книги / Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов

мартенсит 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

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

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

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

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 %

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

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

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

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