【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高，MnCu合金的Ms點(diǎn)與TN點(diǎn)也升高[25]。通常反鐵磁轉(zhuǎn)變的溫度與馬氏體相變溫度接近并稍高于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，一般高30℃左右[26]。張?bào)K華[27]認(rèn)為錳基合金中的馬氏體相變和反鐵磁轉(zhuǎn)變是兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程，但由于MnCu合金中的TN點(diǎn)和Ms點(diǎn)很接近，因此反鐵磁轉(zhuǎn)變和馬氏體相變緊密耦合。兩種相變的耦合作用將會(huì)導(dǎo)致合金的彈性模量迅速降低[27, 28]。反鐵磁轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致四方晶格畸變[29]。MnCu合金在冷卻過(guò)程中首先發(fā)生反鐵磁轉(zhuǎn)變，%時(shí)，通過(guò)應(yīng)變釋放機(jī)制誘發(fā)fccfct馬氏體轉(zhuǎn)變，促使MnCu合金形成大量的孿晶結(jié)構(gòu)。大量學(xué)者[23, 3032]利用XRD等分析手段研究了MnCu合金中晶體結(jié)構(gòu)隨Mn含量的變化關(guān)系。%時(shí)，合金冷卻后仍然為面心立方結(jié)構(gòu)的γ相，此時(shí)晶格參數(shù)與Mn含量滿足以下關(guān)系：%時(shí)，合金在冷卻到室溫過(guò)程中將會(huì)發(fā)生fccfct轉(zhuǎn)變，最終得到面心四方結(jié)構(gòu)，此時(shí)四方度c/a與Mn含量之間滿足以下關(guān)系： MnCu合金中的調(diào)幅分解當(dāng)合金中的Mn含量小于80%時(shí)，Ms點(diǎn)降低將低于室溫，因此不能直接通過(guò)固溶淬火來(lái)使合金在室溫下獲得馬氏體孿晶結(jié)構(gòu)。大量研究發(fā)現(xiàn)，MnCu合金中的γ相并不穩(wěn)定，當(dāng)處于某一溫度區(qū)間時(shí)，單一的γ相會(huì)發(fā)生上坡擴(kuò)散分解為富Mn區(qū)和貧Mn區(qū)，這一溫度區(qū)間被稱為亞穩(wěn)混合區(qū)(miscibilty gap)（相圖中的I、II為不同的作者提出的亞穩(wěn)混合區(qū)），這一分解過(guò)程被稱為調(diào)幅分解(Spinodal deposition)。調(diào)幅分解是固溶體在一定溫度下分解為結(jié)構(gòu)相同而成分不同的兩相的過(guò)程。在多種合金中都存在[33]，例如：CuNiFe合金、FeCr合金等。鄧華銘[34]、胡庚祥[35]、殷福星[26, 32, 36]等已通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算證明了MnCu合金中調(diào)幅分解的存在。由于調(diào)幅分解的存在，當(dāng)Mn70%時(shí)對(duì)固溶處理后的試樣在亞穩(wěn)區(qū)保溫一段時(shí)間（即時(shí)效處理），合金發(fā)生調(diào)幅分解。在調(diào)幅分解還未進(jìn)行完全時(shí)，將試樣冷卻到室溫。由于處在調(diào)幅分解的中間過(guò)程，α相并未明顯脫溶析出，但此時(shí)Mn開始偏聚，在晶界內(nèi)形成富Mn微區(qū)。郭二軍[37]等指出此時(shí)可以觀察到“花呢”狀組織，這種“花呢”狀組織其實(shí)就是具有共格關(guān)系的富Mn區(qū)和富Cu區(qū)。雖然MnCu合金的平均Mn含量低于70%，但經(jīng)過(guò)調(diào)幅分解后，富Mn區(qū)的Mn含量80%[36]，因此冷卻到室溫過(guò)稱，這一微區(qū)的相轉(zhuǎn)變行為與高M(jìn)n含量的MnCu合金相轉(zhuǎn)變相同。 MnCu合金的內(nèi)耗特征 Mn12%Cu合金在聲頻橫振動(dòng)下的內(nèi)耗溫度譜[18]錳基高阻尼合金除了孿晶內(nèi)耗以外，還存在反鐵磁轉(zhuǎn)變內(nèi)耗[21]和馬氏體相變內(nèi)耗[3842]兩種內(nèi)耗。但由于MnCu合金中馬氏體相變和反鐵磁轉(zhuǎn)變耦合，并且反鐵磁轉(zhuǎn)變內(nèi)耗遠(yuǎn)低于馬氏體相變內(nèi)耗，因此在MnCu合金中可認(rèn)為只存在馬氏體相變內(nèi)耗和孿晶內(nèi)耗。在高錳含量的MnCu合金中，聲頻內(nèi)耗譜中會(huì)看到兩個(gè)內(nèi)耗峰，低溫峰（主峰）為孿晶內(nèi)耗峰；高溫峰（副峰）為馬氏體相變峰，此時(shí)伴隨著彈性模量的軟化。研究指出隨著Mn含量的降低，馬氏體相變峰向低溫側(cè)移動(dòng)，且當(dāng)錳含量低于74%時(shí)不再有孿晶峰和馬氏體相變峰出現(xiàn)。王力田[40]、謝存毅[41]等認(rèn)為馬氏體相變內(nèi)耗可分為兩部分，分別為相變內(nèi)耗中的穩(wěn)定部分和低溫背景內(nèi)耗，其中穩(wěn)定峰的峰溫與頻率無(wú)關(guān)，峰高隨頻率的增加而減小，不屬于靜滯后型內(nèi)耗，該種內(nèi)耗主要是由馬氏體與母相界面的運(yùn)動(dòng)引起；低溫背景內(nèi)耗由馬氏體片間界面運(yùn)動(dòng)引起，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的振幅依賴性，其大小決定于馬氏體片間界面的數(shù)量。張?bào)K華[27]通過(guò)系統(tǒng)研究錳基合金的內(nèi)耗特征發(fā)現(xiàn)，無(wú)論錳含量的高低，錳基合金都能通過(guò)馬氏體相變與反鐵磁轉(zhuǎn)變耦合或馬氏體相變內(nèi)耗與孿晶阻尼內(nèi)耗耦合獲得高阻尼性能。當(dāng)然，影響MnCu合金阻尼性能大小的因素有很多，但在材料設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)合金的成分和組織進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)各種手段改變其成分和組織，就能獲得具有高阻尼性能和優(yōu)良力學(xué)性能的MnCu合金。因此，這為我們提供了改善MnCu合金性能的途徑：合金化。錳銅二元高阻尼合金因錳含量高，耐腐蝕性極差，因此在工程應(yīng)用中一般尋找Mn的替代元素，例如添加Ni、Al、Zn等合金元素來(lái)降低錳含量，同時(shí)改善合金的耐腐蝕、強(qiáng)度、韌性等綜合機(jī)械性能。熱處理。由于MnCu合金存在調(diào)幅分解區(qū)，通過(guò)合適的熱處理手段使低Mn含量的MnCu合金具有高阻尼性能成為可能。 合金化合金化是改善MnCu二元合金的力學(xué)性能及耐蝕性能的主要手段。最早開發(fā)的商用鑄造MnCu合金就是經(jīng)多元素合金化而來(lái)。[43]除了上述的幾種常用的鑄造合金外，還有幾種其它常見的MnCu高阻尼合金，如GZ50：50%Mn，3%Al，2%Fe，1. 5%Ni，余量為Cu；ZMnD1J[44]：Mn 50 %、Zn 5 %、Al 2 %、余量Cu；M2052[5, 45, 46]：20at%Cu、5at%Ni、2at%Fe、余量Mn。從上述各合金成分可以看出，在MnCu合金中常加的合金元素包括：Al、Fe、Ni、Zn、Cr、Mo元素等。上述各類合金除了M2052和ZMnD1J為鍛造合金外，其它合金主要為鑄造合金。，MnCu二元合金結(jié)晶溫度最小的點(diǎn)在871℃，此時(shí)Mn含量為33%。當(dāng)Mn含量較高時(shí)，MnCu合金的凝固區(qū)間很寬，此時(shí)合金的鑄造性能很差，為了提高合金的鑄造性能，通常降低合金中的Mn含量，因此上面的各類鑄造合金的Mn含量較低，大約在50%左右。關(guān)于各類合金元素對(duì)MnCu合金的阻尼性能、力學(xué)性能及其它性能的影響在許多文獻(xiàn)[44, 4750]中都已報(bào)道。MnCu合金中各合金元素的作用不同，Ni能顯著提高合金的阻尼性能，同時(shí)能改善合金的耐蝕性能；Fe對(duì)阻尼性能和力學(xué)性能有影響；Zn和Al元素能提高合金的Ms點(diǎn)，從而使合金具有較高的阻尼性能，同時(shí)這兩種元素能顯著改善合金的澆鑄性能；Cr元素能提高M(jìn)nCu合金的抗應(yīng)力腐蝕的能力，但對(duì)合金的阻尼性能有不利影響。概括起來(lái)講，各合金元素的添加主要是為了提高低Mn含量MnCu合金的相變點(diǎn)，使合金具有較高的阻尼性能，同時(shí)用來(lái)改善合金的澆注性能和耐蝕性能。在MnCu高阻尼合金的使用過(guò)程中還存在著一不利因素：合金的阻尼性能會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而衰減[51]，這嚴(yán)重阻礙了MnCu合金的廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，合金中的C、Si等雜質(zhì)元素的偏聚是導(dǎo)致阻尼性能衰減的主要原因[52, 53]，通過(guò)向合金中添加適量的稀土元素Ce[54]或Er[55]能顯著改善合金的性能衰減，這主要是稀土元素對(duì)雜質(zhì)原子的釘扎，起到了凈化界面的作用。 熱處理熱處理制度對(duì)MnCu合金的阻尼性能有很大影響。如上所述，MnCu合金，特別是低Mn含量的MnCu合金必須在混溶區(qū)保溫一定時(shí)間，以致發(fā)生調(diào)幅分解形成富Mn微區(qū)，從而使合金具有高的阻尼性能。根據(jù)不同的合金成分，一般在850℃~900℃區(qū)間進(jìn)行固溶處理。低Mn含量的MnCu合金固溶淬火后，試樣內(nèi)含有大量的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)相互交織構(gòu)成均勻的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，這說(shuō)明在淬火狀態(tài)下組織有很大的內(nèi)應(yīng)力[37]。此時(shí)的內(nèi)耗很低（104數(shù)量級(jí)），在所測(cè)得溫度范圍內(nèi)無(wú)內(nèi)耗峰出現(xiàn)。在調(diào)幅線溫度以內(nèi)(400~600℃)，合金處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，合金將以原子擴(kuò)散的形式分解，經(jīng)一定的時(shí)效時(shí)間后形成局域的富Mn區(qū)和富Cu區(qū)，最后形成平衡相γ+α。時(shí)效過(guò)程就是Mn原子的擴(kuò)散過(guò)程，通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間，富Mn區(qū)的Mn濃度增加但不會(huì)脫溶析出。衣虎春[56]等研究了MnCuAl合金在時(shí)效過(guò)程中的阻尼性能、力學(xué)性能及微觀組織的變化。在調(diào)幅區(qū)內(nèi)時(shí)效，內(nèi)耗在一定時(shí)間內(nèi)能達(dá)到極大值，但進(jìn)一步時(shí)效，內(nèi)耗開始降低，這歸因于αMn的析出。同時(shí)隨著時(shí)效時(shí)間的增加，合金的強(qiáng)度和硬度也增加。雖然試樣的平均成分低于70%，但在時(shí)效過(guò)程中由于調(diào)幅分解而產(chǎn)生的顯微不均勻性，可使局部區(qū)域的Mn原子濃度大于70%。K. Tsuchiya[57, 58]等研究了Mn（1430 at.%）Cu合金的相變點(diǎn)和電阻率隨時(shí)效時(shí)間的變化情況。結(jié)果顯示，隨著時(shí)間溫度和時(shí)效時(shí)間的增加，合金的相變點(diǎn)顯著升高，而電阻率降低，并且相變點(diǎn)的變化與電阻率的變化呈線性關(guān)系。相變點(diǎn)的升高是由調(diào)幅分解造成。王麗萍、郭二軍[37, 59]等研究了ZMnD1J（Mn 50 %、Zn 5 %、Al 2 %、余量Cu）合金在時(shí)效過(guò)程中晶體結(jié)構(gòu)與顯微組織的變化情況。結(jié)果顯示，阻尼性能對(duì)時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間非常敏感，晶體結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起阻尼性能的變化；根據(jù)時(shí)效過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)的變化將時(shí)效過(guò)程分為三個(gè)階段：花呢結(jié)構(gòu)的形成、微細(xì)孿晶組織的形成和αMn相的形成。花呢結(jié)構(gòu)其實(shí)就是調(diào)幅組織，它為孿晶的形成奠定了基礎(chǔ)；隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)大量的微細(xì)孿晶結(jié)構(gòu)，但進(jìn)一步時(shí)效后αMn相的析出會(huì)惡化材料的阻尼性能。殷福星[26]等研究了不同Mn含量的MnCu合金相變點(diǎn)、磁性轉(zhuǎn)變、電阻率和微觀組織隨時(shí)效時(shí)間的變化情況。結(jié)果顯示，TN（奈爾溫度）比Tt點(diǎn)高20~30℃，在短時(shí)效時(shí)間內(nèi)合金就會(huì)形成富Mn區(qū)與富Cu區(qū)，隨時(shí)效的進(jìn)行，富Mn區(qū)和富Cu區(qū)的濃度進(jìn)一步升高，但是富Mn區(qū)的含量反而隨時(shí)效的進(jìn)行而降低。電阻率、磁性變化以及TEM分析都證實(shí)了合金在時(shí)效過(guò)程中發(fā)生了調(diào)幅分解。 形變對(duì)阻尼性能的影響陸文龍[60]等研究了擠壓狀態(tài)下MnCu阻尼合金的阻尼性能。%%%ZnCu的擠壓試樣在800℃固溶+400℃時(shí)效處理后，相比于水冷金屬型試樣其阻尼性能要高出20%。QingchaoTian[61]等研究了形變量對(duì)Mn15at%Cu合金馬氏體相變內(nèi)耗行為的影響。其阻尼性能要比沒(méi)變形的試樣要高，內(nèi)耗的變化可分為兩個(gè)階段，當(dāng)形變量4%時(shí)，隨形變量的增加，合金的阻尼性能升高；但繼續(xù)變形其阻尼性能下降。形變對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度也有影響。QingchaoTian[62]等研究了形變量對(duì)Mn15at%Cu合金孿晶內(nèi)耗行為的影響。其阻尼性能相比于沒(méi)有變形的試樣要低，合金的阻尼行為也可分為兩各階段，應(yīng)變量2%時(shí)，變形后其阻尼性能顯著降低；當(dāng)2%時(shí)，隨形變的增加，阻尼性能下降緩慢。經(jīng)過(guò)熱處理后，低應(yīng)變情形下阻尼性能會(huì)恢復(fù)原來(lái)的水平，但在大應(yīng)變下內(nèi)耗不能完全恢復(fù)。 MnCu合金的工程應(yīng)用MnCu合金是較早開發(fā)出來(lái)的實(shí)用阻尼合金，現(xiàn)已在國(guó)防和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。英國(guó)的STONE MANGANESE MARINE 174。，被廣泛應(yīng)用于制造潛艇螺旋槳。美國(guó)國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)于1975年開發(fā)出了INCRAMUTE174。后來(lái)，各國(guó)都相繼開發(fā)出了具有實(shí)用價(jià)值的MnCu高阻尼合金，這很大程度的拓展了MnCu阻尼合金體系的范圍。安靜性是潛艇的重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，而螺旋槳是潛艇的主要噪聲源之一。眾所周知，螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于空泡的激勵(lì)便會(huì)發(fā)生“唱聲”，這種“唱聲”易被敵艦聲納所捕獲，使?jié)撏н^(guò)早暴露而處于被擊的局面，而即使改進(jìn)設(shè)計(jì)方法也很難消除“唱聲”，用高阻尼合金制造潛艇螺旋槳，就成了各國(guó)海軍都關(guān)心的課題[63]。英國(guó)的Sonoston合金、前蘇聯(lián)的ABPOPA合金和我國(guó)的“2310”合金就是專門為潛艇螺旋槳而研制的高阻尼合金。Sonoston合金現(xiàn)已被廣泛用于海軍艦艇和潛艇推進(jìn)器制造材料。這種合金的特點(diǎn)也是隨溫度上升逐漸下降，至90℃時(shí)下降近似于零。我國(guó)于1989年開發(fā)的“2310”高阻尼合金，應(yīng)用于潛艇螺旋槳時(shí)具有比Sonoston更優(yōu)良的耐蝕性能，采用該合金后噪聲明顯降低，在相同航速下相比于銅槳降低5~9dB[47]。美國(guó)國(guó)際銅研究學(xué)會(huì)與上世紀(jì)六十年研制了Incramute合金[64]，該合金含Mn40%左右，其余主要為Cu，為了增加機(jī)械性能和抗蝕性能，另外添加Al(%~6%)、Ni(%)，Pb(≤1%)、Fe(5%)、Sn(2%)，這種合金馬氏體相變溫度低，常用于≤150℃工作環(huán)境，特別是室溫條件下，溫度要求不高，而經(jīng)常發(fā)生碰撞沖擊的機(jī)械部件，如低功率傳動(dòng)齒輪，降噪效果明顯。殷福星[5, 65, 66]等開發(fā)了具有優(yōu)良力學(xué)性能和高阻尼性能的MnCu合金M2052，由于具有優(yōu)良的冷、熱加工性能，現(xiàn)已被應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)件中。王麗萍[44]等開發(fā)出了MnCu阻尼合金ZMnD1J(50%Mn5%Zn2%AlCu)，由于力學(xué)性能優(yōu)良、阻尼性能高可以作為機(jī)電產(chǎn)品的某些結(jié)構(gòu)件。在工程中，MnCu合金已應(yīng)用于鏈條傳輸機(jī)、鑿巖機(jī)機(jī)桿、柴油機(jī)機(jī)座、透鏡臺(tái)架、汽輪機(jī)用內(nèi)嚙合齒輪、低噪聲車輪、滾珠軸承、科特雷爾型熱靜電集塵器用錘、凸輪軸齒輪、卡車用傳動(dòng)齒輪[3]。 選題意義及研究?jī)?nèi)容 選題意義現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，要求機(jī)械設(shè)備有更高的功率和精度，此時(shí)振動(dòng)成為設(shè)備損壞和影響工作精度的重要因素。同時(shí)，噪音污染也成為嚴(yán)重的污染源。因此，減振降噪成為制造業(yè)必須考慮的環(huán)節(jié)。阻尼合金是一種具有高效率的將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的合金，在減振降噪領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。MnCu合金由于兼具了高的力學(xué)性能和阻尼性能，因此在工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。MnCu合金是最早被開發(fā)出來(lái)并被應(yīng)用于潛艇螺旋槳的一類高阻尼合金。英國(guó)、美國(guó)、日本和中國(guó)等各國(guó)先后開發(fā)出了具有工程應(yīng)用價(jià)值的高阻尼MnCu合金：Sonoston、Incramute、M2052和23ZMnD1J等。阻尼合金在使用過(guò)程中始終追求高的減震降噪效果，同時(shí)兼具優(yōu)異的力學(xué)性能。合金阻尼性能的獲得都需要通過(guò)一定的熱處理方式，而報(bào)道過(guò)的M2052合金常用的熱處理方式為900℃保溫1h后，隨爐冷卻，在緩慢冷卻的過(guò)程中發(fā)生調(diào)幅分解以此獲得阻尼性能。這種熱處理方式使合金在調(diào)幅分解溫度區(qū)間保溫時(shí)間不穩(wěn)定，因此獲得的阻尼性能較低并且不穩(wěn)定，不能具體確定合金發(fā)生調(diào)幅分解的溫度區(qū)間。時(shí)效處理能使M2052合金在調(diào)幅分解溫度區(qū)間保溫不同時(shí)間，合金發(fā)生調(diào)幅分解的程度也不一樣，因此通過(guò)時(shí)效處理能穩(wěn)定的獲得不同調(diào)幅分解程度下的合金，以此可以確定M2052合金的調(diào)幅分解溫度區(qū)間，并通過(guò)性能測(cè)試確定合金的最佳熱處理制度，同時(shí)可以研究合金熱處理制度與合金性能及微觀組織的關(guān)系。查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，還未系統(tǒng)的報(bào)道過(guò)時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)間對(duì)M2052合金性能及組織的影響，因此本文通過(guò)系統(tǒng)的研究熱處理工藝對(duì)MnCu阻尼合金組織和性能的影響，為后續(xù)工程應(yīng)用提供支持。