下，6 还可以表达为相邻m 次振动振幅a 。和a 的比值 的函数。 1 2 2 内耗( q 。) 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 量与其最大弹性储能之比， q 。= a w ( 2 w ) ( 卜4 ) 其中w 为给材料加载至最大时储存的能量，w 为材料振动一周耗散的能量。 在相邻两次振动( 即循环一周) 的振幅a 和a 处系统总能量分别等于势 能善k a 2 和善k a 。2 ，所以有： 因此 aw = l k a 2 - 2 1 - k a n + 2 w = 圭w ， q 。= 击( 警) 4 f e c r - m o 高温高阻尼合金的研究 ：击一n ( 缈2 ：击一呱 = 击 1 - e - 2 8 ( 1 - 5 ) 可以看出，阻尼很小时，a 一a n ，0 - 一o ；阻尼很大时，a 。a n + - 一一，2 击， 所以自由衰减法测出的材料的内耗应落入0 万1 ( o 0 1 5 9 ) 2 _ n 。 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 = 害 ( 1 6 ) 计算结果表明“：当内耗值分别为5 1 0 ，1 1 0 1 和5 1 0 。2 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 式的活用范围应为5 1 0 1 或1 1 0 2 以下的内耗信计算。 1 2 3 减振系数( 比阻尼s d c ) 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，即它是 以振动一周振动能的损失率来定义的“”。 s d c = aw w = 生挚1 0 0 ( 卜7 ) 以” 式中a w ，w ，a 。和a 。的物理意义与前面的相同。变换上述公式，则有： s d c ：卜t a 2 t ：1 一e 一2 万 ( 1 8 ) 以” 所以，自由衰减法测出的材料的比阻尼应落入0 l 的范围内。 并且对数衰减率6 ，内耗q 。和比阻尼s d c 三者之间存在关系： 四川大学硕士学位论文 q = 警= 西1 1 - e - 2 & 在实际应用过程中，对低阻尼合金， 阻尼s d c 之间满足： s d c = 26 = 2 石q - 1 。 ( 1 9 ) 可以认为对数衰减率6 ，内耗q 1 及比 ( 1 一1 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 。) 附近相当于振幅的0 7 0 7 的两点宽度( w 2 - 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 ：w 一2 - w i 3 孵， 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，能耗系数，7 为损失角正切 t a n 中，即 ，7 2 t a n 中= 害 ( 卜1 2 ) 由上述可知，金属的内耗q 。1 ( 或对数衰减率6 ，或比阻尼s d c ) 越大，则 表明这种合金的阻尼性能越好。 1 2 6 阻尼性能的测量方法 1 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0 5 1 5 m m ，长l o o m m ) 或片状试样，在自由振 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 7 1 0 1 。 6 f e c r - m o 高温商阻尼合金的研究 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 巾，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 e r a x3 m m 3 m 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由。这 时所用频率f 必须小于振动系统的固有频率f ，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 1 ，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 。目前约能测到内耗l o 。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 尺寸的试样也可用音频法。 四川大学硕士学位论文 1 3 阻尼合金的机制、类型和性能特点 1 3 1 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“3 。 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“7 。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( 0 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 3 2 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咖1 。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。 f e c r _ m o 高温高阻尼合金的研究 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 1 - 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 l 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；在微小的摆动中就能保持高的阻尼性能。 复相型合金的内耗与明显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t b 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 l 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 “2 ”，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。 9 四川大学硕士学位论文 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 ， m g s i 等) ，典型合金为m g z r 合金( m g - o 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。k i x i ( m g 一0 6 z r ) 合金的性能如下： 减振系数：6 0 抗拉强度：一1 6 0 b l p a 屈服强度：4 8 m p a 延伸率： 1 2 4 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挛晶晶界或母相 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 - h l ，c u - a 1 - n i ，c u z n a 1 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。 m n c u 孪晶型阻尼合金的特点为：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 。就越高。 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。一般m n c u 系阻尼合金的使用温度低于 8 0 ；含锰量高的合金塑性差，加工性能恶化；内耗强烈受应力和应变振幅的 影响，加大应变振幅，可提高内耗值；经长期时效后，合金性能随时间而减小。 4 ) 铁磁性型阻尼合金 铁磁性阻尼合金，其阻尼机制是在受到外界的交变振动时，合金中的磁畴 1 0 f e c r - m o 高温高阻尼合金的研究 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 c o ，f e t i ，f e c r a 1 ，f e c r m o 等) ，镍基合金( n i c o ) 等。 铁磁性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， 移动较容易，内耗就较高；在达到磁饱和时，阻尼性能锐减，甚至消失；使用 温度较商，可达3 0 0 以上。铁磁性型阻尼合金的最大优点就是其阻尼性能的 热稳定性好，在室温至3 0 0 ( 或更高一些) 的温度区间内，其阻尼性能几乎 不随温度发生改变。 1 3 3 阻尼合金的性能特点 这些阻尼合金各有其特点，从阻尼机制类型看，复相型阻尼合金的阻尼机 制属于动滞后型( 线性) ，其阻尼性能与温度和频率有关，而位错型、孪晶型和 铁磁性型阻尼合金的阻尼机制则属于静滞后型( 非线性) ，其阻尼性能与振幅有 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。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 ，点温度以上不能使用。铁磁性型阻尼合金具有较好的耐蚀性能， 加工性能和焊接性能，可在居里点温度下使用，但需热处理，在强磁场和静载 荷下阻尼性能明显下降。此外，除位错型阻尼合金外，其余三种阻尼合金的密 度都很大，通常超过5 1 0 3 k g m 3 。现在就在下表中对它们的各方面的特点作一 个简单的对比，如表卜1 ”“： 表1 - 1 阻尼合金的性能特点 最高使用时效与变形振与频率与磁场 特性 热处理 温度( )变化幅的关系 关系关系 复相型不需要 1 5 0 无小有无 孪晶型需要( 难) 8 0 大中无无 位错型不需要 1 5 0 无 中无无 铁磁型需要( 易)3 0 0 以上 无大无有 四川大学硕士学位论文 表1 - 1 阻尼合金的性能特点( 续) 强度塑性成 特性耐腐蚀气蚀表面硬化处理焊接性 n m m 2加工 太 复相型差9 8可能 难难 低 孪晶型稍差 5 8 8 可能 难容易高 位错型稍差 1 9 6 不行不行难高 铁磁型好4 4 1容易良好容易低 从上表可以大致看到铁磁型阻尼合金使用温度高，耐腐蚀性好，强度高， 加工容易，成本低，是一种良好的结构功能材料，这类合金也是本论文工作研 究的重点。 1 4 铁磁性阻尼合金的研究近况 正如前面讨论的那样，四种基本类型的阻尼合金有着各自的特性和适用条 件。复相型的a 1 - z n 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 。铁磁性的f e c r 基、f e a l 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，更重要的是其高阻尼性能可以从室 温一直保持到3 0 0 ( 或更高) 的高温条件下，因而也就自然成为本论文工作 的研究对象。 1 4 1铁磁性阻尼合金的基本问题 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 ) 观涡流( m a c r oe d d yc u r r e n t ) 内耗； f e c r - m o 高温高阻尼合金的研究 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。 铁磁性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瞌6 1 。 宏观涡流内耗是振动应力作用下通过磁致伸缩反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，则其磁机械滞 后阻尼就越大。 i 4 i 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： 6 l _ z c 2 e 1 a 丁2 r 一2 f s f 瑶序 ( 1 1 3 ) ( 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，q = 0 ，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