книги / Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов

сплавов, содержащих 40 — 70 % ГП У фазы. Выделение вторичных фаз по мере увеличения концентрации легирующего элемента в сплаве при­ водит к снижению характеристик внутреннего рассеяния энергии как в однофазных, так и в двухфазных сплавах. Выполненные систематические исследования систем на основе кобальта позволили В. С. Постникову и И. М. Шаршакову с сотр. выявить сплавы высокого демпфирования.

Выполненные А. Пушкаром и П. Пальчиком измерения амплитудной зависимости внутреннего трения аморфных сплавов на железоникеле­ вой основе KD и КЗО (К40Н40Б20, К30Н50Б20), полученных в виде фольг 0,02-2,5 мм путем охлаждения жидкого расплава со скоростью **106 Кс"1 (ав **2400 - 2600 МПа), показали, что основные закономер­ ности воздействия рабочих амплитуд напряжений и насыщающего маг­ нитного поля, присущие кристаллическим сплавам, сохраняются и в аморфном состоянии (рис. 64).

Исследование А£-эффекта и внутреннего трения в металлических стеклах Со — Ni — В, F e -N i показало [127, 128], что затухание колеба­ ний связано с необратимым движением доменных границ в процессе намагничивания, при этом наблюдается "отрицательный" А£-эффект. И. В. Золотухиным показано, что демпфирующая способность аморфных металлических материалов с магнитомеханическим рассеянием энер­ гии после соответствующей термической обработки может составить

никающая в ходе нагружения пластическая деформация препятствует смещению границ доменов и тем самым вызывает снижение уровня рассеяния энергии с ростом амплитуды деформации (АЗВТ-кривая с максимумом). При больших амплитудах (более 1 -104) внутреннее тре­ ние вновь возрастает благодаря развитию механизмов микропластического рассеяния энергии и двойникования.

Демпфирующие свойства гадолиния в широком диапазоне амплитуд напряжений практически не определяли. В литературе имеются сведения о ТЗ В Т поликристаллического гадолиния и наличии максимумов при 190 и 240 К, связанных с потерями на микровихревые токи и на переори­ ентировку 90-град границ доменов.

Сплавы железа

Сплавы этой группы вызывают особый интерес в связи с их примене­ нием в качестве высокодемпфирующих конструкционных материалов для лопаток турбомашин, работающих в поле значительных центробеж­ ных сил и высоких температур. Повышенное затухание колебаний в тех­ нически чистом железе, отожженной и отпущенной низко- и среднеугле­ родистых сталях в определенном интервале рабочих амплитуд напряже­

141

ний, стало основой для разработки широкого круга материалов магнито­ механического демпфирования. В основу изысканий были положены хромистые стали типа 12X13, 20X13 и их модификации (15X11МФ, 15Х12ВНМФ, 18Х12МБФР, 15Х12В2МФ, 14Х17Н2 и др.). Проведенные Г. Е. Визерской [129] испытания демпфирующих свойств высокохро­ мистых сталей типа 1X13 и 2X13 при однородном напряженном состоя­ нии растяжение— сжатие показали, что после закалки и отпуска при 560— 580°С декремент колебаний при комнатной температуре в интер­ вале амплитуд напряжений 40— 60 МПа достигает 1,5— 2 %; с повышени­ ем температуры он возрастает.

К сожалению, влияние статического нагружения и температуры в большинстве опубликованных работ рассматривалось раздельно, а для оценки вибрационной прочности турболопаточных материалов прини­ малась гипотеза о простом аддитивном суммировании их влияния. В работе [ 130] рассмотрено совместное воздействие указанных факторов на демпфирующие свойства турболопаточных материалов при изгибных колебаниях (частота колебаний образцов камертонного типа ~360 — 870 Г ц ). Для сопоставления использовали стали и режимы их обработки, обеспечивающие различные механизмы внутреннего рассеяния энергии (табл. 6 ).

Т а б л и ц а 6. Материалы и режимы их термической обработки

Суммирующие графики зависимости декремента колебаний образцов от растягивающих напряжений и температуры при амплитуде максималь­ ных напряжений изгиба 80 МПа представлены на рис. 65. Декремент ко­ лебаний при максимальных значениях температуры и растягивающих на­ пряжений ниже исходного (f=20°C , ар = 0) в 7,5; 3,6; 1,4 и 1,5 раза соответственно для сталей 12X13 (отпуск 750°С), 14Х17Н2, 12X13 (отпуск 420°С) и сплава ХН77ТЮР. Штриховыми линиями показаны значения декремента колебаний, полученные экстраполяцией зависимос­ тей в предположении отсутствия взаимовлиянии статических напряже­ ний и температуры на демпфирующую способность материалов.

142

\бр,нпа

Рис. 65. Зависимости декремента колебаний от максимального статического напря* жения растяжения аа и температуры Т для образцов из сталей:

а — 12X13, отпуск при 750°С; б — 14Х17Н2; в — 12X13, отпуск при 420°С; г — ХН77ТЮР

Во всех случаях (кроме стали 12X13 после отпуска при 750°С) реаль­ ные зависимости расположены выше экстраполированных значений дек­ ремента 5Э. При максимальных растягивающих напряжениях и темпера­ туре относительная разность в значениях декремента Д = (5 — 5э)/5 для стали 14Х17Н2 достигает 33 %, для 12X13 (после отпуска при 420°С) 17 %, для никелевого сплава ХН77ТЮР 14 %. Если в закаленных и низкоотпущенных сталях основной вклад в затухание колебаний вносят дис­ локационные и микропластические эффекты, то после отпуска углеро­ дистых и легированных сталей при высокой температуре рассеяние энер­ гии практически полностью определяется магнитомеханическим гистере­ зисом [122].

Для стали 12X13 после отпуска при 750°С, обусловливающего выра­ женное магнитомеханическое рассеяние энергии, действительные значе­ ния декремента значительно ниже экстраполированных, причем А при °о и Гт я „ составляет 80 %. Очевидно, учет совместного действия температуры и внешних нагрузок необходим для реальной оценки демпфирующей способности материала.

143

Разработке новых сплавов на железной основе с магнитомеханиче­ ским рассеянием энергии в настоящее время уделяется большое внима­ ние. На основе нержавеющей стали с 13 % Сг изготовлен вибропоглощаю­ щий сплав транкаллой системы Fe — Cr — AI, содержащий 0,072 — 0,09% С, 1,2— 1,4 % (по массе) AI; ведется поиск демпфирующих материалов на основе систем Fe — Cr — Mo, Fe — Сг — Си и др. [131, 132]. Для изготов­ ления подобных сплавов все чаще используют методы порошковой металлургии.

2. Материалы с легкоподвижными дислокациями в структуре

Микропластическое рассеяние энергии в металлах обусловлено струк­ турной неоднородностью их строения, вследствие которой при приложе­ нии внешних циклических нагрузок в микрообъемах возникают очаги пластической деформации. Микроструктурная пластическая неустойчи­ вость в кристаллах отражает одно из основных коллективных свойств дислокационных ансамблей. Элементарный акт пластической деформа­ ции, вызванный движением дислокаций по определенным системам скольжения, является локальным уже по своей природе. Теория дисло­ кационного рассеяния энергии (модель струны, термоактивационный отрыв и др.) подробно описаны в предыдущей главе.

В поли кристаллических материалах наличие границ зерен вызывает неоднородность протекания пластической деформации в различно ориен­ тированных кристаллитах. Новые подвижные дислокации в благоприят­ но ориентированных зернах появляются при весьма низких внешних направлениях, источником их возникновения являются границы зерен, внешние поверхности, межфазные границы и т.д. По мере возрастания нагрузки в пластическую деформацию вовлекаются все новые зерна, увеличиваются путь пробега и плотность подвижных дислокаций в зернах, которые начали деформироваться при более низких напряжени­ ях. В этих зернах у границ образуются скопления дислокаций, которые вызывают в соседних кристаллитах концентрацию напряжений и, тем самым, способствуют вовлечению их в пластическую деформацию.

Изучение микропластичности дает важную информацию о переходе от упругого поведения металлов к пластическому. Браун условно раз­ деляет спектр деформации на три области: милли- (10Г9 — 5* 1СГ7), микро- (5 •10Г7 — 5 ■1СГ4) и макродеформации (5 •10Г4). Микропластич­ ность совпадает с областью измерения внутреннего рассеяния энергии в сплавах, прямые ее измерения связаны с анализом петли гистерезиса при нагружении-разгружении. Типичные результаты эксперимента по микродеформации и внутреннему трению приведены на рис. 49. Напря­ жение окр1 (или деформация екр1) соответствует истинному пределу упругости и проявляется в образовании закрытых петель; при напряже­ ниях акр2 наблюдается образование открытой петли гистерезиса (предел

144

неупругости). Соответствующая деформация екр2 при измерениях АЗВТ обнаруживается по характерному интенсивному повышению уровня затухания или по нарастанию фона.

Развитие этого направления исследований для циклического дефор­ мирования связано с работами Н. Н. Давиденкова, предложившего мето­ дику учета микропластических деформаций элементов структуры (бло­ ки зерна), возникающих из-за неоднородной напряженности микро­ объемов поликристаллического материала. На этой основе предложен ряд зависимостей, описывающих упруго-пластическую петлю гистерези­ са. Подход к решению задачи с позиций структурной неоднородности ма­ териала был развит В. Т . Трощенко. Неупругая микропластическая де­ формация определена с учетом статических представлений о структурной и напряженной неоднородности при циклическом деформировании. Принятая функция распределения напряжений по зернам (рис. 66) предусматривала, что при нагружении образца до определенного уровня, в целом меньшего предела текучести, напряжения в отдельных зернах будут различны и в некоторых из них могут превышать предел текучести от. Распределение энергии по отдельным пластически деформированным зернам при достаточно большом их числе учтено в виде некоторой функ­ ции Р к (рис. 66,б ).

Потери энергии в единице объема материала за один цикл колебания

гоемкость" микрообъема, представляющая собой средние функции распределения Р (К ); аср — константа материала (в первом приближе­

нии) ; т , В и А 0 — константы, зависящие от дисперсии кривой распреде-

оо

ления напряжений по зернам. Интеграл / P(d)do характеризует число

ат

пластически деформированных зерен в единице объема материала при данном среднем напряжении. Последнее зависит от предела текучести зерна, среднего распределения напряжений по зернам и от формы кривой распределения. Распределение напряжений по зернам выбрано в виде нормального закона Гаусса.

Зависимость относительного числа пластически деформированных зе-

t

Р(6)

Рис. 66. Функции распределения на­ пряжений (а) и "энергоемкостей'' [б) по отдельным пластически деформирооанным зернам

145

рен л р от приложенного напряжения определена в работе [ 133] с учетом того факта, что в отдельных зернах имеются концентраторы напряжений, способные при наложении внешних нагрузок обеспечить работу источни­ ков дислокаций.

Результаты расчетов функции плотности распределения зерен по их пределам текучести для меди выявили два интервала интенсивного вов­ лечения зерен в пластическую деформацию. При более высоких уровнях напряжений скорость увеличения я р зависит от размера зерна; при одном и том же напряжении /?р тем больше, чем крупнее зерно. Неодно­ значно влияние вида напряженного состояния на характер распределения микродеформаций в металлах. Деформации являются неоднородными не только при переходе от зерна к зерну, но и внутри отдельных зерен поликристаллов при статическом нагружении, ползучести и усталости.

В литературе приводятся количественные оценки декремента колеба­ ний на основе модельных представлений об исходной дислокационной структуре и ее трансформации в поле напряжений. В работе [ 26] приве­ дены данные по определению декремента колебаний для условий пере,- мещения сорванных дислокаций в замкнутом объеме (блоки, зерно) на стадии легкого скольжения. Используя простую модель единствен­ ной петли, испущенной источником Франка— Рида, показано, что 8п из­ меняется пропорционально €$т ~ 1. Для высоких амплитуд деформаций (е0 > 2 е ^ р2) латуни после отжига ш = 1 . Авторы предполагают, что, когда т = 2/л — 1 приближается к единице, вблизи границ зерна форми­ руется скопление нескольких петель. Плотность источников дислокаций составила 3 •105 — 3 •107 в 1 см3. При этом она возрастала с уменьшени­ ем зерна (примерно один активный источник на 100 зерен). Результаты находятся в удовлетворительном соответствии с данными оптической и электронной микроскопии. Быстрый рост &п в интервале амплитуд 6кр2 ~ 2 бкр2 предполагает, в соответствии с результатами машинного моделирования, что нестабильные дислокационные петли, генерирован­ ные источниками Франка— Рида, при движении к границам зерен взаимо­ действуют с дислокациями леса. При е0 > 2 е кр2 дислокации формируют равновесные скопления у границ зерен. Браун и Люкенс ввели предпо­ ложение о равномерно распределенных и работающих независимо один от другого источниках дислокаций, создающих в процессе деформации плоские дислокационные скопления у границ зерен. Все источники ха­ рактеризуются приведенным напряжением активации г пр. В каждом зерне работает одна, наиболее выгодно ориентированная система сколь­ жения. Зерна вовлекаются в деформацию постоянно вследствие их раз­ личной ориентации по отношению к внешнему приложенному напряже­ нию т в интервале напряжений т пр< г < Х т пр, где Хгпр — напряжение активации для зерна, ориентированного наихудшим образом.

146

Сплавы магния

Из приведенной выше таблицы индексов демпфирования металличе­ ских материалов видно, что литой магний и его сплав с цирконием обла­ дают наивысшим уровнем рассеяния энергии при амплитудах напряже­ ний, близких к рабочим в реальных изделиях (элементы составных зубчатых колес, корпуса блока управления снарядов и т.д .). Сущест­ венным для широкого использования сплавов магния как конструк­ ционных материалов высокого демпфирования явилась возможность одновременного повышения их механических и прежде всего прочност­ ных характеристик. В зарубежной практике в качестве вибропоглощаю­ щего литого сплава используется двойной сплав магния с цирконием [например, в США это марки сплавов К1Х1 и К1-А (циркония не ме­ нее 0,7 % (по массе), ов = 175 МПа, о0 2 = 50 МПа, 6 = 20 % ]. Промыш­ ленным отечественным вариантом литого высокодемпфирующего ма­ териала является сплав МЦИ, содержащий 0,4— 0,7 % Zr; 0,1— 0,3% Zn; 0,4— 0,75 % Cd; 0,02— 0,05 % Y [ 3 ]. Добавки цинка и кадмия позволили

Основным преимуществом магниевых сплавов по сравнению с други­ ми высокодемпфирующими материалами (свинец, олово, кадмий, сплавы Си — Мп, нитиноли и др.) является малая плотность, что необхо­ димо для снижения собственной массы конструкции, и достаточно вы­ сокие значения удельной прочности и модулей упругости. Что касается меди, алюминия, титана, мрлибдена, сталей и сплавов на основе никеля, то значения их индекса демпфирования на порядок и более ниже. При­ ведем некоторые свойства сплава МЦИ в литом состоянии:

М ...............................................

Добавки иттрия позволили значительно устранить окисляемость спла­ ва при плавке и литье, снизить склонность к образованию горячих тре­ щин.

147

Выполненные авторами работы [3 ] систематические комплексные ис­ следования демпфирующих свойств литых и горячекатаных сплавов маг­ ния с добавками мишметалла, Al, Nd, Cd, La, Mn, Si в различных коли­ чествах успеха не принесли — характеристики внутреннего рассеяния энергии резко снижаются. При введении 1 % (ат.) легирующей добавки системы в порядке убывания демпфирующей способности располагают­ ся в следующем порядке: Mg— La, Мд — Nd, Мд — Са, Мд — Мп, Мд — Si, Мд — AI и Мд — Cd. Количественно декремент колебаний магниевых спла­

Mn, Si, A!, Cd — на 4 — 7 %, с никелем (при малых добавках) — не снижает­ ся. Наиболее существенное понижение характеристик затухания колеба­ ний протекает в системах с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. По мере распада пересыщенного твердого раствора декремент колебаний изменяется по кривым с минимумом. Авторы исследования подчеркивают, что, как правило, уменьшение демпфирования соответст­ вует росту твердости (упрочнению) сплавов.

Анализ природы внутреннего рассеяния энергии в магнии и его спла­ вах позволил установить, что микропластическая деформация при цик­ лическом нагружении возникает прежде всего благодаря скольжению по границам кристаллитов и по плоскостям кристаллической решетки. С помощью наблюдения характера распределения интерференционных линий при амплитудах деформации ~5 •10Т3 установлены очаги локаль­ ных деформаций на границах зерен в результате смещения зёрен магния вдоль границ; при дальнейшем увеличении амплитуды деформации про­ текало характерное образование полос скольжения в отдельных зернах. Авторы считают, что высокий уровень демпфирования магния и его сплавов не связан со способностью кристаллической решетки магния деформироваться двойникованием. Это следует из следующих фактов: литые материалы высокого демпфирования не имеют двойников в структуре; их появление происходит при деформации порядка 1,5-К Г 2 (намного большей, чем при испытаниях демпфирующей способности), что приводит к снижению уровня рассеяния энергии в сплаве.

Стали с высокими демпфирующими свойствами

Природа рассеяния энергии в сталях носит сложный характер в связи с наложением микропЛастического и магнитомеханического затухания. Двухфазные хромоникелевые и хромомарганцевые стали (ОХ14АГ12М, 0Х12Н10АТЮ, 12Х12Н8Т) обладают высокими демпфирующими свой­ ствами [ 134, 135], основным источником затухания является рассеяние энергии в аустените. В сталях, содержащих аустенит, пластическая дефор­ мация протекает более равномерно, а в мартенситно-аустенитных она ло­ кализована. При изменении степени стабильности аустенита, его состава

148

и субструктуры, а также соотношения между а- и 7 -фазами эффекты за­ тухания различны.

Графитизированные стали (12С2, 120Ю2, 120С2ЮД, 120С2ЮДКН) рекомендуются в качестве конструкционного демпфирующего материал ла. Гетерогенная структура обеспечивает высокое микропластическое демпфирование, а упрочненная в результате дисперсионного твердения металлическая матрица — высокие эксплуатационные свойства [136]. В графитизированных сталях с компактным графитом магнитомеханиче­ ское рассеяние энергии является ведущим механизмом демпфирования. Графитизированные стали используют в станкостроении для зубчатых колес металлорежущих станков.

3. Материалы с резко выраженной гетерогенной структурой

Металлические материалы с резко выраженной гетерогенной структу­ рой (чугуны, свинцовистые бронзы, сплавы алюминия с оловом и цин­ ком, порошковые псевдосплавы и др.) эффективно используют в тех­ нике как вибропоглощающие системы. Хорошо известно, что высокая демпфирующая способность чугуна в упругой области нагружения во многом определила его широкое применение для коленчатых и распре­ делительных валов автомобильных и тракторных двигателей, поршней, станин и блоков. Замена стали (KCV 600 — 800 кДж/м2) чугуном с ша­ ровидным графитом (KCV 100— 150 кДж/м2) для валов мощных двига­ телей значительно повысила и^с эксплуатационную надежность [ 115]. В последнее время усиливается интерес к промышленному использованию порошковых материалов, полученных методами пропитки или спекания через жидкую фазу [ 137].

Механизмы внутреннего рассеяния энергии для систем с резко вы­ раженной гетерогенной структурой определены достаточно полно. К ним относят: рассеяние энергии путем микропластической деформации; по­ глощение энергии при колебаниях вследствие трения на границах мат­ рица-наполнитель; магнитомеханическое затухание в случае, когда металлическая матрица ферромагнитна.

Наиболее детально источники внутреннего рассеяния энергии в струк­ турно-неоднородных материалах рассмотрены применительно к чугунам, представляющим широкие возможности для моделирования структур­ ных составляющих. Решающее значение для уровня демпфирования в широком интервале амплитуд напряжений, частот колебаний и темпера­ тур оказывают количество, форма и распределение графита (рис. 67). К сожалению, рассмотрение воздействия этих факторов ведется весьма упрощенно на основе анализа картины концентрации напряжений для индивидуальной, заданной формы включения без учета их взаимодей­ ствия и локализации деформации в матричной фазе.

Структурная неоднородность в гетерогенных системах высокого

149

нов с вермикулярным (3) и

шаровидным (4) графитом; б —связь структуры матрицы и ее прочностные характери­ стики <7В с уровнем затуха­ ния колебаний; Ф — феррит; ФП — феррито-перлит; ТрФ —

троосто-феррит; 7р—троостит

демпфирования, имеющая, как правило, неупорядоченный стохастиче­ ский характер, обусловливает то обстоятельство, что при деформирова­ нии компоненты тензора напряжений и деформаций в каждой точке являются случайными величинами, подчиняющимися определенному закону распределения. Проведенные поляризационно-оптическим мето­ дом фотоупругих покрытий исследования микронеоднородности дефор­ мированного состояния чугунов на ферритной основе с различной кон­ фигурацией графитных включений показали, что нормальный закон не описывает распределения деформаций по микрообъемам [138]. На рис. 68 показаны примеры полей распределения равных уровней главных деформаций (6i — е2) для некоторых видов чугуна. С уменьшением ком­ пактности и равноосности графитных включений отклонение эмпириче­ ских распределений локальных деформаций от нормального увеличи­ вается.

локальных деформаций в чугунах. Причиной неоднородного распределе­ ния локальных деформаций по микрообъемам в поликристаллических сплавах, не содержащих микроструктурных концентраторов напряжений (например, включений фазы, значительно отличающейся по механиче­ ским свойствам от матрицы), является упругая и пластическая анизотро­ пия зерен, кристаллографические плоскости которых хаотично ориен­ тированы относительно внешних сил, приложенных к телу. Поскольку число зерен в объеме достаточно велико, распределение деформаций мо­ жет быть описано с помощью нормального закона Гаусса.

Присутствие в сплаве включений второй фазы, создающих концентра­ цию напряжений, приводит к возникновению локальных возмущений напряженно-деформированного состояния матрицы вблизи включений. Вследствие случайного характера распределения включений графита в матрице, возмущения напряженно-деформированного состояния, вно­ симые ими, также носят случайный характер, т.е. деформированное

150