книги / Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов

Т а б л и ц а 4. Индекс демпфирования некоторых металлических материалов

Литые магниевые сплавы

Деформированные магниевые сплавы

турного) рассеяния в материале и контактное рассеяние энергии благо* даря использованию сложных слоистых систем, часто состоящих из металла и высокомолекулярных соединений.

Классификация сплавов высокого демпфирования целесообразна по виду механизмов рассеяния энергии, контролирующих процесс. Пример

131

Многослойные системы

Рис. 58. Классификационная схема сплавов высокого демпфирования

А€ц

Рис. 59. Зависимость измене-

женил N [ 120]

классификационной схемы представлен на рис. 58. Однако любая клас­ сификация по указанному признаку весьма условна, так как тот или иной механизм рассеяния энергии проявляется в ограниченном ампли­ тудном, температурном или частотном диапазоне нагружений. Во многих случаях действует одновременно несколько источников затухания коле­ баний. Естественно, для обоснованной рекомендации материала в про­ изводство должен быть сделан анализ возможной области реализации того или иного уровня демпфирующих свойств и гомологической сопо­ ставимости условий работы изделия и лабораторного измерения харак­ теристик затухания. Аномальные эффекты повышенного рассеяния энергии в сплавах в определенных условиях нагружения могут быть вызваны и другими источниками диссипации энергии (атомные, маг­ нитные, тепловые). Хорошей иллюстрацией служит, например, спектр релаксации, рассчитанный К.Зинером для широкого диапазона частот. Однако практические задачи использования подобных эффектов при разработке сплавов специального назначения (вибропоглощающихся) пока не ставятся.

Разрабатываемые сплавы высокого демпфирования практически во всех случаях используют для вибрационно-нагруженных элементов кон­ струкций. Анализ работ, связывающих циклическое деформирование с рассеянной в процессе нагружения энергией, показывает, что по этому признаку также можно выделить определенные группы конструкцион­

133

где Де — неупругая деформация за цикл нагружения; Л/р — число цик­ лов до разрушения; к и с — константы материала.

ми частицами (аустенитные стали, некоторые конструкционные стали — 12Х18Н10Т, 0Х14АГ11М, 40Х, ХН35ВТ) ;

IV — деформационностареющие в процессе циклического нагружения (стали 30,40, 6 0 ,12X13);

V — гетерогенные материалы с выраженной концентрацией напряже­ ний около включений (чугуны, алюминиевые сплавы).

Исключительно важной стороной указанной проблемы является связь усталостной повреждаемости с рассеянной в процессе циклического на­ гружения энергией и возможность построения на этой основе энергети­ ческих теорий усталостного разрушения металлов. Разрушение соответ­ ствует моменту, когда суммарная, необратимо рассеянная энергия ^д.сум достигнет критического значения, равного предельной работе деформации при статическом нагружении. Анализ критериев усталост­ ного разрушения показал [ 121], что в наилучшеяй соответствии с экспе­ риментальными данными находится выражение

1. Материалы с магнитной составляющей в структуре

Для сплавов этого класса характерным является рассеяние энергии вследствие потерь магнитного происхождения. Источники и механизмы внутреннего рассеяния энергии ферромагнитной природы рассмотрены в обзоре [ 122] (табл. 5 ). Потери энергии, связанные с макро- и микровихревыми токами, не зависят от амплитуды напряжений и пропорцио­ нальны частоте колебаний. В практике создания вибрационнопоглощающих сплавов с заданным уровнем демпфирования прежде всего исполь­ зуют эффекты магнитомеханического затухания.

Полидоменная структура ферромагнетиков, в которой встречаются разнообразные комбинации ориентаций векторов намагниченности со­ седних доменов и разделяющие их междоменные границы, обусловлива­ ет явление самопроизвольной намагниченности доменов в поле перемен­

134

Таблица 5. Механизмы демпфирования ферромагнитной природы

мость \I/h имеет S-образный вид, что нашло экспериментальное подтверж­ дение для железа и углеродистых сталей.

С увеличением амплитуды колебаний петля магнитоупругого гистере­ зиса мягких ферромагнитных материалов постепенно превращается из овальной в изогнутую, что связано с амплитудным проявлением A G -эф- фекта[123].

Экстремальный характер изменения фь с ростом амплитуды напряже­ ния (или деформации) обусловлен особенностью доменного механизма гистерезисного магнитомеханического рассеяния энергии. В случае боль­ ших амплитуд деформаций значение остаточной механострикционной де­ формации уг достигает предельного значения при амплитуде магнито­ упругого насыщения y s, если до этого не начнется пластическая дефор­ мация. Функция y r/ y = f (y ) имеет максимум при амплитуде деформа­ ции 7т а х (Рис< 61). Параметр уг отражает интенсивность необратимых смещений 90-град границ доменов при разных амплитудах деформаций. Обычно 7 s^7max и условием проявления максимума является функция d\ph/dy= (dyr/dy) max = d2yr/dy1 = 0.

Обобщая литературные данные, И. Б. Кекало [ 122] классифицировал основные виды амплитудной зависимости внутреннего рассеяния энер­ гии ферромагнитных конструкционных материалов (рис. 62). Кривые

136

восприимчивость, обусловленная смещением границ доменов; х/? — обратимая воежение магнитоупругого насыщения.

Рис. 62. Основные виды кривых амплитудной зависимости внутреннего рассеяния энергии в ферромагнетиках [122]

137

с четко выраженным максимумом (случай А) имеют место, когда r max ^ < г < г д, где т д — минимальное касательное напряжение, при котором проявляются потери энергии, связанные с дислокационными процессами. Такие зависимости с максимумом наблюдали в железе, никеле, кобаль­ те, низкоуглеродистых и низколегированных сталях, во многих сплавах на железной основе. Чаще амплитудная зависимость внутреннего трения имеет вид В, С или D (никель, железо, гадолиний, мартенситностареющие и углеродистые стали, многие сплавы). Эти случаи характеризуются ус­ ловием г т а х ^ 7д < г : при гд > т тах реализуется случай В, при т д < < т тах — случай D. Кривые типа D типичны для слабо деформированных материалов, т.е. когда магнитомеханические потери еще не подавлены полностью. Случай Е встречается в двух вариантах — когда т < т тах и в материалах с повышенной магнитной жесткостью (гтах ^ гупр) . на’ конец, кривые типа F связывают с закреплением доменов препятствия­ ми различной природы (например, со стабилизацией структуры доменов при упорядочении сплавов), что вызывает появление добавочного макси­ мума.

Влияние структуры на характер амплитудных зависимостей внутрен-. него рассеяния энергии можно определить весьма однозначно: все фак­ торы, уменьшающие подвижность границ доменов, снижают высоту ам­ плитудного максимума и повышают напряжения r max. Естественно, что значительное влияние на результаты измерений (о) ферромагнетиков оказывают условия проведения экспериментов (температура, наложение постоянного или переменного магнитного поля, статических нагрузок и т .д .).

Сплавы кобальта и никеля

Магнитомеханическое рассеяние энергии в технически чистых и высо­ кочистых кобальте, никеле и в модельных сплавах на их основе изучено достаточно подробно в работах Б. Г. Лившица, В. С. Постникова, В. Н. Гриднева, И. М. Шаршакова с сотр. и многими другими исследователями. Высокий уровень внутреннего рассеяния энергии, хорошее сочетание механических и технологических свойств определили широкий поиск высокодемпфирующих материалов на основе кобальтоникелевых спла­ вов.

сионнотвердеющий сплав НИВКО-Ю изготавливают в широкой номенк­

138

латуре (прутки, листы, полосы, поковки и т.д .). Он обладает хорошей технологичностью и высокими механическими свойствами при повышен­ ных температурах. Так, ов, о0 2 и 5 при комнатной температуре и 650°С равны соответственно 1120 и 750 МПа, 770 и 560 МПа, 30 и 18 %.

Декремент колебаний при напряжении 140 МПа достигает 25 %, его значения с повышением температуры снижаются незначительно, так как температура Кюри для сплава достаточно высока. Наложение магнитного поля понижает уровень затухания на 1 — 2 порядка, что позволило считать магнитомеханический гистерезис основной причиной рассеяния энергии. Авторами работы [116] предложен сплав НИКО-63 (Со + 30,5 % Ni + + 1,5 % AI + 3,4 % T i), по демпфирующим характеристикам близкий к НИВКО-10. Однако в полной мере механизмы внутреннего рассеяния энергии как в ^однофазном (Со+ 35 % N i), так и в двухфазных сплавах НИВКО и НИКО вскрыты не были.

Исследования демпфирующих свойств сплавов типа К63Н32 примени­ тельно к условиям работы пружинных материалов для упругих чувстви­ тельных элементов, испытывающих воздействие вибраций, показали воз­ можность сочетания высоких упругих и демпфирующих характеристик одновременно [116].

Комплексное изучение свойств Ni — Со сплавов (0 — 70 % Со) пред­ ставлено в работе [ 124]. На концентрационной зависимости при 10 % Со имел место пик; выше 22 % Со Затухание выше для закаленных образ­ цов. В системе Ni — Со — Nb максимальное рассеяние энергии наблюдали

Q-'-tff3 Е Г Ч О 3

139

в сплаве Ni — 25Со — Nb при 3 % Nb, в сплаве Ni — 45Со — Nb при 5 % Nb, в сплаве Ni — 65Со — Nb при 1 % Nb.

основе кобальта большое влияние оказывает полиморфное е =^а-превра­ щение (рис. 63). С увеличением содержания легирующего элемента (например, в системах Со — Re, Zr, Nb, Ti, Fe и др.) количество низко­ температурной е-фазы с ГП У решеткой уменьшается, температура е->а- превращения растет. Уровень затухания сплавов при постоянной ампли­ туде напряжений тем больше, чем меньше легирующих элементов. Учи­ тывая, что прямое превращение в чистом кобальте до конца не проходит, уровень внутреннего рассеяния энергии в широком интервале рабочих амплитуд нагружения зависит от количества в структуре высокотемпе­ ратурной фазы. Отжиг вблизи температуры мартенситного превращения понижает остаточные напряжения, вызванные а->е -переходом, и способ­ ствует росту демпфирующей способности кобальта [ 125].

Фазовые превращения первого рода в сплавах на основе кобальта бездиффузионные; гистерезис превращения зависит от концентрации ле­ гирующего элемента. Выделяют две группы легирующих элементов по воздействию на низкотемпературную часть магнитной компоненты зату­ хания колебаний— повышающие (например, Zr, Та, V, Fe) и снижающие (Nb, Re) ее [126]. Бинарные сплавы на основе кобальта, имеющие пре­ имущественно ГЦ К структуру, обладают высоким уровнем затухания до амплитуд деформаций порядка 5 -ЮГ4. На зависимостях ^(о ) или СГ1 (е) они имеют выраженный максимум. На характеристики демпфи­ рования сплавов влияют температура, предварительная пластическая деформация, насыщающее магнитное поле. По мере увеличения ампли­ туды деформации демпфирующие свойства бинарных кобальтовых спла­ вов с двухфазной структурой возрастают. Уровень затухания механиче­ ских колебаний двухфазных сплавов слабо зависит от внешних факто­ ров и в основном определяется количественным соотношением ГЦ К и ГП У фаз; высокое затухание механических колебаний характерно для

от1

Рис. 64. Амплитудные зависимости внутрен­ него трения сплава КД без наложения полей (/), при наложении магнитного 1,1 -104 А/м

(2) и электрического 3*104 В/м (3 ) полей. Частота измерения 23 кГц

140