FEATURES OF DAMPING OF ALLOYS BASED ON Mn – Cu DOPED WITH ALUMINIUM AND ZINC
FEATURES OF DAMPING OF ALLOYS BASED ON Mn – Cu DOPED WITH ALUMINIUM AND ZINC
Abstract
High damping alloys based on Mn – Cu can be effectively used to reduce vibration and noise of elements of modern high-tech equipment. Studies on the influence of aluminium and zinc alloying on the magnitude and stability of the damping ability of Mn – Cu double alloys in the region of amplitude-independent damping are insufficient, and their results are ambiguous in some cases. The influence of alloying of the listed elements on damping was studied on the alloy Cu + 60% Mn. The damping capacity (logarithmic decrement of vibration damping) was studied at transverse vibrations of samples in the frequency range from 1.6 kHz to 2.2 kHz and relative shear strain amplitudes (1 – 5) · 10-6%. Two maxima of damping capacity in Cu + 60% Mn alloys hardened from 1093 K in water with 0.6% and 4.6% aluminium, 1.0% and 10.0% zinc after ageing at 673 K have been identified. Obtaining of two maximums of damping ability is obviously caused by two simultaneously occurring processes in alloys on the basis of Mn – Cu: formation of nuclei of martensitic HCT phase and pure γ-manganese, which transforms at cooling into stable phase α-manganese. It is established that alloying with 0.6% and 4.6% aluminium, 1.0% and 10.0% zinc does not increase the level of damping ability of double alloy Cu + 60% Mn and does not contribute to preservation of high level of damping at natural ageing in the region of amplitude-independent damping.
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.