热处理工艺对mn73cu20ni5fe2合金组织和性能的影响毕业论文(编辑修改稿)

热处理工艺对mn73cu20ni5fe2合金组织和性能的影响毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

为内能的能力，这是材料的一种内秉性能。 理想弹性体在受外力情况下，应变瞬间响应应力；而在非理想弹性体中，应变会滞后应力，在应力 应变曲线中，会形成滞后回线(hysteresis loop)，此时说明材料具有阻尼性能（如 图 所示）。 根据内耗随频率和振幅的依赖关系，可将内耗分为以下三种： 四川大学硕士学位论文 2 图 应力 应变回线示意图 [2] a) 动态滞后型内耗 又称为驰豫型（或滞弹性）内耗，其显著特点是内耗与频率和温度有关，而与振幅无关。 这是由于材料的滞弹性行为而造成，实际的固体材料在加载和卸载过程中，应变通过驰豫过程达到其平衡位置。 物体出现滞弹性现象是由于外加应力改变了物体内部的某种平衡状态。 b) 静态滞后型内耗 该类型内耗的特点是内耗与振幅有关，而与振动频率无关。 这是由于材料的形变过程中，应力和应变不是单值函数造成。 完全卸载后，材料会有永久变形残留，需要反向加载才能消除残留变形。 c) 阻尼共振型内耗 该种内耗与动态型内耗相似，与动态型内耗的最大区别是，动态型内耗对温度很敏感，而阻尼共振型内耗对温度的依赖关系很小。 阻尼合金的分类 现在阻尼合金种类繁多，有着不同的应用。 按其成分可分为： Fe 基阻尼合金、 Mn 基阻尼合金、 Mg 基阻尼合金等，按其阻尼机制又可分为：铁磁型阻尼合金、孪晶型阻尼合金、位错型阻尼合金、马氏体型阻尼合金 等。 还应指出，各种阻尼合金的阻尼机制并不是唯一的，往往是多种阻尼机制共同作用，各类四川大学硕士学位论文 3 金属存在最主要机制。 常见的阻尼合金及其类别见 表。 表 常见阻尼合金及其分类 [1, 3] 合金系列 阻尼机制 合金 主要成分 典型合金 Co 系 铁磁型 CoNi (NIVCO10) Fe 系 FeCr Fe12Cr2Al (Silentalloy) Fe12Cr3Mo (Gentalloy) 界面型 /位错型 FeMn Fe19Mn[4] 复合型 Fe、 C 灰铸铁 ZnAl 系 ZnAl 22Al78Zn Mn 系 孪晶界面型 MnCu Mn37Cu4Al3Fe2Ni (Sonoston) Cu(4048)Mn2Al (Incramute) Mn20Cu5Ni2Fe (M2052)[5] MnNi/Fe Mn17Ni[6] Fe80Mn5Cu[7] NiTi系 NiTi Ni50Ti (Nitinol) Cu 系 CuZnAl Cu(1321)Zn(38)Al (Proteus) Mg系 位错型 MgZr (K1X1) [8] 上述的各类阻尼合金各有其优点，适用于不同的工况环境。 例如，铁磁型阻尼合金对小应变很敏感，在较小的振幅下就能获得较高的阻尼性能，但是随着振幅继续增大，阻尼性能显著下降，并且该类合金对形变和外加磁场很敏感。 Mg 基阻尼合金属于位错型阻尼合金，该类合金最大的特点是密度小，适用于航空航天领域，但这种合金的力学强度一般不高。 FeMn 阻尼合金的力学性能高，但是该类合金要在较大应变下才能发挥其减振降噪效果，并且这种合金耐蚀性能较差。 MnCu 阻尼合金属于孪晶界面型阻尼合金，该类合金经过合金化等手段后能较好的兼顾阻尼性能和力学性能，但是该类合金的阻尼性能对温度四川大学硕士学位论文 4 敏感，当温度高于 Ms 点后合金的阻尼性能显著下降。 在对阻尼合金进行设计时，往往会发现阻尼合金的阻尼性能与结构力学性能（特别是强度）相对立。 具有高的阻尼性能但其力学性能低，如 Mg 及其合金等；具有高的结构力学性能但阻尼性能差，如不锈钢等。 这一矛盾的存在限制了阻尼合金在工程上的应用。 如 图 所示为各合金的阻尼性能与力学性能之间的关系。 图 各种合金的力学性能与阻尼性能关系 [5] 从上面可以看出，各类阻尼合金各有优势，在选择阻尼合金时应针对具体的工况环境和要求来选取。 合金阻尼性能的表征及测试方法 阻尼性能的表征 材料的阻尼特性通常用阻尼性能 (damping capacity)来度量，它指材料消耗外界机械振动能的能力。 内耗的量度法有多种，常根据测量方法或振动情况的四川大学硕士学位论文 5 不同而选用不同的量度方法，各个性能参数间有一定的关系，可以互相转换。 内耗测量方法概括起来 可分为以下 五种 [9]： 当合金 内耗较小时，可用共振法 对合金的性能进行测量 ， 该方法分为两种：一是强迫振动， 从共振曲线的半宽度求得内耗 ，以品质因子的倒数 Q1来度量 ； 另一种为 在自由衰减的情形下， 以对数衰减率进行度量。 品质因子的倒数 Q1 [10]： rffQ 31  (11) 式中， Δf 是共振振幅一半处的频率差值 f2f1， fr 是共振频率。 共振峰的宽度表征了材料阻尼能力的大小（见 图 ）。 对数衰减率 (logarithmic decrement) δ[10]：当振动激发到一恒定振幅后，即停止激发，让其自由振动，由于振动能的消耗，振幅逐渐减小（见 图 ）。 因此δ 定义为： niiAAn ln1 (12) 式中， Ai 和 Ai+n 分别表示在自由振动下第 i 次和第 (i+n)次的振幅的大小。 图 试样在强迫振动中的共振峰示意图 图 材料的自由振动衰减曲线 当 内耗较大 并且 振动频率远小于系统的共振频率 时 ， 可采用 强迫振动法测量应变落后于应力的相角 θ[10]。 此时有如下定义式： 四川大学硕士学位论文 6 2 (13) 式中 η 为应变波滞后应力波的时间， T 为振动周期。 材料的阻尼 本领越大 ，则 相位差角越大，其 tanθ 也越大，因此可用相位差角及其正切来表征材料阻尼能力的大小 （见 图 ）。 图 材料在周期应力作用下的应力 应变关系 在外加应力（或应变振幅）较大时，可直接由滞后回线测 定 ΔW/W。 比阻尼系数 (SDC:Specific Damping Capacity)[3, 10]，或减振系数 ψ， 以振动的物体在一个周期内的振动能量损失率 ΔW/W 来 定义，用下式表示： %100%100( % ) 2 2 12  n nn A AAWWSD C  (14) 式中， W 为振动能量， ΔW 为一个周期 内损失的振动能量。 An 和 An+1分别为第 n 次和第 (n+1)次的振幅的大小。 当 振动频率较高（ 1MHz 以上） 时 ， 可从 应力波在试样中传播时的衰减系数 来表征材料 内耗（超声衰减）。 衰减系数 α[11](attenuation coefficient)，在采用超声波激发振动时，内耗可用穿过材料的脉冲声波的衰减来测量，其定义为：     cmxA xAxx 奈培2112 ln1 (15) 它表示经过单位距离振动振幅的对数衰减量，因此有 1 Q (16) 四川大学硕士学位论文 7  为声波波长。 在有的情况下，例如线性内耗或滞弹性内耗，在静力试验中所得的数据可以与动态试验中所得的数据相互换算，因而可用静力试验的方法求得内耗。 关于非线性内耗与静力试验数据的相互换算问题，还有待进一步研究。 上述各表征参量之间在一定的关系下可以互换。 当阻尼性能较低，如tanθ，通常可以用 tanθ， Q1或 δ 来表征材料的阻尼性能，他们之间的关系： 1 ta nQ            (17) 当阻尼性能较大时，如 SDC40%，通常用 SDC 来表征材料的阻尼性能，此时：   2121  eS D C (18) 阻尼性能测试方法 金属内耗的研究离不开合适的测试设备及方法。 自上世纪 40 年代我国金属内耗研究领域的先驱 —— 葛庭燧先生发明了扭摆仪后，金属低频内耗的研究进入了快速发展阶段 [12]，我国也相继建立了金属阻尼材料的测试标准 [13]。 随着科技的不断发展，在此基础上研究者们开发出了不同类型的内耗仪，测试精度不断提高，测试范围也不断拓展。 阻尼的测量应根据应用范围的不同而选择不同的测量方法，主要分为两类：一类是偏重于材料的理论研究；另一类主要偏重于材料工程结构件的阻尼性 能测量。 本文主要介绍前面一种测试方法。 应用于材料阻尼性能研究的方法根据频率范围可分为两类：共振法和亚共振法 [14]，而根据试样的振动状态可分为：自由衰减法与强迫振动法。 共振法 共振法即使试样在共振频率或附近做自由衰减振动，以此来测量材料的阻尼性能。 主要包括扭摆法和共振棒法。 扭摆法（ torsion pendulum method) 该方法主要分为三种：正扭摆法，倒扭摆法和 Collette 扭摆法 [14]。 第一种方法采用丝状或片状试样，上端用夹头固定悬挂，下端附加一惯性臂，用电磁场对惯性臂进行驱动，然后在其自由摆动过程中采集记录偏转振幅，用式 (12)四川大学硕士学位论文 8 可以计算出阻尼性能。 该方法适用于低频范围的测量， 但这种装置的背景内耗较大，约为 104数量级，故不能测量更小的内耗，并且该装置由于纵向拉力的影响，在高温下试样易产生蠕变。 因此实际测量时通常采用倒置扭摆仪。 该装置中惯性臂被置于试样的上方，并用平衡物来平衡惯性臂的重量。 这种方法适用的频率范围为 ~20Hz，振幅范围 107~104。 Collette 扭摆法主要用于低应变振幅 (107~106)下较大横截面积样品的内耗测量。 共振棒法（ resonance bar method) 又称为自由棒法 （ freefree bars） [14]或弯曲共振法。 试样通常为棒材或条状试样，在其振动节点位置通过刀口或细丝夹持，不附加惯性元件。 该方法可测量多种模式下（纵向、扭转和弯曲）材料的阻尼性能。 测量时将试样激发至共振状态，此时试样的阻尼性能可用自由衰减法测量（弯曲模式适用）或用共振峰的半高频宽表示。 在后一种情况中阻尼性能用式 (11)求得。 对共振棒法在超声频率范围推广发展了 超声脉冲法 (ultrasonic pulse method) ，又称为复合震荡器法 (posite oscillator)[1]，将试样薄片粘贴到熔石英上（置于加热炉中），利用压电晶片在试样一端产生超声短脉冲，然后用接收器测量其穿过试样到达 另一端的晶片或反射回到原激发晶片的脉冲振幅在试样中的衰减，及测出逐次反射后的脉冲振幅，利用式 (15)和式 (16)计算 阻尼性能。 通常在自由振动衰减、恒定振幅和共振峰频率等条件下进行。 这一方法测量小内耗不够灵敏，但对样品的尺寸要求不严格，故可用于测量结构件的内耗。 亚共振法 所谓亚共振法即将试样在较低的频率下振动试样，以此消除惯性力的影响。 该方法可直接通过测量复合应力应变斜率来获得动态弹性模量。 这种方法的主要优点是能在非常宽的频率范围内测量试样的内耗，主要有 DMA 和亚共振扭摆仪。 在 DMA 仪中，设备施加一个正弦交变的力，试样在该力下做强迫振动，其应变也是一正弦波，但是会滞后正弦力，如 图 所示。 利用傅里叶分析技术通过式 (13)可计算出材料的阻尼性能。 该设备可以以扫频模式、温度模式和应变幅度模式来测量材料的阻尼性能，通常测试频率范围可达 ，测试温度范围可达 70℃ ~600℃，可以测量很大模量范围的材料 (103106MPa)，该四川大学硕士学位论文 9 设备的最大特点是可以有多种变形模式：三点弯曲、单（双）悬臂、压缩、剪切和交变拉伸等。 DMA 广泛应用于 高分子材料测试，现也广泛被应用于金属材料的测试。 目前 DMA 仪器有两类：一类是由美国的 Du Pont 仪器公司开发的动态力学分析仪 (DMA)系列。 该仪器采用单悬臂法测阻尼性能，测量的温度范围 150℃~150℃，频率范围 2~85Hz，振幅 ~，加热速率 ~50℃ /min。 另一类是动态力学分析仪 (DMTA)系列。 该仪器可运用单、双悬臂法和三点弯曲法测材料的阻尼性能，测量的温度范围为 150℃ ~500℃，频率 106~200Hz，阻尼敏感度 104，阻尼分辨率 105。 各种测量方法的测量精度和适用测量范围并不相同，实际测量时应根据试样的状况来选择测量方法。 MnCu 高阻尼合金国内外研究现状 MnCu合金体。