книги / Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов
..pdfмартенсит частично или полностью остается после снятия нагрузки, тогда петля гистерезиса появляется в открытой форме (петля е) с участком остаточной деформации. Для практического применения этого класса высокодемпфирующих сплавов имеет значение замкнутый ха рактер петли гистерезиса при температурах, меньших и до Г0. В вибропоглощающих сплавах стремятся уменьшить гистерезис обратимо го мартенситного превращения, расширить его температурный интервал
— Л/к и повысить градиент механоупругости dVM/V0da; где с/1//1/0 — относител ьное количество приращения мартенсита при увеличении внеш него напряжения на da. Когда приложенное напряжение активирует дополнительно появление высокотемпературной фазы, описанная схема структурообразования и формирования демпфирующих свойств услож няется.
Высокий уровень рассеяния энергии сплавов с обратимым мартенсит ным превращением при более низких температурах во многих случаях обеспечивается другими источниками затухания колебаний — упругого двойникования (например, марганцевомедные сплавы), обратимого перемещения межфазных границ между различными модификациями мартенсита закалки (нитиноль, сплавы меди и другие системы).
Процессы упругого внутреннего двойникования при фазовом пере ходе и мартенситного превращения имеют общие черты (рис. 75, г ). Конечные структуры можно представить схемой формоизменения ис ходной решетки без изменения ее размеров. Релаксация напряжений при перестройке в процессе упругого мартенситного превращения может привести к когерентному сдвигу или к двойникованию. Образование новых двойников в поле напряжений и их исчезновение после снятия нагрузки экспериментально наблюдали в сплаве Мп — 30 % Си (Биршон). Границы двойников такого рода обладают чрезвычайно высокой под вижностью. Гистерезисное рассеяние энергии при образовании и исчез новении двойников и миграция их границ в поле действующих напряже ний обусловливают значительное рассеяние энергии в сплаве.
Во многих сплавах на температурных зависимостях внутреннего тре ния (ТЗ В Т) удается наблюдать релаксационные максимумы, обуслов ленные миграцией границ двойников и фазовым переходом ГЦ К (ку бическая) — ГЦ К (тетрагональная) решетка в поле действующих малых напряжений.
На рис. 76 кривые ТЗ В Т показаны для порошкового сплава Мп — Си (частота колебаний 0,8 кГц, амплитуда деформации 10Г6 ); здесь вблизи комнатных температур проявляются пики внутреннего трения, связан ные с миграцией границ двойников (А) и с фазовым превращением (В). В области температур фазовой перестройки имеет место аномальное из менение модуля Юнга. В литературе существует несколько гипотез о механизмах миграции границ между матричной и мартенситной фазами, а также границ двойников, возникших внутри мартенситной фазы в
161
процессе превращения (например, модель ступенчатообразного кольца Сумино, гистерезисное движение мартенситных границ раздела [145] и др.).
Для сплавов с эффектом памяти формы используют системы с широ кой петлей гистерезиса, вызванной термоупругим мартенситным превра щением. Кроме эффекта памяти и сверхупругости, сплавы этого класса обладают высоким уровнем демпфирования в достаточно широком интервале температур (In — Tl, TI — Ni, Си — AI — Ni и др.). Наиболее сильно эти эффекты выражены в монокристаллах. Для неферромагнит ных металлических материалов с эффектом памяти уровень демпфиро вания в мартенситной фазе при всех амплитудах выше, чем в исходной, и определяется количественным соотношением фаз (рис. 77) [146].
При большом содержании мартенсита максимальное затухание коле
баний в |
сплаве Си — AI — Ni достигается |
при амплитудах деформации |
~ 3 -1СЗГ4. |
В двухфазных сплавах (In — Tl, |
Си — Zn, Си — Z n -S n и др.) |
вблизи температуры фазового перехода внутреннее трение начинает воз растать, и чем больше мартенситной фазы в сплаве, тем при меньших амплитудах напряжений достигается максимальное демпфирование. Систематические исследования показали, что в зависимости от ориента ции кристаллы со структурой мартенситной фазы могут быть упругими и неупругими. Демпфирующая способность неупругих кристаллов до стигает фл = 90 % при е= 1,5 •10Т3, она обусловливается движением гра ниц двойников и дефектов упаковки.
Наиболее пристальное внимание в настоящее время уделяется систе мам Мп — Си, Си — AI — Ni, Си — AI — Мп, Си — Z n — Sn, N i— Ti, Fe — Ni— Cr,
ОГЧо4 £-1СГ*,МПа агЧо*
Р и с . 76. Температурные зависимости внутреннего трения и модуля нормальной упругости закаленного и отпущенного сплава системы Мп - Си
«
Р и с . 77. Амплитудные зависимости внутреннего трения сплава системы Си — AI - Ni в интервале температур термоупругого мартенситного превращения (146]. Циф ры у кривых — температура испытания
162
Fe — Мп, в которых в результате термической обработки (закалки) мо жет возникать одновременно несколько упругосвязанных модификаций мартенсита с различным чередованием плотноупакованных слоев: 4Н (A B A C ), 9Р (АВСВСАСАВ) и 12Р (АВСАСАВСВСАВ) и др. Подробно эти вопросы рассмотрены в монографии [116].
Марганцевомедные сплавы
Сплавы этой системы получили широкое применение в качестве мате риалов, обладающих высокой демпфирующей способностью, эффектами памяти формы и элинварности в климатическом интервале температур. Практическое использование в качестве вибропоглощающих находят
сплавы |
с содержанием марганца |
от 60 до 85 % |
(например, Г75Д25, |
|
Г70Д30, |
Г65Д35, Г60Д40, Г72Д23Н5 и д р .), имеющие после соответст |
|||
вующей |
термической обработки |
структуру мартенсита с относительно |
||
устойчивой гранецентрированной |
тетрагональной |
решеткой; механиче |
||
ские |
свойства: ов = 500^600 МПа, о0 2 = 250-г350 МПа, 5 = 20-г30 %. |
|||
Для |
деформированных двойных марганцевомедных сплавов оптималь |
ными режимами термической обработки, обеспечивающими высокий уровень демпфирующей способности, являются: закалка с 820°С, охлаж дение в воде и отпуск при 400°С, 10 ч (или при 450°С, 3 ч ). Для литых сплавов продолжительность отпуска в 2 — 3 раза меньше [ 116]. Достигае мый уровень демпфирования фД= 30 — 50 % при амплитуде деформации 0,75 *1(Г3. Демпфирующая способность порошковых Мп — Си сплавов значительно выше, чем у литых того же состава [ 147].
Источниками рассеяния энергии в марганцевомедных сплавах являют ся процессы обратимого двойникования, обратимого смещения границ между матричной и мартенситной фазами в области температур мартен ситного превращения и границ антиферромагнитных доменов в мартен сите. Поэтому при температурах выше температур интервала обратного мартенситного превращения (100— 200°С), при которых тетрагональная гранецентрированная решетка трансформируется в кубическую гране центрированную, демпфирующая способность сплавов значительно сни жается. Фазовый переход сопровождается аномальными изменениями объема образцов и их упругих характеристик [ 148].
Влияние амплитуд напряжений на внутреннее рассеяние энергии спла ва Г75Д25 после оптимизирующей термической обработки в случае взаимосвязанных изгибно-крутильных колебаний показано на рис. 78 [149]. Воздействие циклических касательных напряжений наиболее эффективно. При независимых колебаниях рассеяние энергии зависит от соотношений амплитуд и частот составляющих колебаний. Авторы работы [ 149] утверждают, что во всех случаях варьирования амплитудой сопутствующего колебания или наложения статических напряжений изменение рассеяния энергии литого сплава Мп — Си менее значительное,
163
Рис. 78. Амплитудные зависимости декремента колебаний взаимосвязанных изгиб- но-крутильных колебаний литого сплава Г75Д25 для различных значений к - ая!тл [149] 8 8
чем деформированного. Более высокий уровень затухания в литых спла вах объясняют их химической неоднородностью (в сплаве Г75Д5 содер жание Мп в осях дендритов составляет 85— 90 %, в междендритных об ластях 55— 60 %. В зонах, обогащенных марганцем, в процессе литья протекает мартенситное превращение. В поле знакопеременных цикличе ских нагрузок в этих областях реализуется обратимое перемещение двойниковых границ в возникших мартенситных криталлах, а также двойниковых границ между мартенситом и исходной матрицей.
Воздействие легирующих элементов на демпфирующие свойства Мп— Си сплавов зависит от их взаимодействия с основными компонента ми [116] — растворяются ли они в 7 -фазе или образуют новые фазы. В первом случае их влияние невелико, во втором — более существенно. Образование твердых и хрупких интерметаллидных включений снижает способность сплава рассеивать энергию приложенных колебаний. Свинец, находясь в свободном состоянии, способствует росту демпфирующей способности сплавов, увеличивает их износостойкость и улучшает обра батываемость резанием (Г66ДЗЗС, Г64Д32С4, Г70Д20Н2, 5Ж2С).
Анализ результатов многочисленных исследований свойств и структу ры Мп — Си сплавов показывает, что они обладают большой склонностью к концентрационному расслоению твердого раствора, не подавляемому даже при закалке из гомогенной 7 -области. По данным Е. Е. Попова и Э. Н.Спектор, в сплавах, содержащих более 45 % Мп, имеет место нало жение двух конкурирующих процессов: обогащения марганцем облас тей, обедненных им в процессе охлаждения от температуры нагрева под закалку до значений ниже предела растворимости в 7 -твердом растворе,
164
и процесса расслоения матричного твердого раствора с образованием обогащенных и обедненных марганцем областей. При термической или термоциклической [ 150] обработках демпфирующих сплавов системы Мп — Си (45— 75 % Мп) должны быть оптимизированы время гомогени зации и режимы заключительной термической обработки.
Медноалюминиевые, медноцинковые и меднооловянные сплавы
Высокая демпфирующая способность закаленных сплавов на медно алюминиевой основе обусловлена наличием в структуре обратимого мартенсита [116, 119]. К медноалюминиевым сплавам высокого демп фирования относят двойные бронзы с 10— 14 % AI и тройные, содер жащие дополнительно 1 — 5 % Ni или Мп. Мартенситное превращение при
закалке инициирует переход упорядоченной по типу Fe |
решетки |
ОЦК-сплава в гексагональную (а = 0,260 нм, с/а^ 1,62). |
Вызванное |
внешней нагрузкой превращение обусловливает появление "наведенно го" мартенсита с иным чередованием атомных слоев. Добавки Мп, Ni, Со в состав бронз вызывают сужение температурного интервала гистерезиса
обратимого |
мартенситного превращения (например, 40°С для |
бронзы |
с 14,2 % AI, |
10°С при дополнительном легировании никелем); |
неодно |
значно и существенно воздействие режимов и способов термической об работки на положение температур мартенситного превращения [151].
Алюминиевые, алюминиевоникелевыэ и алюминиевомарганцевые бронзы сочетают высокие демпфирующие и механические свойства. Бронза БрАН13— 3 в закаленном от 950°С состоянии имеет фд = 50 %
при о« |
(0,2 — 0,4) от, ов = 450 МПа, 6 = 5 %; |
после старения при 300°С |
1 ч - |
= 30 %, ов до 840 МПа. Область |
температур использования |
бронзы как демпфирующего материала ограничена 40— 50°С.
После закалки сплавов на медноцинковой основе ОЦК реШетка трансформируется в плотноупакованные решетки нескольких видов, мартенсита с различной укладкой и степенью упорядочения. Модифика ции 0' и 0" мартенсита меняют степень тетрагональнрсти от 1 (30 % Zn)‘ до 0,94 (42 % Z n ). Температура мартенситного превращения с ростом содержания цинка в сплаве линейно уменьшается. Элементы Си, Ад, Аи, Cd, In, Si, Ge, Sn, Sb понижают, a Ni повышает температуру мартенсит ного превращения [ 152]. В области мартенситного превращения, кроме хорошо известной нелинейной неупругости при малых деформациях, обнаружена неупругость при больших деформациях, связанная с релак сационными процессами (эксперименты проведены на сплавах системы Си — AI — Ni) | 153]. Демпфирующая способность фД латуней достигает 25— 35 % при ош~ 100— 500 МПа. Во всем интервале температур ниже Мн уровень демпфирования остается высоким.
Перспективным направлением в области создания промышленных
165
вибропоглощающих конструкционных сплавов на медной основе являет ся разработка двухфазных сплавов, структура которых после закалки срстоит из пластичного a-твердого раствора и /^мартенситной фазы [154].
Изучено [ 155] влияние легирования на количественное соотношение фаз, демпфирующую способность и механические свойства (а + 0) -спла вов на медной основе в закаленном состоянии. Учитывая экономические и технологические ограничения, в качестве легирующих элементов выб раны алюминий, олово, цинк и кремний. Экспериментально построенные зависимости количества 0-фазы от электронной концентрации для всех видов систем показали, что положение границ фазовых областей на ди аграммах состояния исследованных систем определяется электронной
fyfi QtSг %
10
в
6
4
2
О
6
4
2
о |
го |
чо |
во |
во юо |
р-раза, % (объемн.).
Рис. 79. Зависимость декремента колебаний при состава закаленных сплавов
Рис. 80. Связь демпфирующей способности с пределом текучести в сплавах с фазо вым превращением
166
концентрацией и температурой и при постоянных их значениях не зави сят от соотношения химических компонентов. Задача выбора концентра ционной области для оптимизации состава многокомпонентного (а + 0 )- сплава на медной основе по демпфирующей способности сведена к уста новлению зависимости декремента колебаний от фазового состава в двух- и трехкомпонентных системах (рис. 79) и последующему опреде лению интервала электронных концентраций для разрабатываемых сис тем.
Зависимость демпфирующей способности (а +0) -сплавов от количест венного соотношения фазовых составляющих адекватно описывается выражением кЪ=аъ ![а2 + (х — Ь)2], где 6— декремент колебаний, %, при заданной гомологической по отношению к пределу текучести амплитуде
напряжения; х — количество 0-фазы, % (объемн.); |
а и Ь — постоянные |
для данной системы компонентов коэффициенты; |
— масштабный мно |
житель. |
|
Методами математического планирования эксперимента определен состав сплава, обладающего максимальной демпфирующей способностью при временном сопротивлении разрыву ов> 450 МПа и относительном удлинении > 12 %. Разработанный авторами работы [155] сплав являет ся двухфазным и после закалки его структура состоит из 55— 65 % (объемн.) мартенсита и 35— 45 % 0-фазы. Демпфирующая способность превосходит известные конструкционные сплавы на той же основе на по рядок (б0>1 = 2+3%).
Учитывая, что природа деформационного превращения и демпфирую щей способности в закаленных сплавах с обратимым мартенситным превращением одинакова [156, 157], в работе [158] рассмотрена воз можность корреляции между значением от, обусловленным фазовым превращением в мартенсите под действием напряжений, и уровнем рас сеяния энергии на тройных и четверных 0-сплавах на основе систем Си - AI - Zn, C u - A I - Z n - Мп.
Характерной особенностью всех исследованных сплавов является на личие двух пределов текучести на деформационных кривых растяжения. Первый из них, имеющий меньшее значение, соответствует пределу те кучести фазового превращения rfj? и обусловлен перестройкой кристал лической решетки термического мартенсита, образованного в процессе закалки под действием внешних напряжений. Второй предел текучести от соответствовал началу дислокационного скольжения, выше которого наблюдали необратимое макроскопическое формоизменение материала.
На рис. 80 представлена зависимость декремента поперечных колеба ний при напряжениях, составляющих 0,3а0>2 от оФ для шести сплавов. Обнаружена обратная линейная связь между оФ и уровнем демпфирова ния. Рост </Ф и снижение уровня рассеяния энергии связано, по данным авторов, с повышением стабильности термического мартенсита к дейст вию внешних нагрузок благодаря релаксации упругой энергии при обра
167
зовании большого числа двойников в его иглах. Дополнительное легиро вание сплавов Си — AI — Zn кадмием меняет морфологию мартенсита и повышает демпфирующую способность в закаленном состоянии [1 44 ]. В последнее время уделяется большое внимание изучению влияния слу жебных характеристик на демпфирующие свойства таких материалов [159].
Вмеднооловянных сплавах демпфирующая способность реализуется
врезультате мартенситного превращения, связанного с перестройкой высокотемпературной, упорядоченной по типу Fe у\1-фазы с ОЦК ре шеткой в плотноупакованные модификации мартенсита. Область сущест вования jS-фазы находится между 22 и 27 % Sn (по массе). Обратное превращение идет со значительным температурным гистерезисом. При этом перемещение межфазных границ приводит к рассеянию энергии в сплаве.
Никель-титановые сплавы (нитинолы)
Вибропоглощающие сплавы этой группы строятся на основе твердых растворов на базе интерметаллического соединения мононикелида тита на, содержащих от 48 до 54 % Ni. При закалке сплавов нитинол высоко температурная /3-фаза с упорядоченной ОЦК решеткой переходит в мартенсит с различными модификациями укладки плотноупакованных плоскостей [143]. Температура мартенситного превращения зависит прежде всего от состава сплавов и находится в интервале температур от 120 до — 60°С. Демпфирующие свойства сплавов нитинол реализуются в области температур мартенситного превращения вследствие смещения межфазных и двойниковых границ в мартенсите (например, в сплаве Т45Н55 по схеме В2-*В19, в сплаве Т44Н53Ж по схеме В2-*/?-*В19). Высокая демпфирующая способность обусловлена структурой R, эф фект запоминания формы — появлением структуры В19.
В области температур превращения демпфирующая способность спла вов нитинол составляет при малых амплитудах 5 — 10 %, при больших 20 — 30 %. Сплавы коррозионностойки, с достаточно хорошим комплек сом механических свойств. Например, нитинол с 49,5 % Ni после закалки от 800°С в воде имеет ав = 800-^850 МПа, о0 2 = 300-г350 МПа, о_г =
=490 МПа, 6 = 15 % [ 222].
А. К. Диваковым и В. А. Лихачевым исследованы демпфирующие свойства систем Ni — Ti и Ni — Ti — Си. Наиболее высокий уровень затуха ния отмечен для сплавов с атомной долей меди 12 и 25 %. В то же время
Ю.К.Фавстовым отмечается возможность значительного повышения демпфирующей способности стандартных титановых сплавов (ВТЗ-1, ВТ9, ВТ14 и др.) благодаря оптимизации режимов термической обработ-
1 Сообщения на IV НТК ''Демпфирующие металлические материалы", г. Киров,
1984.
168
Сплавы на основе железа
В марганцевых (35Г17, 45Г18), хромоникелевых и хромомарганце вых сплавах (Х15Н15, 10Х18Н9, 40Х4Г18) после соответствующей тер мической обработки наряду с остаточным аустенитом и а-мартенситом образуются е'-, е- и х'-модификации мартенсита [160]. В ряде случаев мартенситное превращение имеет обратимый характер по схемам:
е ^ а , у ^ е , e^ct. е - и 6-фазы, представляющие собой многослойные дефекты упаковки с регулируемой периодичностью, образуются при относительно низких значениях энергии дефектов упаковки (100* 10Г7; 20* 1СГ7 Дж/см2) , что достигается в сталях при легировании марганцем и хромом. Имеются данные о двойниковании аустенита в Fe — Мп спла вах как о механизме релаксации напряжений и аккомодации дислокаций несоответствия при пластической деформации и фазовых iy-*a, 7~*е)- превращениях [1 61]. Авторы указывают, что образование дефектов упаковки в сплавах имеет вакансионную природу.
Имеются попытки установления корреляционных связей между виб ропоглощающей способностью и степенью тетрагональности сплавов при изменении их составов [162]. Демпфирующая способность сплава же леза с 18 % Мп увеличивается с повышением содержания 6-фазы в струк туре (рис. 81) до 5 0 -6 0 % (при а= 150 М П А ,^ = 20 %) [ 163]. Норми
Рис. 81. Зависимость демпфирующей спо- |
0*— |
30 |
50 |
70 |
собности сплава Fe — 18 % Мп от фазового |
10 |
|||
состава {количества е-фазы) |
|
e-tpasa, % |
|
рование 6-фазы достигалось путем изменения технологических факторов (закалка, скорость охлаждения, время выдержки при нагреве). Показа на возможность увеличения количества е-фазы термоциклированием.
5. Сплавы с низким коэффициентом затухания ультразвука
Сплавы со специальными акустическими свойствами ультразвукового диапазона частот чрезвычайно перспектив: 1ы для использования в ка честве звукопроводов ультразвуковых линий задержки в системах
169
радиолокации, электронно-вычислительной технике и цветном телеви дении. Линии задержки характеризуются типом ультразвуковых волн, формой и размерами звукопровода, материалом звукопровода, парамет рами преобразователей электрических колебаний в ультразвуковые и согласованием их со звукопроводом. Время задержки и рабочая частота ультразвуковых колебаний колеблются в промышленных системах от микродо миллисекунд, полоса частот — от менее 1 до более 250 МГц. В качестве преобразователей используют пластины пьезокристаллов или пьезокерамики. При высокой частоте подводимых электрических колебаний толщина пластинок не удовлетворяет требованиям по механи ческой прочности. В СССР проведены значительные комплексные иссле дования по разработке специальных сплавов с низким уровнем затуха ния ультразвука, что позволило реализовать их внедрение в промышлен ность.
В основу теории затухания ультразвука, развитой С. Я. Соколовым, Л . Г. Меркуловым, У.Мэзоном и другими исследователями, положены упругая анизотропность кристаллической решетки и поликристаллический характер структур металлических материалов. Природу упругой анизотропности металлов мы уже обсуждали выше. В качестве основы сплавов с низким коэффициентом затухания ультразвука используют элементы, имеющие малую анизотропность кристаллической решетки. Примером может служить магний, упругая анизотропность которого практически ниже всех остальных металлов (кроме вольфрама). Соот ветственно магний обладает низким удельным акустическим сопротив лением для продольных и поперечных волн.
Зависимость рассеяния ультразвука поликристаллических материалов от размера зерна характеризуется кривой с максимумом, что подтверж дается экспериментально во многих работах. Разработаны методы рас чета затухания ультразвука в поликристаллическом материале для опре деленных соотношений между длиной волны ультразвука X и размерами кристаллитов 0 . При \ < D рассеяние упругих колебаний описывается схемой, показанной на рис. 82 (/ и //— параллельные поверхности мате риала, в который посылается падающий ультразвуковой луч А) . Благо даря многократному отражению и преломлению ультразвуковых сигна лов в крупнозернистом образце появляются дополнительные ложные сигналы меньшей амплитуды, принимаемые с определенным временем задержки. Согласно расчетам, коэффициент затухания ультразвуковых колебаний для принятых условий [ 3]
(99)
где Av/v — коэффициент рассеяния для продольных или поперечных волн, характеризующий упругую анизотропность кристаллической решетки.
170