ОСОБЕННОСТИ ДЕМПФИРОВАНИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Mn – Cu, ЛЕГИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕМ И ЦИНКОМ
ОСОБЕННОСТИ ДЕМПФИРОВАНИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Mn – Cu, ЛЕГИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕМ И ЦИНКОМ
Аннотация
Сплавы высокого демпфирования на основе Mn – Cu могут эффективно использоваться для снижения вибрации и шума элементов современной высокотехнологичной техники. Исследований о влиянии легирования алюминием и цинком на величину и стабильность демпфирующей способности двойных сплавов Mn – Cu в области амплитудно-независимого демпфирования недостаточно, а их результаты в ряде случаев неоднозначные. Выяснение влияния легирования перечисленных элементов на демпфирование проводили на сплаве Cu + 60% Mn. Изучали демпфирующую способность (логарифмический декремент затухания колебаний) при поперечных колебаниях образцов в диапазоне частот от 1,6 кГц до 2,2 кГц и амплитудах деформации относительного сдвига (1 – 5) · 10-6%. Выявлены два максимума демпфирующей способности в закалённых от 1093 К в воду сплавах Cu + 60% Mn с 0,6% и 4,6% алюминия, 1,0% и 10,0% цинка после старения при температуре 673 К. Получение двух максимумов демпфирующей способности обусловлено очевидно двумя одновременно происходящими процессами в сплавах на основе Mn – Cu: образованием зародышей мартенситной ГЦТ фазы и чистого γ-марганца, который превращается при охлаждении в стабильную фазу α-марганец. Установлено, что легирование 0,6% и 4,6% алюминия, 1,0% и 10,0% цинка не повышает уровень демпфирующей способности двойного сплава Cu + 60% Mn и не способствует сохранению высокого уровня демпфирования при естественном старении в области амплитудно-независимого демпфирования.
1. Введение
Эксплуатация современных машин, механизмов и технологического оборудования сопровождается постоянным возрастанием динамических и виброакустических нагрузок вследствие увеличения их мощности, энергонагруженности и производительности за счёт высокой скорости движения их рабочих органов , , , , . В технике для снижения вибрации и шума применяют сплавы на основе Mn – Cu с высоким внутренним трением или демпфированием. Демпфирующая способность этих сплавов на 1 – 2 порядка выше, чем у сталей, промышленных алюминиевых, медных и титановых сплавов, и в несколько раз больше, чем у чугунов , , , , . Однако высокая демпфирующая способность сплавов на основе Mn – Cu не стабильна и уменьшается в несколько раз при естественном старении.
Применение сплавов на основе Mn – Cu в судостроении для изготовления панелей, каркасов, направляющих и виброизоляторов блоков электронных средств, уменьшающих вибрации микроэлектронных устройств вычислительной техники, может сдерживаться относительно невысокой коррозионной стойкостью этих сплавов в морской среде. Известно, что алюминий и цинк повышают коррозионную стойкость сталей и цветных сплавов. Однако недостаточно исследовано влияния высоких концентраций алюминия и цинка на уровень демпфирующей способности двойных сплавов Mn – Cu. Поэтому целью настоящей работы является исследование влияния алюминия и цинка на величину демпфирующей способности двойного сплава Cu + 60% Mn и стабильность его демпфирующей способности при амплитудах деформации относительного сдвига (1 – 5)·10-6%.
2. Методы и принципы исследования
С целью выяснения влияния легирования на демпфирующую способность базового сплава Cu + 60% Mn были взяты предельные концентрации алюминия и цинка, которые используются в разработанных легированных сплавах на основе Mn – Cu , , , , . В таблице 1 приведён состав исследуемых сплавов на основе Mn – Cu.
Таблица 1 - Состав сплавов на основе Mn – Cu
Сплав | Химический анализ (%, по массе) | ||
Mn | Cu | Легирующий элемент | |
1 | 58,64 | 41,46 | – |
2 | 59,16 | 40,24 | 0,6 Al |
3 | 59,22 | 36,18 | 4,6 Al |
4 | 58,62 | 40,38 | 1,0 Zn |
5 | 58,34 | 31,66 | 10,0 Zn |
В качестве шихтового материала использовали электролитический марганец Мр0, катодную медь М0, легирующие элементы в виде медных лигатур. Слитки массой 2 кг отжигали при температуре 1103 К в течение 3 часов и прокатывали в горячем состоянии на полосы толщиной 10 мм, из которых получали цилиндрические образцы размерами ø 7,7 × 115 мм. Образцы нагревали до 1093 К в атмосфере аргона, выдерживали 2 часа и закаливали в воде. Демпфирующую способность (логарифмический декремент затухания колебаний) изучали при поперечных колебаниях образцов на установке «Эластомат» в диапазоне частот от 1,6 кГц до 2,2 кГц и амплитуд деформации относительного сдвига (1 – 5) · 10-6%.
Измерения на установке «Эластомат» проводились следующим образом. Вырабатываемые генератором частоты электромагнитные импульсы усиливались усилителем мощности и поступали в систему передачи. Система передачи вызывала в исследуемом образце механические колебания, которые достигали наибольшей величины в режиме резонанса, то есть при совпадении собственной частоты колебаний образца с частотой импульса генератора. После достижения резонансного режима колебаний образца проводился срыв колебательного процесса. Приемная система преобразовывала механические колебания образца в электромагнитные импульсы, которые после усиления и выпрямления приемным усилителем подавались по величине и фазе к индикаторному узлу. Счетчик индикаторного узла показывал число колебаний испытуемого образца с момента их прерывания до тех пор, пока амплитуда колебаний не снижалась с первоначальной величины А1 до величины А2 = А1/е (е – основание натурального логарифма), представляющую собой величину обратную логарифмическому декременту затухания колебаний δ. Возбуждение и прием колебаний в диапазоне частот от 1,6 кГц до 2,2 кГц осуществляли пьезоголовками с проводами связи.
Относительное рассеяние ψ (затухание) определяли по формуле:
,
где δ – логарифмический декремент .
Ошибка измерения указанным методом составляла 2 – 4% от измеряемой величины.
3. Основные результаты
На рис. 1 приведены кривые зависимости демпфирующей способности двойного сплава Cu + 60% Mn, закалённого от 1093 К с выдержкой 2 часа, от времени старения при температурах 673 К и 723 К. Из этого рисунка видно, что максимум демпфирующей способности в сплаве Cu + 60% Mn после старения при 673 К получился более размытым, с несколько большим значением демпфирования по сравнению с обработкой при 723 К.
Рисунок 1 - Зависимости демпфирующей способности, ψ, сплава Cu + 60% Mn, закалённого от 1093 К с выдержкой 2 часа, от времени старения, τ, при температурах 673 К и 723 К
Рисунок 2 - Зависимости демпфирующей способности, ψ, сплавов Cu + 60% Mn с добавками Al, закалённых от 1093 К с выдержкой 2 часа, от времени старения, τ, при температурах 673 К (а) и 723 К (б)
Кривые изменения демпфирующей способности сплавов Cu + 60% Mn с 0,6% и 4,6% алюминия от времени старения при температурах 673 К и 723 К (рис. 2) показывают два максимума демпфирующей способности. Первые максимумы демпфирования в сплавах Cu + 60% Mn с 0,6% и 4,6% алюминия появляются соответственно в течение 4 часов и 2 часов старения при 673 К. Вторые максимумы демпфирования в этих сплавах создаются старением при 673 К соответственно в течение 8 часов и 5 часов. Старение закаленных сплавов Cu + 60% Mn с 0,6% и 4,6% алюминия при 723 К также характеризуется получением демпфирующей способности.
Рисунок 3 - Зависимости демпфирующей способности, ψ, сплавов Cu + 60% Mn с добавками Zn, закалённых от 1093 К с выдержкой 2 часа, от времени старения, τ, при температурах 673 К (а) и 723 К (б)
Добавление в сплав Cu + 60% Mn 10,0% цинка резко сокращает время старения для достижения максимума демпфирующей способности этого сплава (рис. 3). Так, сплаву с 10,0% цинка требуется в четыре раза меньше время старения при температуре 673 К по сравнению со сплавом с 1,0% цинка. Причём старение при температуре 723 К приводит к более резкому уменьшению демпфирующей способности в сплавах с цинком, чем в сплавах с алюминием. Кроме того, старение при температуре 723 К позволяет получить в сплавах с цинком более высокий уровень демпфирующей способности, чем старение при 673 К. Однако легирование сплава Cu + 60% Mn цинком не способствует значительному повышению демпфирующей способности данного сплава после закалки от 1093 К и старения при 723 К.
На рис. 4 показано изменение демпфирующей способности двойного сплава Cu + 60% Mn от времени естественного старения при 293 К после закалки от 1093 К с выдержкой 2 часа и старения при 723 К в течение 1,5 часов. Из этого рисунка видно, что относительное рассеяние сплава Cu + 60% Mn существенно снижается после 10 суток естественного старения при 293 К.
Рисунок 4 - Изменение демпфирующей способности, ψ, сплава Cu + 60% Mn от времени естественного старения, τ, при 293 К после закалки от 1093 К с выдержкой 2 часа и старения при температуре 723 К в течение 1,5 часов
Рисунок 5 - Изменение демпфирующей способности, ψ, сплавов Cu + 60% Mn с добавками Al (а) и Zn (б) от времени естественного старения, τ, при 293 К после закалки от 1093 К с выдержкой 2 часа и старения при температуре 723 К в течение 1,5 часов
4. Обсуждение
Результаты изучения влияния легирования алюминием, цинком на демпфирующую способность сплава Cu + 60% Mn (рис. 2, 3) показывают, что на кривых изменения демпфирующей способности сплавов с 0,6% и 4,6% алюминия, 1,0% и 10,0% цинка, во времени старения при 673 К выявляются два максимума демпфирования. Ещё Р.Дж. Гудвиным также было обнаружено два максимума демпфирования в сплаве Mn + 36,5% Cu . А Дж.М. Витек и Х. Варлимонт полагали, что снижение демпфирующей способности после получения первого максимума демпфирования связано с дальнодействующими внутренними напряжениями, не устраняемыми двойникованием . Дальнейший рост демпфирующей способности, приводящий ко второму максимуму демпфирования, эти авторы объясняли взаимодействием стенок доменов с когерентными частицами выделений обогащённых медью.
В работах , процесс распада закалённого γ-твёрдого раствора сплавов Mn – Cu при старении в интервале температур от 673 К до 723 К характеризуют стадиями, в ходе которых обогащённые марганцем кластеры вначале становятся зародышами мартенситной ГЦТ фазы, а отдельные кластеры в последующем превращаются в α-марганец.
По нашему мнению, получение двух максимумов демпфирующей способности сплавов на основе Mn – Cu во времени старения в интервале температур от 673 К до 723 К вызывается двумя одновременно происходящими процессами: образованием зародышей мартенситной ГЦТ фазы и чистого γ-марганца, который превращается при охлаждении в стабильную фазу α-марганец.
5. Заключение
Проведённое исследование влияния легирования на демпфирующую способность двойного сплава Cu + 60% Mn показало, что легирование 0,6% и 4,6% алюминия, 1,0% и 10,0% цинка не повышает уровень демпфирующей способности данного сплава и не способствует сохранению высокого демпфирования при естественном старении в области амплитуд деформации относительного сдвига (1 – 5) · 10-6% – области амплитудно-независимого демпфирования.
Выявлены два максимума демпфирующей способности в закалённых от 1093 К в воду сплавах Cu + 60% Mn с 0,6% и 4,6% алюминия, 1,0% и 10,0% цинка после старения при температуре 673 К. Получение двух максимумов демпфирующей способности вероятно обусловлено двумя одновременно происходящими процессами в сплавах на основе Mn – Cu: образованием зародышей мартенситной ГЦТ фазы и чистого γ-марганца, который превращается при охлаждении в стабильную фазу α-марганец.
Проведённое исследование показало, что высокие концентрации алюминия и цинка мало эффективны для повышения демпфирующей способности сплавов на основе Mn – Cu в области амплитудно-независимого демпфирования. В этой связи дальнейшие исследования по легированию сплавов на основе Mn – Cu алюминием и цинком для повышения их демпфирующей способности могут быть целесообразны в области амплитудно-зависимого демпфирования.