Смирнова, Ольга Германовна. Демпфирующая способность алюминиевых бронз перитектоидного состава

Короткий опис

Смирнова, Ольга Германовна. Демпфирующая способность алюминиевых бронз перитектоидного состава : диссертация ... кандидата технических наук : 05.16.01.- Киров, 2000.- 119 с.: ил. РГБ ОД, 61 00-5/2794-2

На правах рукописи
Смирнова Ольга Германовна
Демпфирующая способность алюминиевых бронз перитектоидного состава
05.16.1 - Металловедение и термическая обработка металлов
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научные руководители: доктор технических наук,
профессор Кондратов В.М. кандидат технических наук, доцент Кочеткова Л.П.
Киров - 2000 г.
з
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 5
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1 Демпфирующая способность металлических материалов 8
1.1.1 Основные положения и понятия 8
1.1.2 Основные механизмы рассеяния энергии в цветных сплавах .... 11
1.2. Сплавы высокого демпфирования на основе цветных металлов 11
1.2.1 Марганцево-медные сплавы 11
1.2.2 Сплавы на основе титана 17
1.2.3 Алюминиевые бронзы мартенситного класса
(сплавы с эвтектоидным превращением) 23
1.2.3.1 Структура сплавов в равновесном состоянии 24
1.2.3.2 Структура сплавов в неравновесном состоянии 26
А. Структура после закалки 26
Б. Структура после закалки и отпуска 29
1.2.3.3 Демпфирующая способность алюминиевых бронз 34
Глава 2. Материал и методики исследований 37
2.1 Материал 37
2.2 Методика исследования 43
2.2.1 Определение демпфирующей способности методом
свободных затухающих колебаний 43
2.2.2 Микроскопические исследования 55
2.2.3 Метод рентгеноструктурного анализа 55
2.2.4 Механические испытания 56
Г лава 3. Результаты эксперимента 57
3.1 Демпфирующая способность сплавов 57
3.2 Металлографические исследования бронз 67
3.3 Рентгеноструктурные исследования 84
3.4 Механические свойства 99
3.5 Оценка погрешностей параметров эксперимента
(определения демпфирующей способности) 100
3.5.1 Определение предельных ошибок первичных величин 101
3.5.2 Определение предельных и среднеквадратичных
ошибок вторичных опытных данных 103
Анализ результатов и выводы 107
Библиографический список использованной литературы 111
ВВЕДЕНИЕ
Усиливающаяся тенденция к увеличению скоростей современных машин и механизмов приводит к неизбежному росту вредных вибраций и шумов, по¬вышению опасности разрушения деталей при прохождении колебаний системы через резонанс вследствие обычной и акустической усталости, понижению на¬дежности работы механизмов и ухудшению условий труда.
Борьба с вибрациями и шумами является в настоящее время одной из ак¬туальных проблем, важной практически для всех отраслей народного хозяйства и в первую очередь, для машиностроения, приборостроения и судостроения.
Эффективным, а в ряде случаев и единственно приемлемым способом уменьшения вредных вибраций и шумов, препятствия их распространению и снижения резонансных пиковых напряжений является использование для дета¬лей машин и конструкций, работающих в динамическом режиме, сплавов с большим внутренним трением, так называемых сплавов высокого демпфирова¬ния. Под последними подразумеваются сплавы, характеризующиеся относи¬тельным рассеянием энергии (|/) более чем 1 % [1].
Демпфирующую способность материалов необходимо учитывать при проектировании многих деталей узлов и механизмов, работающих в сложных вибрационных условиях, наряду с такими общепринятыми характеристиками, как пределы прочности, текучести, выносливости и т.д. При прочих равных ус¬ловиях деталь из сплава, обладающего высоким демпфированием, окажется более надежной при значительной вибрационной нагрузке и ударе, чем та же деталь, изготовленная из сплава, не обладающего этим свойством. Благодаря высокому внутреннему трению, свободные колебания конструкций быстро за¬тухают, значительно снижаются амплитуды вынужденных колебаний в резо¬нансном режиме, резко снижаются напряжения от импульсов и ударов в конст¬рукциях с большим числом степеней свободы и происходит выравнивание ди¬намических напряжений в местах их концентраций. Чем больше внутреннее трение в конструкции, тем она надежнее в работе при динамических воздейст¬виях.
Преимуществами гашения колебаний с помощью сплавов высокого демпфирования являются простота (отпадает надобность в специальных, по¬рою довольно сложных виброгасящих устройствах), практическая независи¬мость эффекта демпфирования от частоты и, как правило, достаточно широкая область рабочих температур.
Несмотря на большую важность для промышленности сплавов высокого демпфирования, их только начали использовать. Разработка и исследование сплавов высокого демпфирования, обладающих хорошими прочностными и другими физико-механическими характеристиками, является одной из актуаль¬нейших задач для металлургов и металловедов.
Особую значимость и актуальность в настоящее время имеют разработки, посвященные задаче выявления и использования на практике всех потенциаль¬но заложенных в сплавах эксплуатационных свойств. Например, в работах [2-5] показана возможность обеспечения высокого уровня демпфирующей способ¬ности путем применения специальной термической обработки в стандартных конструкционных титановых сплавах, традиционно считавшихся сплавами с низкой демпфирующей способностью.
Среди перспективных конструкционных сплавов высокого демпфирова¬ния важное место занимают сплавы системы Cu-АІ - алюминиевые бронзы. Эти сплавы технологичны, обладают высокой коррозионной стойкостью на возду¬хе, в морской воде и в некоторых агрессивных средах, высоким сопротивлени¬ем кавитации. Сплавы этой системы с содержанием алюминия 9,5-13 % после закалки на мартенсит характеризуются высоким уровнем демпфирующей спо¬собности. Однако в закаленном состоянии у сплавов этого состава очень малая пластичность, что практически не дает возможности их широкого использова¬ния [6].
Целью данной работы является глубокое изучение механизмов рассеяния энергии в медных сплавах (бронзах типа Cu-Al-Ме) с мартенситным превраще¬нием и разработка рекомендаций по определению состава и термической об¬работке бронз системы Cu-Al-Ме, обладающих высоким демпфированием при удовлетворительных стандартных эксплуатационных свойствах (прочность, пластичность, и др.).
Задачами работы являются:
1. Исследование структуры и фазового состава (близкого к перитектоид- ному) бронз мартенситного класса системы Cu-Al-Ме после различных видов термической обработки.
2. Исследование механизмов рассеяния энергии при механическом на¬гружении сплавов.
3. Исследование зависимости демпфирующей способности от химиче¬ского состава и режима термической обработки сплавов.
4. Определение структуры сплавов, обеспечивающей высокий уровень демпфирования, и методов получения этой структуры путем термиче¬ской обработки.
5. Разработка рекомендаций по определению состава и термической об¬работки, обеспечивающих высокий уровень демпфирующей способно¬сти в Cu-Al-Ме бронзах при удовлетворительном комплексе эксплуа¬тационных характеристик.
6. Определение направления последующих научно-исследовательских работ по созданию промышленных сплавов высокого демпфирования на основе системы медь-алюминий.

Список літератури

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ
Анализ результатов исследования структуры алюминиевой бронзы (в ли¬том и деформированном состоянии) и ее изменение при предварительной тер¬мической обработке показал, что исследуемые сплавы в литом состоянии обла¬дают хорошей технологичностью и повышенным демпфированием, что позво¬ляет рекомендовать последние как литейный демпфирующий материал.
Диффузионный отжиг при температуре 900 °С продолжительностью 5 ч значительно уменьшает дендритную неоднородность, хотя и не устраняет ее полностью. В результате диффузионного отжига увеличивается пластичность сплава, что существенно облегчает проведение операций обработки литых за¬готовок давлением. Проведенные исследования показали, что однородную структуру можно получить только со степенью деформации не менее 80% и по¬следующего диффузионного отжига при температуре 900 °С в течение не менее
Результаты и анализ экспериментов свидетельствуют о том, что в зависи¬мости от режима закалки образуются различные типы структур, обусловли¬вающие и различный уровень демпфирования.
Максимальный уровень демпфирования соответствует сплавам после за¬калки от 850 °С, дальнейшее повышение, как и понижение, температуры закал¬ки не приводит к увеличению демпфирующей способности.
Структура закаленных на максимальный уровень демпфирования образ¬цов представляет собой мелкие и тонкие иглы мартенсита. При электронно-микроскопических исследованиях выявлено наличие микродвойников в иглах мартенсита.
Анализ результатов проведенного комплексного исследования демпфи¬рующей способности алюминиевых бронз после различных видов термической обработки, микроструктуры и параметров рентгеноструктурных исследований чрезвычайно важен для разработки конструкционных алюминиевых бронз или сплавов высокого демпфирования.
Согласно разрабатываемой теории высокого рассеяния энергии в цветных сплавах, мартенситное превращение неплотноупакованной ОЦК-решетки в плотноупакованную орторомбического типа идет в два этапа. В начале по ме¬ханизму двойникования ОЦК решетка превращается в гранецентрированную орторомбическую решетку, затем путем перетасовки плотноупакованных плос¬костей образуется плотноупакованная орторомбическая решетка, тип которой зависит от порядка укладки вышеназванных плоскостей, полученной в резуль¬тате перетасовки.
Кристаллография описанного мартенситного превращения в алюминие¬вых бронзах подобна характеру мартенситного превращения в титановых спла¬вах и подробно изложена в [1].
Высокий уровень демпфирования в закаленных на мартенсит бронзах может быть обусловлен целым рядом механизмов рассеяния энергии. Ими мо¬гут быть: обратимое двойникование подобно титановым сплавам, двойникова- ние по базисной плоскости вследствие моноклинного искажения оси Z к базис¬ной плоскости на 1-2 % [49], подвижные дислокации Шокли, обусловленные дефектами упаковки, изменением порядка укладки чередования базисных плос¬костей [6].
Анализ результатов эксперимента по фазовым превращениям в закален¬ной на мартенсит алюминиевой бронзы показал, что распад мартенсита начина¬ется уже при нагреве до 100 °С. Согласно данным рентгеноструктурного анали¬за при распаде мартенсита образуется кубическая ОЦК решетка Pi-фазы. При низкотемпературном распаде мартенсита (100-300 °С) для бронз плавки 1 и 2 демпфирующая способность резко падает.
Дальнейший нагрев до 400-450 °С приводит к диффузионному распаду Р г фазы на a-фазу и перитектоидную у-фазу, имеющими ГЦК решетку. Рентге¬ноструктурный анализ бронз после отжига (850 °С) и высокотемпературного отпуска (450-500 °С) показал структуру, состоящую из а- и у-фаз. Схема распа¬да может быть записана в виде: р/^р^он-у.
Демпфирующая способность исследуемых бронз (плавка 1 и 2) оказа¬лась различной. Бронза с меньшим содержанием легирующих элементов (плав¬ка 2) и в отожженном состоянии, и после закалки и последующего высокотем¬пературного отпуска показала низкий уровень рассеяния энергии. Бронза с большим содержанием легирующих элементов, напротив, показала высокий уровень демпфирования, выше, чем в закаленном состоянии. При этом для бронзы (плавки 1) у-фаза характеризуется расщеплением дифракционных мак¬симумов (111) и (200), что говорит о наличии тетрагонального искажения. По¬явление тетрагональности у-фазы вызывает резкое увеличение демпфирующей способности. В этом случае высокая демпфирующая способность обусловлена таким же механизмом, как и для сплавов на Cu-Mn-основе, а именно обрати¬мым двойникованием с плоскостью (101) или (011) (см.главаї, рис.4).
В относительно низколегированном сплаве (плавка 1) раздвоение ди-фракционных максимумов не наблюдается, тетрагональное искажение исход¬ной кубической решетки отсутствует, поэтому уровень демпфирующей способ¬ности низок.
Этот несколько неожиданный результат позволяет нам наметить план дальнейших работ по разработке сплавов высокого демпфирования на основе алюминиевой бронзы.
Подобно тому, как в Cu-Mn сплавах степень тетрагональное™ гранецен- трированной решетки зависит от состояния сплава, в частности, от количества марганца, аналогичная зависимость должна иметь место и для алюминиевых бронз.
Представляется целесообразным исследовать Cu-Al-сплавы мартенситно- го класса с повышенным содержанием легирующих элементов, растворимых в матрице, например, цинка и марганца, т.е. установить химический состав у- фазы, способной к тетрагональному искажению решетки.
В результате проведенной работы были получены новые результаты, имеющие практический и теоретический интерес:
1. Проведено исследование структуры, демпфирующей способности и механических свойств бронз на основе Си-10А1 с различной степенью легированности.
2. Установлена зависимость демпфирующей способности от структурно¬го состояния исследуемых бронз, т.е. от различных видов термической обработки.
3. Проведенный рентгеноструктурный анализ позволил в корректной форме установить механизм высокой демпфирующей способности ис¬следуемых сплавов.
4. Показана возможность получения высокого уровня демпфирования в алюминиевых бронзах как непосредственно после закалки, так после закалки и последующего высокого отпуска. Последний результат явля¬ется новым в металловедении. Во всех предыдущих исследованиях вы¬сокое демпфирование было обнаружено только в закаленных сплавах.
5. Дано объяснение высокого демпфирования как после закалки и после¬дующего высокого отпуска, так и в отожженном состоянии, что также является новым.
6. Установлено, что высокий уровень рассеяния энергии в алюминиевых бронзах после отжига, а также после закалки и последующего высоко¬температурного отпуска связан с появлением в структуре перитектоид- ной у-фазы, имеющей тетрагональное искажение.
7. Показана необходимость дальнейших работ по исследованию и разра¬ботке сплавов высокого демпфирования на Cu-АІ основе. В частности, представляется целесообразным исследование сплавов с повышенным уровнем легирования, имеющих различную степень тетрагональности, что позволит разработать оптимальный состав сплава с высоким демп¬фированием.
Библиографический список используемой литературы
1. Фавстов Ю.К., Шульга Ю.Н., Рахштадт А.Г. Металловедение высоко- демпфирующих сплавов,- М.: Металлургия, 1980.- 272 с.
2. Фавстов Ю.К., Самойлов Ю.А. Демпфирующая способность титано¬вых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов,-
1983. -N9.-C. 29-30.
3. Пат. США, кл. 75/175.5 (622 С14/00, С21 Д1/00) N4134758, заявлено 26.04.77, N790944, опубл. 19.01.79, приоритет 28.04.76. N51-49056. (Япония).
4. Пат. США, кл. 148/133 (C22F1/18), N4167427, заявлено 17.10.77, N 843251, опубл. 11.09.79, приоритет 25.05.77. N52-60792. ( Япония).
5. Заявка, кл. 22 С14/00, СІ4/00, 622, F1/16 N56-3645, заявлено 21.06.79. N54-77501, опубл. 14.01.81. (Япония).
6. Матвеев В.В., Ярославский Т.Я., Чайковский Б.С., Кондратьев С.Ю. Сплавы высокого демпфирования на медной основе.- Киев: Наук, дум¬ка, 1986.- 208 с.
7. Фавстов Ю.К. Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем.- Киев: Наук, думка, 1968. -252с.
8. Гранато А., Люкке К. Дислокационная теория поглощения. // Ультра¬звуковые методы исследования дислокаций. -М.: Иностр. лит. , 1963.- С. 27-57.
9. Блантер М.С., Пигузов Ю.В., Ашмарин Г.М. и др. Метод внутреннего трения в металловедческих исследованиях,- М.: Металлургия, 1991. -
248 с.
10. Sugimoto К. Basic and applied research on high-damping alloys for application to noise control // Mem. InstSci. and Ind. Res..- 1978.- N 1- P. 31-44.
11. Сугимото К. Современные достижения в производстве высокодемпфирующих сплавов // Тетсу то хагане.- 1974.- N 60.- С. 127-144.
12. Такахара Хидэфуса. Материалы для защиты от шума // Кагаку то ко- ге,- 1975.-N11.- С. 828-831.
13. Sugimoto К., Mori Т. Internal friction peak associated with phase trans¬formation in Mn-Cu alloys // In. Internal friction and ultrasonic attenuation cryst. solids: Proc. South Int. Conf., 1973. Aachen. Berlin etc.- 1975. Vol.
60. -P. 418-425.
14. Ritchie J., G., Pan Z-L. High-damping metals and alloys. // Met. Trans. A. -1991.- N3-. P. 607-616.
15. Сугимото К. Сплавы высокого демпфирования: Обзор основных про¬блем и применения.// Нихон киндзоку гаккай кайхо.- 1975.- N 1,- С. 177-183.
16. Kainuma R., Takahashi S., Ishida К. Thermoelastic Martensite and Shape Memory Effect in Ductile Cu-Al-Mn Alloys. // Met. And Mater. Trans. A..- 1996.-P. 2187-2195.
17. Салли А. Марганец,- М.: Металлургиздат, 1959-296 с.
18. Obrado Е., Manosa L., Planes A. Stability of the bcc phase of Cu-Al-Mn shape-memory alloys. //Physical Rev.B.V 56. - 1997.-№1- P.20-23.
19. Винтайкин E.3., Литвин Д.Ф., Удовенко В.А. Тонкая кристаллическая структура в сплавах марганец-медь высокого демпфирования. // Физика металлов и металловедение. -1974,- N6.-C. 1228-1237.
20. Фавстов Ю.К., Шульга Ю.Н., Сплавы с высокоми демпфирующими свойствами.- М.: Металлургия,-1973.- 255 с.