【導(dǎo)讀】了越來越廣泛的應(yīng)用。MnCu合金屬于孿晶型高阻尼合金，該合金兼具了較高。的力學(xué)性能和阻尼性能，因此得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Mn-20Cu-5Ni-2Fe合金組織和性能的影響。從材料的組織和性能之間的關(guān)系出。通過分析得到了如下結(jié)。尼性能的溫度區(qū)間為400℃~500℃。溫度較好的滿足拋物線關(guān)系。在時效時間為4h時，合金在435℃達(dá)到最大阻尼。的阻尼峰值反而降低。區(qū)長大，富Mn區(qū)的最大Mn含量與時效溫度有關(guān)，時效溫度升高該含量降低。通過應(yīng)變釋放機(jī)制，晶格發(fā)生一定程度的畸變，形成孿晶結(jié)構(gòu)。合金強(qiáng)度隨時效時間的增加可分為兩個階段，當(dāng)時效時間小于4h. 量的增加而迅速降低，當(dāng)形變量大于2%時，合金的阻尼性能已顯著降低。變過程引入的位錯對孿晶界面的釘扎作用是合金阻尼降低的主要原因。當(dāng)形變量較小時孿晶帶變細(xì)并發(fā)生重排，此時回復(fù)處理能

　　

【正文】 hao Tian[61]等 研究了形變量 對 Mn15at%Cu 合金馬氏體相變內(nèi)耗行為的影響。其阻尼性能要比沒變形的試樣要高，內(nèi)耗的變化可分為兩個階段，當(dāng)形變量 ? 4%時，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。形變對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度也有影響。 Qingchao Tian[62]等 研究了 形變 量對 Mn15at%Cu合金孿晶內(nèi)耗行為的影響。其阻尼性能相比于沒有變形的試樣要低，合金的阻尼行為也可分為兩各階 段，應(yīng)變量 ? 2%時，變形后其阻尼性能顯著降低；當(dāng) ? 2%時，隨形變的增加，阻尼性能下降緩慢。經(jīng)過熱處理后，低應(yīng)變情形下阻尼性能會恢復(fù)原來的水平，但在大應(yīng)變下內(nèi)耗不能完全恢復(fù)。 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 MnCu 合金的工程應(yīng)用 MnCu 合金是較早開發(fā)出來的實用阻尼合金，現(xiàn)已在國防和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。 英國的 STONE MANGANESE MARINE 1964 年開發(fā)出了具有實用價值的鑄造高阻尼 MnCu合金 SONOSTON174。，被廣泛應(yīng)用于制造潛艇螺旋槳。美國國際銅業(yè)協(xié)會于 1975 年開發(fā)出了 INCRAMUTE174。后來，各國都相繼開發(fā)出了具有實用價值的 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)時由于空泡的激勵便會發(fā)生“唱聲 ”，這種“唱聲 ”易被敵艦聲納所捕獲，使?jié)撏н^早暴露而處于被擊的局面，而即使改進(jìn)設(shè)計方法也很難消除“唱聲 ”，用高阻尼合金制造潛艇螺旋槳，就成了各國海軍都關(guān)心的課題 [63]。英國的 Sonoston 合金、前蘇聯(lián)的 ABPOPA 合金和我國的“ 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。這種合金的特點也是隨溫度上升逐漸下降，至 90℃時下降近似于零。我國于 1989 年開發(fā)的“ 2310”高阻尼合金，應(yīng)用于潛艇螺旋槳時具有比 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]。 美國國際銅研究學(xué)會與上世紀(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、四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 透鏡臺架、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、卡車用傳動齒輪 [3]。 選題意義及研究內(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，此時振動成 為設(shè)備損壞和影響工作精度的重要因素。同時，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)出來并被應(yīng)用于潛艇螺旋槳的一類高阻尼合金。英國、美國、日本和中國等各國先后開發(fā)出了具有工程應(yīng)用價值的高阻尼 MnCu合金： Sonoston、 Incramute、 M2052 和 23 ZMnD1J 等。 阻尼合金在 使用過程中始終追求高的減震降噪效果，同時兼具優(yōu)異的力學(xué)性能。合金阻尼性能的獲得都需要通過一定的熱處理方式，而報道過的 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。時效處理能使 M2052 合金在調(diào)幅分解溫度區(qū)間保溫不同時間，合金發(fā)生調(diào)幅分解的程度也不一樣，因此通過時效處理能穩(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，并通過性能測試確定合金的最佳熱處理制度，同時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。查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，還未系統(tǒng)的報道過時效溫度及時效時間對 M2052 合金性能及組織的影響，因此本文通過系統(tǒng)的研究熱處理工藝對 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。 本文研究內(nèi)容 材料研究一般從三方面入手，即成分、性能和微觀組織，以考察三者之間的影響關(guān)系。本實驗所使用的材料成分確定，為 M2052（ Mn20Cu5Ni2Fe, at. %），通過改變熱處理制度來探 討合金的微觀組織與性能之間的關(guān)系。本研四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 究內(nèi)容為熱處理工藝對 M2052 合金組織和性能的影響，主要分為三個部分： 時效處理對 M2052 合金阻尼性能的影響，獲得不同時效狀態(tài)下的試樣后，首先利用倒扭擺儀測試合金的阻尼性能，再利用光學(xué)顯微鏡、 XRD 和 TEM等手段來分析不同時效狀態(tài)下的微觀組織的變化情況，最后結(jié)合阻尼性能數(shù)據(jù)和微觀數(shù)據(jù)來探討時效處理合金組織和性能的影響關(guān)系。 時效處理對 M2052 合金力學(xué)性能的影響，獲得不同時效狀態(tài)下的試樣后，利用電子萬能試驗機(jī)測試合金的力學(xué)性能，結(jié)合力學(xué)性能數(shù)據(jù)和微觀數(shù)據(jù)來探討 兩者之間的關(guān)系。 形變熱處理對 M2052 合金阻尼性能的影響，獲得不同形變量下的試樣并對形變后的試樣在 435℃進(jìn)行回復(fù)處理，首先利用倒扭擺儀測試合金的阻尼性能隨形變量的變化情況，再利用光學(xué)顯微鏡和 XRD 等手段來分析不同形變量及回復(fù)處理后微觀組織的變化情況，最后結(jié)合阻尼性能數(shù)據(jù)和微觀數(shù)據(jù)來探討形變及回復(fù)處理對性能和組織的影響關(guān)系。 本研究方案系統(tǒng)地研究 M2052 合金中熱處理方式對微觀組織及性能的影響。預(yù)期得到以下幾方面的成果，為合金的工程應(yīng)用提供參考。 系統(tǒng)獲得不同時效狀態(tài)下合金的阻尼性能，確定合金發(fā)生調(diào)幅 分解的溫度區(qū)間，并結(jié)合性能數(shù)據(jù)獲得 M2052 合金的最佳熱處理制度。 通過光學(xué)金相、 XRD 和 TEM 等分析手段，獲得不同熱處理狀態(tài)下微觀結(jié)構(gòu)的變化情況，進(jìn)一步理解微觀結(jié)構(gòu)的變化與合金性能之間的關(guān)系。 確定形變處理及回復(fù)處理對合金阻尼性能的影響情況，并獲得相應(yīng)的微觀組織的變化情況，以此理解形變及其回復(fù)對阻尼性能的影響。 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 本文技術(shù)路線 合金熔煉 鍛壓、軋制成型 900℃保溫 1h水淬 制備試樣 合金性能與結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系 時效處理 形變及回復(fù) 阻尼性能測試 金相觀察 X R D T E M 力學(xué)性能測試 性能測試 微觀表征 孿晶結(jié)構(gòu) 調(diào)幅組織 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 第 2章 實驗材料及方法 實驗材料 原材料采用電解 Mn、電解 Cu、電解 Ni 和純 Fe。使用 ZG25A 真空感應(yīng)爐在氬氣保護(hù)下熔煉合金，在金屬模中澆鑄成錠。鑄錠切除冒口并在 850℃下均勻化處理 24h，車掉表面氧化皮，然后熱鍛成橫截面為 150mm 15mm 的板材。 實驗方法 熱處理方法 固溶及時效處理 鍛后的板材在 900℃保溫 1h 后，放入冰水中冷卻。利用線切割切取 120mm阻尼試樣及拉伸試樣。試樣表面小心打磨后，分別在 405℃ ~465℃范圍內(nèi)保溫不同時間后空冷。 形變熱處理 時效處理（ 435℃保溫 4h）后的試樣進(jìn)行預(yù)變形。預(yù)變形在瑞格爾電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為 2mm/min，獲得不同形變量的試樣。預(yù)變形后的試樣在 435℃下保溫不同時間進(jìn)行回復(fù)處理。 阻尼性能測試 本實驗主要使用兩種方法表征和測試材料的阻尼性能，分別為倒扭擺儀和DMA，兩種測試方法的具體原理見上一章節(jié)。倒扭擺儀主要用來表征材料的室溫阻尼性能， DMA 主要用來表征合金的相變點。兩種測試設(shè)備如 圖 所示。 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 圖 阻尼測試設(shè)備（ AJN1 型葛氏倒扭擺儀 。 BDMA） JN1 倒扭擺儀 圖 倒扭擺儀構(gòu)造原理圖 （圖中 ，各部件為： 1光源； 2擺錘； 3慣性臂； 4懸絲； 5滑輪； 6配重碼； 7小鏡； 8擺桿； 9試樣； 10上、下夾頭； 11基座； 12傳感器； 13振幅、頻率和相應(yīng)測量裝置； 14磁針（鐵）； 15激發(fā)裝置） 室溫阻尼性能采用自由衰減法，使用 JN1 型葛氏倒扭擺儀，在室溫環(huán)境下測試。如 圖 所示為倒扭擺儀構(gòu)造圖，通過控制箱在激勵線圈上產(chǎn)生一個具A B 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 23 有一定頻率和振幅的交變磁場，磁場驅(qū)動橫擺桿上的永磁體，使與試樣連接的豎擺桿擺動，同時在豎擺桿上固定有小鏡片和防止擺桿橫向擺動的阻尼油。調(diào)整合適的電壓頻率和振幅使絲材建立一恒定的擺動，此時即達(dá)到試樣的共振頻率。停止激勵后，擺桿做自由擺動，若試樣具有阻尼性能，擺桿的擺動振幅就會逐漸減小，材料的阻尼性能越大，擺桿達(dá)到靜止的時間就會越短 。通過豎擺桿上的光鏡反射的光信號，使用硅光電池就能采集到擺桿的擺動振幅隨時間的變化情況。 本實驗為了觀察試樣在較大應(yīng)變范圍內(nèi)的內(nèi)耗情況，測試時試樣的應(yīng)變幅度較大。當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變幅度較大后，設(shè)備采集的電壓信號與扭轉(zhuǎn)角度并非線性關(guān)系，因此需要進(jìn)行校標(biāo)處理。校標(biāo)過程如下所述。 校標(biāo)及數(shù)據(jù)處理過程 如式 (12)所示，為利用 對數(shù)衰減率表征材料阻尼大小的計算公式。此時，計算公式為： 1ln iinn?? ??? (21) 式中， θi 和 θi+n 分別表示在自由振動下 試樣 第 i 次和第 (i+n)次的 擺動 振幅大小 ，即為試樣的扭轉(zhuǎn)角度大小 。 圖 光電壓信號與真實角度之間的對應(yīng)關(guān)系 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 24 如 圖 所示為采集到的光電壓信號與對應(yīng)的真實角度之間的對應(yīng)關(guān)系，從圖中可以看出，在較小的擺動范圍內(nèi)光電壓與角度之間滿足線性關(guān)系，此時可以直接使用光電壓信號 U 帶入式 (21)。但是當(dāng)擺動幅度較大時， 可以明顯看出兩者之間呈非線性關(guān)系。此時若直接將光電壓信號帶入式 (21)所得到的對數(shù)衰減率會失真，因此需要找出光電壓與試樣扭轉(zhuǎn)角度之間的非線性關(guān)系。如 圖 所示，在 Origin 中經(jīng)過 5 次多項式擬合得到光電壓與扭轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系式： 23450 . 0 2 6 3 9 5 . 5 9 7 6 5 2 . 3 3 9 5 8 3 8 . 8 9 5 3 94 . 0 8 2 8 7 6 2 . 8 9 4 5 7U U UUU? ? ? ? ? ??? (22) 圖 不同狀態(tài)下光電壓信號隨時間的變化 如 圖 所示為采集到的不同狀態(tài)試樣光電壓信號隨時間的變化情況。在Origin 中采集出上部的扭轉(zhuǎn)振幅峰值，帶入式 (22)得到真實扭轉(zhuǎn)角度 θi，然后帶入式 (21)即可得到對數(shù)衰減率。 圖 試樣扭轉(zhuǎn)示意圖 A B 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 25 試樣的應(yīng)變按表面的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變計算，如 圖 所示。當(dāng)試樣的長度 Ld時，試樣的表面應(yīng)變按下式計算： 2rdLL??? ?? (23) 式中， θ 為扭轉(zhuǎn)角度， rad； d 為試樣直徑，取 ； L 為試樣的長度，取 100mm。 力學(xué)性能測試 室溫拉伸 切取如 圖 所示的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試樣，經(jīng)熱處理后使用瑞格爾電子萬能試驗機(jī)（ 10kN 力傳感器， 25mm 引伸計）進(jìn)行拉伸測試，測試標(biāo)準(zhǔn)按 GB/T 執(zhí)行，每組 2 個樣。拉伸速度： 4mm/min。測試完成后直接從計算機(jī)中讀取相應(yīng)的強(qiáng)度值，斷后延伸率 A 手動測量。 圖 室溫標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣 洛氏硬度 熱處理后的試樣使用砂紙去掉表面氧化皮，然后使用 HR150A 洛式硬度計測試其 HRB。測試標(biāo)準(zhǔn)按 GBT 執(zhí)行。試樣塊尺寸： 15mm 10mm 5mm。 相變點分析 M2052 合金的相變點表征有一定的困難，這可能是該合金的微觀組織隨溫四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 26