本科毕业论文---阻尼合金.doc

四川大学博士学位论文第一章 绪 论1.1 阻尼合金工程应用背景及其发展概况随着现代工业的迅速发展，交通、能源、建筑、航天等领域对机器及其部件的要求也愈发苛刻，主要表现在高速重载条件下要求零件保持高强度的同时，能够具有低损耗和长寿命的特点。但是，机器在运转中所产生的振动，特别是共振，严重影响机构零部件的寿命，降低机械产品的质量以及仪器仪表的精度和可靠性。据统计，在机器制造业中有80的事故和设备损坏是由于共振所致。同时，噪声和振动是一对“孪生姐妹”，它污染环境，损害人体健康，是三大公害之一1,2。因此，振动和噪声水平已成为决定产品价值和市场竞争能力的重要因素，如何减少振动、降低噪声，逐渐成为人们十分关注的问题。统计显示3，我国每年仅道路交通噪声污染导致的经济损失折合人民币就达216亿元人民币，类似的经济损失美国为51亿美元，德国为10.6亿美元，芬兰为2.8亿美元。为此，我国制定了一系列国家和地方标准，比如GB309693城市区域环境噪声标准和 GB12525-90铁路边界噪声限值及其测量方法等4，并采取了大量措施进行振动和噪声控制。但总体来说，同发达国家相比，我国在振动和噪声控制领域的水平还有一定差距。长期以来，随着对振动和噪声的产生及传播特点的了解，人们找到了一些降低和消除振动与噪声的方法，这些方法概括起来大致分为五种5：第一，增加机械零部件的重量，提高构件的刚度，降低振动的振幅。但在多数情况下，特别是要求轻量化和高转速的场合，上述做法显然是背道而驰的。第二，抑制共振条件下大振幅的发生。对单一频率或一两个振源的场合，该方法有明显的效果，但实际上噪声往往具有明显的宽频特性，所以上述方法存在明显的局限性。第三，安装减振装置，如油减振器、空气减振器等。这也是人们进行减振降噪处理时比较通行的做法，但如果重量、外形尺寸受到使用场合的限制，这类方法也不能使用。第四，采用多孔的吸声材料，并将其做成屏蔽罩，把振源包围起来，从而阻断噪声的传播途径，有效地降低噪声。这种方法因为采用密闭处理，屏蔽罩内的温度容易升高，使作业环境恶化，危险性增加，生产效率大大降低。如果振源本身体积很大，则彻底屏蔽也是难以实现的。第五，利用减振材料（高阻尼材料）制作振动源构件，将机械能转化为热能而使振动在短时间内衰减下来，达到减振降噪的目的。最后一种方法是从振动源和噪声源出发，可以从根本上解决振动和噪声问题，适合于小型、轻量、和高速化发展的方向。但是对阻尼材料的选择却需要考虑多方面的因素，尤其需要结合工程实际。高分子材料例如减振橡胶、尼龙等就是具有粘滞性质的阻尼材料，在强度和使用温度容许的条件下，有人曾采用尼龙制造成齿轮，达到了减振降噪的效果6。但这类材料最大的缺点是机械性能尤其是强度太低，远不如金属材料，在使用过程中磨损非常严重，这势必影响其使用寿命和带来安全上的隐患。金属材料是在工业生产和机械零件制造过程中普遍使用的材料。基于这个原因，研究人员认为，金属材料如果同时具有减振降噪能力，就有可能在需要减振降噪的场合得到更广泛的应用。上世纪五十年代初期，美国和英国率先在阻尼合金方面取得突破，开发出了Mn-Cu系阻尼合金7。这种合金掉到地上只发出微弱的响声，并被人们成功地应用在潜艇的螺旋浆上，大大提高了潜艇的隐蔽性。以此为契机，大量阻尼材料的研究和开发被引向深入。经过半个多世纪的发展，现在世界上已出现了数十种新型的阻尼减振合金，比如既有优良耐蚀性又有高疲劳强度的Co-Ni合金，轻且减振性能很好、广泛用做火箭卫星上精密仪器防振台架的Mg-Zr合金，耐蚀性和力学性能优良的Ni-Ti合金，加工性和耐蚀性优良的Fe-Cr-Al合金等8,9。作为一类特殊的功能材料，阻尼合金最大的特征是在受到敲击时不象青铜、钢材那样发出洪亮的“金属声”，而只是像橡胶那样发出微弱的哑声。一般金属材料由于共振曲线的形状十分尖锐，振动衰减很慢，因此敲击时发出的声音响亮刺耳，而且持续时间很长，这是敲击时响声大的原因。而对于阻尼合金，其共振曲线趋于扁平，振动衰减快，共振振幅小，因此敲击时声音微弱。之所以产生这样的效果，跟合金内部吸收振动能量的能力有很大的关系。阻尼合金吸收振动能量的能力一般高于30，而一般的金属如碳钢吸收振动能量的能力仅为4% 10。综上所述，阻尼合金可用于航空航天工业、航海工业、汽车工业、建筑工业、家电行业等，对降低环境噪声、提高机器零件寿命、改善人们生活环境有着重要的作用。因此，阻尼合金作为一个新兴的功能材料领域，将会有更广阔的应用前景。根据阻尼机制的不同，目前的阻尼合金主要可分为：铁磁型（Fe-Cr、Fe-Al等）、孪晶型（Mn-Cu、Ni-Ti、Cu-Zn-Al等）、复相型（灰铸铁、Zn-Al）、位错型（Mg-Zr）、以及Fe-Mn合金，本章将在后几节进行详细叙述。其中Mn-Cu合金阻尼性能最好，但其受温度影响较大，只适合较低温度下使用，并且成本较高；铁磁型合金阻尼峰主要出现在比较窄的应变振幅范围内（110-4-210-4），并且受磁场和应力等因素影响很大，这些都限制了其应用范围；复相型和位错型合金（除灰铸铁外）阻尼性能较好，但强度低，价格较贵；Fe-Mn合金是几类阻尼合金中强度最高、价格最低的，其阻尼性能随着应变振幅的增大而增加，可作为较大振动和冲击部件使用，应用前景非常好，所以具有较大的研究价值。关于阻尼合金阻尼性能的表征和研究方法有很多种，所以在做相关研究之前，非常有必要对阻尼性能的表征和测试方法进行全面的了解，以便掌握它们的原理以及彼此之间的联系。基于此点，本文从阻尼性能的表征及测试方法出发，逐步概述各类阻尼合金的研究现状，并提出本文的主要研究思路和内容，具体叙述如下。1.2 阻尼合金阻尼性能的表征及测试方法1.2.1 阻尼合金阻尼性能的表征在实际测试过程中，因测试方法的不同，可以有以下几个物理参数用来表征阻尼合金的阻尼性能：对数衰减率（）、比阻尼性能（SDC）、内耗（Q-1）和损失因数（tan）。在一定条件下，这些物理参数之间可以互相转化。1.2.1.1对数衰减率（Logarithmic decrement, ）对数衰减率表示合金在振动自由衰减过程中相邻两次振幅之比的自然对数11,12： （1-1）式中An和An+1分别表示第n次和第n+1次振动的振幅。当阻尼很小时，An An+1，则0；当阻尼很大时，An/An+1，则。可见，自由衰减法测出的对数衰减率应落入0范围之内，通常阻尼合金的对数衰减率都介于01的范围内。1.2.1.2 比阻尼性能（Specific damping capacity, SDC）比阻尼性能（也称减振系数）表示在合金自由衰减过程中的一个振动周期内，振动能转变为热能而耗散的比率11,12： （1-2）式中W表示一个振动周期内的总振动能，W表示在一个振动周期内的能量损失。阻尼合金的比阻尼性能SDC一般在01的范围内，通常用百分数表示。1.2.1.3 内耗（Internal friction, Q-1）在物理学中为了与阻尼的电磁回路相对应，常采用Q-1来表示内耗，这里Q是振动系统的品质因子11,12。在自由衰减过程中，内耗Q-1可由下式表示： （1-3）式中W表示合金一个振动周期内的总振动能，W表示合金在一个振动周期内的能量损失。自由衰减过程中，以上三个物理量之间存在一定的转化关系13： （1-4）另外，合金在强迫振动过程中，内耗还可以根据共振曲线求得14： （1-5）式中fr为共振角频率，f1和f2分别表示振幅下降到最大值1/2倍时共振峰左右两侧的角频率。1.2.1.4 损失因数（Loss factor, tan）在合金的弹性变形范围内对其施加交变应力时，如果应力是周期变化，则产生的应变也是周期变化的。但由于滞弹性现象的存在，应变将滞后应力一个相位角，人们常用其正切值tan来描述合金的阻尼性能13。因为值一般很小，其和内耗之间有如下关系： （1-6）1.2.2 阻尼合金阻尼性能的测试方法合金阻尼性能的测试方法有很多，由于往往需要在宽广的频率、振幅、温度（有时还在一定的磁场）下进行测量，因而出现了种类繁多的仪器装置。按照振动频率可将测试方法大致可分为：低频（0.5Hz几十Hz）、中频（KHz）和高频（MHz）三类。1.2.2.1 扭摆法低频下阻尼性能的测试（0.5Hz几十Hz）扭摆是一种最简单的振动系统，早在1890年汤姆孙就研究过扭摆和阻尼，但直到20世纪40年代，我国的葛庭燧等才开始将扭摆法应用于研究金属的阻尼行为中14。其发明的倒扭摆仪，后人又称为葛氏倒扭摆仪，结构简单，操作方便，至今仍然是低频下内耗测试方法的基础。扭摆法一般采用丝状和带状试样，直径或厚度一般在0.51.5mm之间，长度在100mm左右。可以通过两种方法计算合金低频下的阻尼性能：第一，自由衰减法（图1.1a）。在自由振动条件下，通过测量振幅自由衰减曲线，就可以根据式（1-1）和式（1-4）计算出合金的对数衰减率、比阻尼性能SDC和内耗Q-1。如果合金的阻尼性能高，图1.1a中的衰减曲线会衰减的很快、很陡，反之则会很平稳。第二，共振法（图1.1b）。在一定频率范围内，测试合金的共振振幅随频率的变化曲线，根据这条共振曲线，利用式（1-5）计算出合金的内耗Q-1。如果合金的阻尼性能高，图1.1b中的共振曲线会变得较宽、较平坦，反之则会又尖又窄。 (a) 自由衰减法 (b) 共振法图1.1 常用的两种计算合金阻尼性能的方法14本文的实验就是基于倒扭摆法，关于这种方法的具体原理和数据处理方法将在第二章做更详细叙述。1.2.2.2 弯曲共振法中频下阻尼性能的测试（KHz）弯曲共振法是近年来应用较多的一类测试内耗的方法，包括单悬臂弯曲，双悬臂弯曲法，三点弯曲法等8。其中单悬臂弯曲法适用于较软的材料（弹性模量E1010Pa）。测试试样可以是棒状、管状或片状。弯曲共振测试系统一般由夹持系统、激励系统和接受系统三部分组成，由信号发生器对试样施加简谐击振力，然后由检测传感器拾振，经信号放大器送入记录和分析仪器进行数据处理。根据采集信号的不同，具体的测试计算方法除了上述自由衰减法和共振法外，还可以通过测量应变与应力之间存在的相位角，根据式（1-6）计算出合金的损失因数tan13，如图1.2所示。目前比较完善的仪器有动态机械分析仪（DMA）和动态热机械分析仪（DMTA），它们是强迫次共振型动态力学性能测量仪器，主要用于研究高分子材料的动态力学行为，也有人用于金属材料15,16,17。其最大优点是有多种形变模式可供选择，包括拉伸、压缩、扭转、单/双臂梁和三点弯曲等，可以根据被测材料的弹性模量和试样形式灵活选择，适用于金属材料的主要是单/双臂梁和三点弯曲模式。DMA是由美国Du Pont仪器公司开发的，其激振的频率范围在0.01Hz100KHz之间，测试温度在-70600之间，模量变化范围很宽，在10-3106MPa之间。有文献指出12，该方法测量时试样振动的幅值太大，测量精度稍低。DMTA是由美国流变测量科技有限公司生产，它的测量温度范围为室温至500或-150500(用液氮冷却)，频率在1.6200KHz之间, 阻尼敏感度达10-4量级，阻尼分辨率达10-5量级。运用这种仪器，可以很方便地获得tan的频率谱、温度谱和振幅谱，并可同时改变频率和温度，从而模拟材料的工作状态。 (a) 应力、应变随时间的变化曲线 (b) 应力应变曲线图1.2 利用应变滞后于应力的相位角计算合金的阻尼性能151.2.2.3 超声脉冲法高频下阻尼性能的测试（MHz）超声波脉冲法又称为复合振荡器法，通常将待测试样粘贴在石英上（置于加热炉中），再先后将该石英晶体粘贴到第二探测石英晶体和第三驱动石英晶体上，组成四元复合振荡器14。试验中由高频发生器将共振频率的脉冲发给石英片，作为发射器的晶片把这些脉冲转换成机械振动，通过一个过渡层传递给试样(尺寸为65mm 3mm3mm)。过渡层的物质与压电石英和试样的声阻相匹配，结果在试样中产生往复的超声波，这种超声波在试样端面间经受多次反射直至完全消耗。为接收这些信号可以利用同一个压电传感器进行操作，信号经一定的放大后进行记录，并经过计算得到材料的内耗。由于超声法工作的频率范围很宽，测量的敏感性很高且实验的安排较为灵活，故有可能获得其他方法得不到的新结果。但由于超声脉冲法的应变振幅一般很小，故不能用来测量与振幅有关的阻尼效应。综上所述，阻尼性能的测试方法多种多样，在实际测量过程中要根据材料的工程应用背景以及所承受的应变幅值和振动频率来选择恰当的测试方法。值得注意的是，不同的测试方法由于原理和测试条件不同，得到的结果会有较大的差异。美国海军研究院的研究人员指出，相同材料用悬臂梁法测到的阻尼性能比倒扭摆法测到的要高很多12。不同测试方法之间合金阻尼性能的可比性很差，这也是目前限制阻尼合金发展的一个瓶颈问题。但是，同一种测试方法得出的结果变化规律还是非常准确的。1.3 阻尼合金的分类按照阻尼机制的不同，可将目前的阻尼合金分为五大类7：复相型阻尼合金、超塑性型阻尼合金、孪晶型阻尼合金、位错型阻尼合金和铁磁型阻尼合金。振幅、温度、频率是阻尼合金应用过程中的三大影响因素，下面对这几类阻尼合金这些方面的特点进行介绍。1.3.1 复相型阻尼合金在周期应力的作用下，一些复相合金中强度较高的相会发生弹性形变，较软的相则发生塑性形变，从而产生内耗使振动的能量得以耗散。具有这种阻尼机制的合金称为复相型阻尼合金，最常见的就是灰口铸铁。灰口铸铁的主要特点是成本低，易加工，可以在铸态使用，目前已经被广泛用来制造各类发动机和机床的基座。灰铸铁的阻尼特性既与母相基体有关（珠光体基体的阻尼性能低于铁素体或奥氏体基体），又与非金属夹杂物形态有关（含有片状石墨的灰铸铁的阻尼特性要远优于含有球状石墨的球铁）。最近的研究表明10，含球状石墨为主的延性铸铁在临界温度以下温度退火，其阻尼性能将大幅度提高，能达到高阻尼灰口铸铁的水平，而且其综合机械性能比一般的灰口铸铁要高得多。美国已将这种铸铁用于福特公司生产的涡轮增压发动机曲轴和汽车柴油发动机定时齿轮上，相关部门正计划下一步将这种铸铁扩展应用于海军舰船柴油发动机部件。图1.3是灰口铸铁的阻尼性能随应变振幅、频率和温度的变化曲线18,19。从中可以看出，这类合金的阻尼性能同温度无关，但随着振幅的增加阻尼性能迅速增加，而随着频率的增加阻尼性能略有下降后趋于平缓。图1.3 灰口铸铁的振幅、频率和温度特性1.3.2 超塑性型阻尼合金在周期应力的作用下，一些合金中的晶界和相界面会发生塑性流动，从而产生内耗使振动的能量得以耗散。因这种机制与合金的超塑性机理类似，所以称具有这种阻尼机制的合金为超塑性型阻尼合金，最常见是Zn-Al合金20。Zn-Al基合金的主要特点是比重小，在微小振动中能保持较高的减振能力，不受磁场的影响，有利于电子电器产品的减振降噪，但其强度较低，不耐海水腐蚀。这类合金的Al含量通常在2050（质量百分比）之间，在合金中添加适量的Si、Zr、Al等元素，可使合金的性能得到改善：Si 的加入能提高合金的力学性能20；少量Zr和稀土元素（都不到1质量百分比）可以细化组织和强化基体，同时还能够提高阻尼性能21,22；Al的加入可以提高合金的阻尼性能和弹性模量23。在美国和日本，Zn-Al基合金已经被用于滑动轴承、轿车发动机机座、越野摩托车的凸轮轴和驱动轮、风镐阻尼部件等领域。图1.4是Zn-Al合金的阻尼性能随应变振幅、频率和温度的变化曲线22,23,24。从中可以看出，该合金的阻尼性能不受应变振幅的影响，但随着频率的增加略有下降后呈现平缓趋势。另外，随着温度的上升，Zn-Al合金晶界和相界面原子扩散加剧，界面可动性提高，所以阻尼性能随之升高。图1.4 Zn-Al合金的振幅、频率和温度特性1.3.3 孪晶型阻尼合金在周期应力的作用下，与热弹性马氏体相变有关的共格孪晶界面（马氏体/马氏体、母相/马氏体）将发生重新排列运动，产生非弹性应变而使应力松弛，从而将外加振动能耗散，形成对振动的阻尼衰减。具有这种阻尼机制的合金称为孪晶型阻尼合金，其典型代表包括Mn-Cu25,26、Ni-Ti27、Cu-Al-Mn28和Cu-Zn-Al29等。Mn-Cu合金的主要特点是阻尼性能和力学性能较好，Mn含量越高(50)、应变量越大、高温热处理时间越长，阻尼性能越高。但其受温度影响较大，只适合较低温度下使用，并且成本较高。目前广泛用作潜艇螺旋桨的材料5。Ni-Ti基合金是一类性能优异的形状记忆合金，在其Ms相变点温度下变形，然后加热到Af温度以上可以产生形状恢复，同时其在Ms温度以下还具有高阻尼性能。通过改变成分，Ni-Ti基合金的Ms温度可以从-100200之间变动，具有广泛的适用性。这类合金的主要特点是阻尼性能、形状记忆性能和力学性能优异，但加工性能差，成本较高。Ni-Ti基合金已被地震工程专家成功地用在大厦和大型建筑物的减震装置上30，并可保证建筑物在遭受强震后的复原性。另外，这种合金作为减振材料在汽车和机械制造领域也都得到了一定的应用6。Cu-Al-Mn和Cu-Zn-Al合金是另一类形状记忆合金，它们的特点是阻尼性能优良，价格较Ni-Ti基合金便宜，但力学性能差，使用温度不高（一般低于50）。目前已经被用于滑雪装置上的减振垫片9。图1.5是Cu-Zn-Al合金在马氏体状态下阻尼性能随应变振幅、频率和温度的变化曲线27,29。图中的规律代表了孪晶型阻尼合金的一般特征，从中可以看出：该种阻尼合金的阻尼性能随着应变振幅的增加而迅速升高，然后趋于稳定，这主要是由于其内部的孪晶界面运动性质所决定的；阻尼性能随着频率的增加略有下降后呈现平缓趋势；当温度高于其Af以上时，阻尼性能迅速下降甚至消失，因为此时无马氏体存在，也就没有孪晶界面存在。图1.5 Cu-Zn-Al合金的振幅、频率和温度特性1.3.4 位错型阻尼合金在周期应力的作用下，一些合金中的位错会脱开沿线钉扎的点缺陷（杂质原子或空位）而进行运动，这个过程就会在弹性应变范围内产生附加的位错应变，从而产生内耗将外界振动能耗散。具有这种阻尼机制的合金称为位错型阻尼合金，其典型代表是Mg及Mg合金（Mg-Zr、Mg-Si、Mg-Cu、Mg-Al等）31,32,33。Mg合金的主要特点是比重小，耐蚀性好，阻尼性能高，但因强度低，限制了其应用范围。合金化是提高其力学性能的有效途径，人们研究了添加Zr、Si、Cu、Al等合金元素的影响，结果表明这些合金（特别是Mg-Zr合金）的阻尼性能虽然有所下降，但综合性能得到提高，大大地拓宽了Mg合金的应用范围。目前，Mg合金已成功用于节能汽车发动机部件、电脑外壳、镜框、高尔夫球杆等31。此外，Mg合金还具有较高的电磁屏蔽性能，在航天和航空工业中具有广泛的应用前景，例如制备航天飞机仪表盘、电器设备壳体等构件不仅可以减小振动, 还可以减小宇宙射线对电子仪器设备的电磁干扰, 提高电子仪器设备的工作精度和使用寿命32。图1.6是Mg合金阻尼性能随应变振幅、频率和温度的变化曲线33,34。从中可以看出：Mg合金阻尼性能随着应变振幅的增加而迅速增加，这是由于振动振幅越大，参与脱钉而产生内耗的位错就越多；在较高应变振幅时，其阻尼性能不随频率变化，而在较低应变振幅时，其阻尼性能随频率的增加而略微减小；Mg基合金的阻尼机制会因环境温度的变化而发生改变，常温下阻尼源主要来自于位错滑移，但当温度升高时，界面阻尼开始发挥作用，阻尼性能不断升高，所以Mg合金具有一定的热稳定性和时效稳定性，这方面优于孪晶型阻尼合金。图1.6 Mg合金的振幅、频率和温度特性1.3.5 铁磁型阻尼合金在一些铁磁合金中，原子之间通过交换作用而产生磁矩，相同方向的磁矩排列起来形成磁畴。在周期应力的作用下，合金中相当部分的磁畴界面因磁机械效应的逆效应而发生不可逆移动，在应力应变曲线上就会产生应变滞后于应力的现象，进而产生内耗将振动能耗散。该阻尼因其静滞后的特点而被称为磁机械静滞后型阻尼，具有这种阻尼机制的合金被称为铁磁型阻尼合金，其典型代表有Fe-Cr基35、Fe-Al基36、Co-Ni基37等合金。铁磁型阻尼合金的主要特点是强度较高，成本较低，较高温度和低应变振幅下阻尼性能优异，但其经变形后或在磁场环境中阻尼性能会迅速下降甚至消失。根据这些特点，目前该类合金已经成功应用在汽轮机叶片、齿轮变速箱和机械传动装置上8。图1.7是铁磁型阻尼合金的阻尼性能随应变振幅、频率和温度的变化曲线33,34。从中可以看出：这种合金的阻尼性能不随频率的变化而变化；随着应变幅值的升高，其阻尼性能迅速升高并达到某一峰值（此时的应变振幅较小，约1210-4），而后呈下降趋势，这是由于磁畴界面的移动特点造成的；铁磁型阻尼合金在低于其居里温度时，其阻尼性能基本保持不变，而高于其居里温度时，合金阻尼性能会大幅度下降，因为上述几种铁磁型阻尼合金的居里温度一般都高于300，所以它们都具有较好的耐高温性能。图1.7 铁磁型阻尼合金的振幅、频率和温度特性1.3.6 其它类型的阻尼合金除了上述五类阻尼合金以外，近年来人们又发现Fe-Mn38,39、Fe-Ni-Mn40,41和Fe-Ru42等合金也具有高阻尼性能，但其阻尼机制尚不明了。这类合金具有一个共同特征：层错能低，具有(f.c.c.)(h.c.p.)相变过程。所以研究学者普遍认为其阻尼机制同马氏体以及层错有关。铁磁型阻尼合金中的Co-Ni合金同样具有(f.c.c.)(h.c.p.)相变过程，近来的研究表明43,44,45，其阻尼机制中除了磁畴外，还有这种同马氏体及层错有关的机制共同作用。关于Fe-Mn合金的特点及研究现状将在本章的1.4节进行详细介绍。除了上述的金属材料外，近年来同高分子材料复合起来的减振复合钢板发展较为迅速8，它是在金属板表面粘贴树脂或者在金属板之间加入树脂而形成复合夹层，但这种复合减振材料的使用温度受到很大的限制。综上所述，几类阻尼合金各有特点，表1.1是目前国内外已经商品化的一些阻尼合金的举例，图1.8是常用金属材料的阻尼性能和力学性能的对比简图，实际应用中要根据使用条件和各种阻尼合金的特点适当选择。表1.1 已商品化的阻尼合金成分和阻尼性能对比表1,2,5,7,8,10类 型名 称成 分，wt%比阻尼性能SDC，复 相 型片状石墨铸铁Fe-3C-2Si-0.7Mn13超塑性型XA27Zn-27Al27SPZZn-22Al25孪 晶 型SonostonMn-37Cu-4Al-3Fe-2Ni40M2052Mn-20Cu-5Ni-2Fe40ProteusCu-1321Zn-28Al42NitinolNi-49Ti40位 错 型纯Mg50KIXIMg-0.6Zr4049MCMMg-5Cu-0.2Mn4049铁 磁 型SilentalloyFe-12Cr-2Al40TranqalloyFe-12Cr-1.36Al-0.59Mn40GentalloyFe-12Cr-2Al-3Mo40图1.8 常用金属材料以及阻尼合金的力学性能和阻尼性能简图381.4 Fe-Mn阻尼合金的国内外研究现状同其他阻尼合金相比，Fe-Mn阻尼合金具有三大特点38,39：第一，阻尼性能随应变振幅的增加而呈现近似线性增加，适用于受较大力和冲击的构件，比如刹车制动盘、齿轮和切割机等；第二，力学性能优良，抗拉强度大于700MPa，是前面叙述的几类阻尼合金中最高的；第三，成本低，仅为Mn-Cu合金的1/4。所以，Fe-Mn阻尼合金具有很高的研究价值和广阔的应用前景。目前，关于Fe-Mn二元合金的研究报道很多，但大多数是关于其(f.c.c.)(h.c.p.)相变的46,47，Fe-Mn-Si基形状记忆合金就是基于这一相变原理而发展起来的。内耗作为一种研究工具也已经被广泛应用于Fe-Mn基合金中48,49，但其目的还是为了研究上述相变过程，测试条件及研究内容都和实际的阻尼构件使用条件有较大差异（应变振幅太小，一般在10-610-5范围内）。Fe-Mn合金真正作为一种新的阻尼材料的研究开始于上世纪90年代，韩国研究学者Baik50首先提出Fe-Mn二元合金具有优良的阻尼性能。目前关于这方面的研究也主要集中在韩国50,51,52,53，少量在日本54、俄罗斯55、芬兰和乌克兰56，国内除了本课题组在开展相关研究内容外57,58,59，还未见其他机构的文献报道。从目前发表的有关Fe-Mn阻尼合金的论文来看，人们主要研究了其阻尼机制60以及马氏体量和Ms温度53、应变振幅61、热处理工艺58、冷轧变形量62、Mn含量63、第三种合金元素（Co64、N65、C66、Si77、Cr67等）等因素对其阻尼性能的影响。1.4.1 Fe-Mn合金的阻尼机制目前，Fe-Mn合金的阻尼机制还存在争论，韩国研究学者的体系较为完善，他们认为Fe-Mn合金的阻尼机制和马氏体密切相关，并可以细分为四种阻尼源界面52,60,68：（1） 马氏体变体的界面；（2） 马氏体中的层错界面；（3） 奥氏体中的层错界面；（4） /的相界面。弹性变形范围内，Fe-Mn合金在周期应力的作用下上述四种阻尼源界面会发生相对滑动从而产生内耗，将外加振动能转化为热能耗散掉，因而具有高阻尼性能。Lee68等研究了同一测试温度下Fe-17Mn合金阻尼性能随马氏体量的变化，如图1.9所示，认为合金的阻尼性能满足下式： （1-7）其中，表示合金的阻尼性能，表示马氏体量（体积分数），表示全为马氏体相时所产生的阻尼，表示全为奥氏体相时所产生的阻尼，表示由/相界面所产生的阻尼。其研究结果表明，和马氏体相关的项占了总阻尼源的80以上，从而认为Fe-Mn合金的阻尼性能主要来源于和马氏体相关的阻尼源界面（马氏体变体的界面和马氏体中的层错界面），小部分来源于奥氏体中的层错界面和/的相界面。图1.9 Fe-17Mn合金阻尼性能随马氏体含量的变化曲线68但从图1.9中可以清楚地发现，合金全奥氏体存在状态（图1.9中的A点）的对数衰减率仍高达0.175，与全马氏体存在状态（图1.9中的B点）的对数衰减率（0.205）相差不明显。而根据Lee68的分析，马氏体为主要阻尼源，那么无马氏体存在时，即全奥氏体状态的阻尼性能会很低，这个结论显然同图1.9中的结果相矛盾。另外，和其他几种阻尼合金相比，目前对Fe-Mn合金阻尼机制的分析还很笼统，在交变应力的作用下四种阻尼源界面究竟如何运动进而产生高阻尼仍不明了，并且阻尼机制分析缺乏数学物理理论模型的支持。因此，深入研究Fe-Mn合金的阻尼机制，并解释上述矛盾非常必要。1.4.2 马氏体量的影响韩国研究学者普遍认为Fe-Mn合金的马氏体量越多，阻尼源界面就越多，阻尼性能也就越好60。马氏体可以通过热诱发和应力诱发获得，有学者认为热诱发的马氏体比应力诱发的马氏体所产生的阻尼高69，而为了获得更多的热诱发马氏体，降低合金的层错能，提高合金的Ms温度是最直接的方法。从目前的文献资料报道中可以看出，阻尼性能较高的Fe-Mn合金的含Mn量一般在1620的范围内（层错能较低），Ms温度一般都在150左右。另外，韩国学者还普遍认为无论是通过深冷处理60、预变形处理69，还是适当的合金化64处理都能提高合金的阻尼性能，原因是这些处理过程增加了马氏体量。但是，目前也有一些文献报道同此论述有所矛盾，他们认为46,47化学成分确定了的Fe-Mn合金一旦经过固溶热处理后，上述处理过程并不能再明显改变其马氏体含量。本课题组通过XRD的方法分析研究也表明57,58，预变形和深冷处理并没有明显改变合金中的马氏体量，所以Fe-Mn合金阻尼性能的提高原因是否是由马氏体量所决定还有待进一步研究。1.4.3 应变振幅、频率和温度的影响目前的研究普遍认为Fe-Mn合金的阻尼性能随着应变振幅的增加（10-610-3范围内）而呈现近似线性增加,如图1.10所示，其变化趋势有些类似Mg合金的变化（图1.4），这方面各国的研究学者没有任何分歧。Jun61等还研究了不同应变振幅范围内Fe-Mn合金阻尼性能的变化规律，认为在不同的应变振幅下合金起主要作用的阻尼源及阻尼机制会有所不同。当应变振幅较小时，/界面是主要阻尼源，而当应变振幅变大时，/界面的作用越来越大，同时其它三种可滑移的阻尼源界面数量也越多，所以产生的阻尼就近似线性增加。频率和温度的影响未见有专题的研究报道，Baik38,39曾提及当频率在300Hz以下，温度在室温到60的范围内，Fe-Mn合金的阻尼性能基本保持不变（如图1.11所示）。从Fe-Mn合金的推广应用上看，更高温度下合金阻尼性能的变化规律以及频率对其阻尼性能的影响是必须进行详细研究的。图1.10 Fe-17Mn合金阻尼性能随应变振幅的变化曲线38 图1.11 Fe-17Mn合金阻尼性能随温度和频率的变化曲线381.4.4 热处理工艺的影响热处理工艺方面研究的文章报道较多，主要包括固溶温度、冷却方式和冷热循环的影响，不同研究机构的实验结果较为一致，但理论分析上有些地方存在分歧。李宁57和Jee70都研究了固溶温度对Fe-Mn合金阻尼性能的影响，认为在7001200的固溶温度范围内，Fe-Mn合金的阻尼性能先增加，在1000达到峰值，而后下降。对于产生这种变化规律的原因，目前普遍认为是由于层错能和Ms温度的不同造成的。合金在低于1000固溶后，合金内部很多冷变形的缺陷没有消除，对阻尼源界面钉扎较为严重，所以阻尼性能不好；经过1000固溶处理后，认为合金内部缺陷基本消除，其Ms温度最高、层错能最低、马氏体量最多，所以合金的阻尼性能最好；超过1000后，晶粒和马氏体变大，单位体积内的阻尼源界面变少，所以阻尼性能有所下降。Lee等53研究了空冷、水冷和深冷（水冷液氮）三种处理工艺的影响，认为合金经水冷处理后的阻尼性能高于空冷，而深冷可以继续诱发相变，增加马氏体量，所以阻尼性能最高。对这种现象的原因目前还存在有争论，比如有文献报道46,47深冷处理并不能明显改变Fe-Mn合金的马氏体含量。造成这种矛盾的本质原因是由于对Fe-Mn合金阻尼机制认识不够深入。Lee等68还认为冷热循环处理（室温300）可以增加Fe-Mn合金的马氏体量，但由于热应力产生的位错缠结，反而降低了合金的阻尼性能。其中，对与热应力产生位错缠结的说法学术界普遍认同，但对与增加马氏体量的说法仍然存在分歧。1.4.5 预变形量的影响Jun62和Seo71等研究了冷轧变形对Fe-Mn基合金阻尼性能的影响，认为在110的冷轧变形量范围内，合金的阻尼性能先升高，在5左右达到最大值，随后又降低。胥永刚72等研究了拉伸变形对丝材合金阻尼性能的影响，结果表明拉伸变形和冷轧有着同样的变化规律，但最佳的拉伸变形量为4。这些研究学者认为Fe-Mn合金经过固溶处理后，会存在大量的热诱发马氏体和残余奥氏体。如果进行较小的预变形，就会使残余的奥氏体发生应力诱发马氏体相变，增加了马氏体量，所以提高了合金阻尼性能；变形量过大后，由于产生了马氏体，减少了马氏体，并引入了位错钉扎了阻尼源界面的移动，所以导致了阻尼性能反而下降。但是，Tomota73认为Fe-Mn二元合金经过固溶处理后，马氏体量在90左右，继续对其进行变形处理不能明显再增加其马氏体量，只能改变其马氏体片的形态，并诱发马氏体的产生。所以，对于变形提高Fe-Mn合金阻尼性能的本质原因需要进一步进行研究和论证。1.4.6 Mn含量的影响 图1.12是Fe-Mn合金的马氏体转变开始温度和层错能随Mn含量的变化曲线，这个图是研究和设计具有高阻尼性能Fe-Mn合金的基础。图1.12 Fe-Mn合金的马氏体转变开始温度和层错能随Mn含量的变化图74Jun63研究了不同Mn含量（1723）对Fe-Mn合金阻尼性能的影响，认为含17Mn的合金具有最高的阻尼性能，因为此时Fe-Mn合金的层错能较低（如图1.12所示），产生的马氏体较多，并且只有少量马氏体存在。Volynova55、Jun75和Marinelli 76都研究了Mn含量对Fe-Mn二元合金相变的影响，同样认为其层错能随着Mn含量的增加先降低后升高，层错能越高合金中的马氏体越少，当Mn含量小于14时由于发生(h.c.p.)(b.c.c.)相变也会导致马氏体量下降。所以Jun63和Lee74认为要想使设计出的Fe-Mn合金阻尼性能高，就要同时满足合金层错能低和不发生相变两个条件。这些结论，目前学术界普遍认同。1.4.7 第三种合金元素的影响 Co对Fe-Mn合金阻尼性能的影响有多篇文献报道64,77,78，结果基本都一致。认为Co是降低Fe-Mn合金层错能元素，在Fe-23Mn合金中加入03的Co元素后，合金的层错能降低，在室温时的马氏体含量增高，阻尼源界面也就增多，进而阻尼性能得到提高，所以Fe-Mn-Co是非常好的一种阻尼合金。 各国研究学者对N元素的影响结论有所不同：Gavriljuk65和Aaltio81认为0.2N大大提高了Fe-13.7Mn合金的阻尼性能和力学性能，其原因是N强化了奥氏体基体并增强了/界面的可移动性；Bliznuk79,82研究了0.1N对Fe-14Mn和Fe-16Mn的影响，认为N对Fe-Mn合金的阻尼性能影响不大，但能大大提高合金的力学性能和耐硫酸溶液腐蚀能力；Okada67,80研究了0.0090.13N对Fe-12Cr-22Mn合金的影响，认为N在此含量变化时，合金的马氏体体积分数下降，进而阻尼性能下降；Lee74研究了0.015N和0.05N对Fe-16Mn合金的影响，认为N降低合金