功能材料课件：第三章 弹性合金与膨胀合金一

1、第三章 弹性合金与膨胀合金（一）弹性合金与减振合金主要内容一、弹性合金二、减振合金一、弹性合金（一）金属与合金的弹性（二）高弹性合金（三）恒弹性合金（一）金属与合金的弹性1、弹性模量弹性是材料对弹性变形的抗力指标。根据所受应力态不同有如下表现形式：正弹性模量（杨氏模量）E，表示材料在正应力作用下抵抗正应变的能力，即：E（MPa)式中应力，MPa应变，%切变模量G，表示材料在切应力作用下抵抗切应变的能力，即：G（MPa)式中 切应力，MPa 切应变，%弹性模量E与G之间的关系还可以表示为E2G（1）式中泊松比，表示材料纵向变形与横向变形之间关系（一）金属与合金的弹性（一）金属与合金的弹性2、弹性

2、模量温度系数弹性模量E(G)随温度变化而变化，用E(G)表示温度变化1时弹性模量的相对变化，即：E（ 1/)G（ 1/)1EGdEdTdTdG1（一）金属与合金的弹性3、频率温度系数弹性元件在动态应用中(如用作频率元件)，常要求频率温度系数这一指标，即表示材料的共振频率随温度的变化，用f表示：f （ 1/)式中f0 材料的共振频率f0dfdT1（一）金属与合金的弹性同一材料在同一振动模式下，它的弹性模量温度系数E与频率温度系数f之间的关系为：E 2 f 式中材料的线膨胀系数（一）金属与合金的弹性4、铁磁材料的弹性反常 一般金属与合金的弹性模量随温度升高而减小，0，这是正常变化。而一些铁磁性金属

3、和合金的弹性模量，在室温附近的一定温度范围内变化很小(0) ,甚至增加(0) ，这属于弹性模量的反常变化，称弹性反常。（一）金属与合金的弹性在居里温度Tc以下某一温度范围，铁磁材料的E可用下式表示：EEpEEp(E+E+ EA)式中Ep 顺磁状态下材料的弹性模量；E力致线性伸缩引起E值的变化；E力致体积伸缩引起的E值的变化；EA由自发体积磁致伸缩引起的E值的变化。（一）金属与合金的弹性EEpEEp(E+E+ EA)由上式可知，铁磁材料的E是由Ep和E两部分组成，因此E随温度的变化也应由这两部分的温度系数所构成。 Ep随温度升高而减小，但这一减小可由E效应随温度的变化进行补偿，从而使材料的E值随

4、温度变化很小(0) ，如果超量补偿，则可使E值随温度升高而增加(0) ，出现弹性反常变化。（一）金属与合金的弹性对不同材料，E效应中的各分量E、E、 EA所占分数不同，所以E承受温度的变化表现出不同的特征。对于0的弹性合金，其为埃林瓦合金(Elinvar)，即恒弹性合金。顺磁性、反铁磁性金属与合金也具有弹性反常行为，因此也可获得恒弹特性。（二）高弹性合金高弹性合金：具有高的弹性模量，E=180200GPa性能特点：高弹性模量、高弹性极限高强度、高硬度、高疲劳强度、小弹性后效耐腐蚀、耐高温、无磁良好的加工与焊接性能用途：航空仪表和精密机械中的各种弹性元件，如：波纹管、膜片、膜盒、螺旋弹簧、板簧、

5、钟表发条、轴尖。（二）高弹性合金膜片膜片：圆形膜状的弹性敏感元件。当膜片的两面受到不同的压力（或力）的作用时，膜片向压力低的一面应变移动，使其中心产生与压力差成一定关系的位移。可用于仪表中测量流体应力的变化。（二）高弹性合金1、铁基高弹性合金2、铜基高弹性合金3、镍基高弹性合金4、钴基高弹性合金（二）高弹性合金1、铁基高弹性合金：典型材料：Ni36CrTiAl (3J1)工作温度250Ni36CrTiAlMo5 (3J2) 工作温度350Ni36CrTiAlMo8 (3J3) 工作温度400特点：淬火状态塑性好，可以冷加工成型，可以时效强化，机械性能和弹性性能好，无磁，耐腐蚀。Ni36CrTi

6、Al (3J1)合金的成分质量比：Ni=34.5%36.5%, Cr=11.5%13.0%, Ti=2.7%3.2%, Al=1.0%1.8%, C0.05%, Si 0.08%, Mn1.00%, Fe 余量。（二）高弹性合金Ni36CrTiAlMo5 (3J2)合金中合金元素的作用Ni：扩大相区，稳定奥氏体组织，保持塑性和低温韧性；形成面心立方的相Ni3(Ti、Al) 和密排六方相（Ni3Ti ）。Cr：提高合金电极电位，增强耐腐蚀性能；溶与基体中，提高弹性模量；增加析出相数量，起到固溶强化作用。Ti、Al：时效时形成面心立方的强化相。Ti的强化效果好，Al促进相形核，增加析出量，提高合金

7、强度。Ni36CrTiAlMo5 (3J2)合金中合金元素的作用（二）高弹性合金Mo: 增加合金的高温强度，提高合金的使用温度；稳定相，使相聚集和相相的转变速度大大降低，提高热稳定性和抗松弛能力。C：有害元素。生成TiC降低Ti的强化效果；生成Cr23C6降低耐腐蚀性能Ni36CrTiAlMo5 (3J2)合金的热处理工艺（二）高弹性合金1）标准热处理工艺：固溶处理时效。固溶：温度900950。时效：温度650700，保温4h，空冷，得到相混合析出结构。兼顾强度和塑性。Ni36CrTiAlMo5 (3J2)合金的热处理工艺（二）高弹性合金2）形变热处理工艺：固溶+冷变形+时效固溶：温度9009

8、50冷变形：变形率大于50%，细化亚结构，加速时效时相析出结构。时效：温度650700，保温4h，空冷，得到相混合析出结构。提高强度和硬度，降低了塑性。Ni36CrTiAlMo5 (3J2)合金的热处理工艺（二）高弹性合金3）二次淬火形变热处理：固溶处理冷变形二次淬火时效。固溶：温度900950冷变形：变形率大于50%，细化亚结构。二次淬火：快速加热，短时保温，促使位错重排，形成稳定的多边结构，诱导后续时效时相沿位错网析出。时效：温度650700，保温4h，空冷，得到相混合析出结构。提高弹性极限，保持良好塑性。（二）高弹性合金Ni36CrTiAl合金性能（二）高弹性合金2、铜基高弹性合金1）冷

9、加工成型，低温回火型：铜锌、铜锡磷2）淬火后冷加工，再时效处理型：铍铜、钛铜（二）高弹性合金3、镍基高弹性合金：耐热性和低温韧性好。高强、高导电性：Ni-Be合金高耐蚀性：Ni-Cu蒙乃尔（Monel）合金高温型：Nimonic合金4、钴基高弹性合金：成分：Co=3845%，Cr+Ni=1020%，其他元素Fe、W、Mo、Ti、Al。（二）高弹性合金典型合金：如Co40NiCrMo（3J21)/ Co40NiCrMoW（3J22）特点：储能能力高，弹性后效小、耐蚀性高、 工作温度400500。 综合性能最好。（三）恒弹性合金恒弹性合金：在一定的温度范围内，材料的弹性模量（或共振频率）随温度变化

10、很小或者不变。性能特点：小的或恒定的弹性模量温度系数（E）高弹性模量E、高强度高机械品质因数Q时间稳定性好用途：电器设备和精密仪器中的机械零件，如：音叉、表游丝、延迟线、机械滤波器振子、传感器中的振动筒、振弦。（三）恒弹性合金音叉音叉是“Y”形的钢质或铝合金发声器，各种音叉可因其质量和叉臂长短、粗细不同而在振动时发出不同频率的纯音。可以用来取“标准音”：钢琴调律过程中十分重要的环节之一 。游丝是钟表里一种很细的弹簧，盘绕在摆轮周围，用以控制摆轮做等时往复运动。游丝有效长度的变化决定了摆轮的惯性力矩与振幅周期。游丝是影响走时准确的因素之一。（1675年，由荷兰人惠更斯发明）（三）恒弹性合金游丝（

11、三）恒弹性合金1、铁磁性恒弹性合金Fe-Ni基合金典型材料：Ni36Cr12Elinvar合金1）碳化物强化型2）金属间化合物型（三）恒弹性合金Fe-Ni基合金典型材料：Ni36Cr12埃林瓦（Elinvar）合金1、铁磁性恒弹性合金1）顺磁性恒弹性合金：Nb基、Nb-Ti基和Ti基合金。2）反铁磁型恒弹性合金：Fe-Mn、Mn基和Cr基合金。（三）恒弹性合金2、无磁恒弹性合金1）小温度系数恒弹性合金：Ni42CrTiAlE210-7 1/2）高Q值恒弹性合金：Fe-Ni-Mo合金在Ni42CrTiAl基础上用Mo替代Cr，Q250003）非晶态恒弹性合金：Fe-B、Fe-P、Pd-Si合金等

12、（三）恒弹性合金3、特殊性能恒弹性合金二、减振合金（一）引言金属与合金的内耗与滞弹性（二）减振合金噪声的主要来源交通噪声: 包括机动车辆、船舶、地铁、火车、飞机等发出的噪声工业噪声: 工厂的各种设备产生的噪声。建筑噪声: 主要来源于建筑机械发出的噪声。社会噪声：包括人们的社会活动和家用电器、音响设备发出的噪声。交通噪声已成为城市的主要噪声来源 振动和噪声污染是当前三大公害之一！保护人类健康需要减振降噪。先进武器装备发展需要减振降噪攻击型武装直升机引言攻击性潜艇2009年2月初，一艘英军的“先锋”级战略导弹核潜艇与来自法国的“凯旋”级战略导弹核潜艇在大西洋中部发生“碰撞”， 英国“先锋”级核潜艇

13、法国“凯旋”级核潜艇引言减振降噪的方法：改进机械设计附加隔音装置采用减振合金引言减振合金高阻尼材料利用合金内部所具有的大的内耗值，对机械或装置等的振动基噪声起控制作用，从而达到减振降噪的目的。内耗来自于材料的滞弹性金属与合金的滞弹性滞弹性（弹性不完整性）：对实际弹性体，在弹性变形范围内，应力与应变之间是一种非线形关系。弹性敏感元件要求弹性不完整性越小越好；减振合金要求弹性不完整性越大越好。内耗是弹性不完整性的表现形式之一金属与合金的滞弹性弹性后效 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。弹性后效示意图实际材料在发生弹性变形时，应变会

14、落后于应力，且与时间有关，这就是弹性后效。金属与合金的滞弹性弹性滞后 在弹性变形范围内反复加载和卸载，由于弹性后效，其应力应变曲线呈现一个闭合环，这就是弹性滞后弹性滞后示意图出现弹性滞后时，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。这种滞后回线所包围的面积代表应力一个周期内在材料中的能量损耗（u）金属与合金的滞弹性-内耗对弹性和频率元件要求内耗小，以减少能量消耗，提高精度和灵敏度。对高阻尼材料（即减振合金）要求内耗高，以达到减振降噪的目的。研究内耗的意义：内耗：金属材料在振动过程中，即使与外界完全隔绝，其振动机械能也会由于弹性不完整性而转变成热能，使振动逐渐停止，从而导致能

15、量的损耗。减振系数：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。 内耗的表述W振动一周能量的消耗； W振动一周的总能量；An和An+1第n次和第n+1次振动的振幅，用扭摆法或共振法测量 减振系数对共振曲线和自由衰减曲线的影响(f为振动频率；fr/2为材料的固有频率)。内耗的表述减振系数 金属强度与减振系数的关系 金属的特点之一是强度高。但现代的机器、仪表等构件除了要坚固以外，还要求体积小、稳定度高、精度高和噪音小等。这就要求材料要同时具备高的强度和高的减振系数。 常用减振系数与强度的乘积 来比较实际材料的减振性能。内耗的表述减振系数与强度 10：有色金属10

16、0：钢铁1000：减振合金内耗的表述减振系数各种金属材料的强度和减振系数。振动系统的品质因子Q ：减振系数和Q-1的的近似关系为： Q-1 内耗的表述W振动一周能量的消耗； W振动一周的总能量；减振合金的分类及阻尼机制类别阻尼机制 /%合金系复相型 由两相或两相以上的复相组织构成，第二相与基体界面上发生塑性流动或第二相产生塑性变形而消耗能量10202030Fe-CZn-Al铁磁型 伴随着由变形而引起的磁畴壁非可逆移动而产生的磁-机械静滞后作用造成能量损耗2030纯Fe,Fe-Cr,Fe-W,Fe-Mo,Fe-Co,Fe-Si, Co-Ni系合金孪晶型 与马氏体中的孪晶界或母相与马氏体相界移动有

17、关的能量损失3040Mn-Cu, Ti-Ni, Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al, Mn-Cu-Al位错型 晶体中的滑移位错与杂质原子相互作用导致的机械静滞后造成的能量损耗4060纯Mg,Mg-Zr减振合金减振合金1. 复相型减振合金：由两相或两相以上的复相组织构成，第二相与基体界面上发生塑性流动或第二相产生塑性变形而消耗能量。 如：Fe-C、Zn-Al 片状石墨铸铁(灰口铁)，通过铸铁内石墨的粘性和塑性变形而产生减振效应。球墨铸铁经过特殊处理后可以轧制，于是球状石墨变为片状石墨增加了减振能力。 1020 减振合金2. 铁磁型减振合金：铁磁性材料在机械振动时存在附加的磁损耗，包括宏观涡流、

18、微观涡流和磁机械静滞后3种损耗。磁机械静滞后是合金在交变应力作用下，合金内的磁畴壁发生不可逆移动而产生的磁-机械静滞后，在应力应变曲线上出现滞后回线，造成能量损耗。随应变振幅增加内耗大幅度提高。减振合金典型的铁磁型减振合金：如Fe-Cr、Fe-W、Fe-Cr和Fe-Mo系合金。 2030 提高内耗的方法：使尽可能多的磁畴壁产生不可逆移动即在合金化和加工中尽量消除阻碍磁畴壁移动的因素，如杂质和内应力。方法：高温退火、控制晶粒大小和杂质原子析出。材料特点：使用温度较高、性能稳定、易于加工成型、价格便宜。减振合金 铁磁型减振合金内耗3. 孪晶型减振合金：马氏体中的孪晶界或母相与马氏体的相界，在振动的

19、外应力作用在发生移动，产生非弹性应变而使应力松弛，从而使外加振动和热能耗散，形成对振动的阻尼衰减机制。其使用温度由马氏体相变温度决定：马氏体相变温度Ms越高使用温度越高， Ms越以上孪晶引起的内耗机制消失。减振合金减振合金典型的孪晶型减振合金：Mn-Cu、Ti-Ni、Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、 Mn-Cu-Al。 3040。Mn-Cu合金：马氏体相变温度随Mn含量增加而上升。在马氏体态使用时，微观组织为极细的孪晶结构。由于外力和正方度引起的晶格畸变相互作用，使孪晶界发生移动，出现内耗。加大应变振幅可以提高内耗值。特点：强度、韧性、延展性和可切削性好。加入Al可提高耐海水腐蚀性能，可用于螺旋桨等海洋设备。但Mn含量越高合金加工性能越差。减振合金4. 位错型减振合金：晶体组织中有析出