固溶處理對(duì)Fe-Cr-Mo阻尼合金內(nèi)耗影響的研究

姜大連，劉　穎，呂金喜，趙修臣，林文露，李　紅

(1.江蘇振華泵業(yè)制造有限公司，江蘇 泰州，225500；2.北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京100081)

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固溶處理對(duì)Fe-Cr-Mo阻尼合金內(nèi)耗影響的研究

姜大連1，劉穎2，呂金喜1，趙修臣2，林文露1，李紅2

(1.江蘇振華泵業(yè)制造有限公司，江蘇 泰州，225500；2.北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京100081)

摘要：研究了固溶處理溫度對(duì)新型鐵磁型Fe-Cr-Mo阻尼合金內(nèi)耗的影響。結(jié)果表明，經(jīng)加熱Fe-Cr-Mo合金到900～1 200 ℃保溫1 h，并隨爐冷固溶處理后，合金內(nèi)耗隨應(yīng)變幅值的增大呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，且在900～1 100 ℃固溶處理溫度范圍內(nèi)，內(nèi)耗對(duì)應(yīng)變幅值的敏感性隨固溶溫度升高而增大。經(jīng)1 100 ℃固溶處理的合金，因其晶粒較大，第二相顆粒較少，殘余內(nèi)應(yīng)力較小，并形成了有利于提升內(nèi)耗的大尺寸、寬疇壁的片狀磁疇，故而具有最高的內(nèi)耗峰值。

關(guān)鍵詞：阻尼合金；內(nèi)耗；固溶處理

單一鐵素體相的新型鐵磁型Fe-Cr-Mo阻尼合金具有成本低、耐蝕性能好、阻尼性能受頻率影響小及使用溫度較高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。Fe-Cr-Mo阻尼合金對(duì)機(jī)械能的衰減是通過合金基體中磁疇壁的不可逆移動(dòng)耗能而實(shí)現(xiàn)的，其阻尼性能高低可用內(nèi)耗(Q-1)的大小表示，而內(nèi)耗的大小取決于合金中磁疇的結(jié)構(gòu)以及磁疇壁不可逆移動(dòng)的阻力。本文主要研究了固溶處理溫度對(duì)Fe-Cr-Mo阻尼合金晶粒大小、基體中第二相數(shù)量、殘余內(nèi)應(yīng)力和磁疇結(jié)構(gòu)的影響，以及對(duì)合金內(nèi)耗的影響。

1試驗(yàn)用合金及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用Fe-Cr-Mo阻尼合金由真空感應(yīng)爐熔煉，并經(jīng)鍛造后空冷。其合金的成分見表1。

表1　Fe-Cr-Mo阻尼合金的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

將Fe-Cr-Mo合金加工成10 mm×10 mm×1.0 mm的片狀試樣，在真空管式爐中分別將試樣加熱至900、1 000 、1 100和1 200 ℃，保溫1 h后隨爐冷以進(jìn)行固溶處理。利用磁力顯微鏡觀察合金中的磁疇結(jié)構(gòu)，利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械儀測(cè)試試樣的內(nèi)耗。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1固溶溫度對(duì)晶粒大小和基體中第二相數(shù)量的影響

圖1給出了Fe-Cr-Mo合金分別在900、1 000 、1 100和1 200 ℃固溶處理后的晶粒大小。由圖1可知，在900～1 100 ℃內(nèi)，合金的晶粒隨固溶溫度升高明顯長大，而當(dāng)固溶溫度從1 100 ℃升至1 200 ℃時(shí)，晶粒長大不明顯。

圖1　Fe-Cr-Mo合金經(jīng)不同溫度固溶處理后的顯微組織

圖2給出了用掃描電鏡所觀察的Fe-Cr-Mo合金經(jīng)不同溫度固溶處理后顯微組織中的第二相。由圖2可知，在不同溫度固溶處理的合金顯微組織中，沿晶界均存在析出的第二相。當(dāng)固溶溫度為900 ℃時(shí)，合金晶粒內(nèi)存在較多的顆粒狀第二相。隨著固溶溫度升高，晶內(nèi)的第二相顆粒逐漸減少，當(dāng)固溶溫度為1 100和1 200 ℃時(shí)，晶內(nèi)的第二相已很少。由第二相能譜分析結(jié)果(見圖3和表2)可以看出，第二相應(yīng)為Cr的碳化物。

圖2　　　Fe-Cr-Mo合金經(jīng)不同溫度固溶處理后　　　顯微組織中的第二相

圖3　固溶處理后合金中第二相能譜分析

(%)

2.2固溶溫度對(duì)Fe-Cr-Mo合金中殘余應(yīng)力的影響

鐵磁型阻尼合金的內(nèi)耗與殘余內(nèi)應(yīng)力有密切關(guān)系，而殘余應(yīng)力大小與其加工工藝密切相關(guān)[4]，因此，對(duì)經(jīng)固溶處理后合金中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試。每個(gè)試樣測(cè)試3個(gè)點(diǎn)(見圖4)，取3次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試樣的內(nèi)應(yīng)力。

圖4　固溶處理后合金試樣殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)

表3給出了不同固溶處理溫度下合金中的殘余應(yīng)力。由表3可知，所測(cè)殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且隨著固溶溫度的升高，合金中殘余壓應(yīng)力會(huì)下降。

表3　經(jīng)不同固溶處理溫度后合金中殘余應(yīng)力

2.3固溶溫度對(duì)Fe-Cr-Mo合金磁疇結(jié)構(gòu)的影響

圖5給出了由磁力顯微鏡測(cè)得的Fe-Cr-Mo合金分別經(jīng)900、1 000、1 100和1 200 ℃固溶處理后的磁疇結(jié)構(gòu)。圖5中亮區(qū)和暗區(qū)分別表示磁矩反向的磁疇，而明暗漸進(jìn)區(qū)大小則表示磁疇壁厚度。由圖5可知，鍛態(tài)合金和經(jīng)900和1 200 ℃固溶處理的合金呈現(xiàn)為樹枝狀疇，且磁疇邊緣的明暗對(duì)比度較大，明暗漸進(jìn)區(qū)域范圍較窄，說明合金的磁疇壁厚度較小。當(dāng)固溶溫度為1 100 ℃時(shí)，合金中出現(xiàn)了尺寸較大的片形疇，且磁疇明暗漸進(jìn)區(qū)域范圍較寬，表明磁疇壁較厚。

圖5　Fe-Cr-Mo合金經(jīng)不同溫度固溶處理后的磁疇結(jié)構(gòu)

2.4固溶溫度對(duì)Fe-Cr-Mo合金內(nèi)耗的影響

圖6給出了Fe-Cr-Mo合金原始態(tài)和分別經(jīng)過900、1 000、1 100和1 200 ℃保溫1 h后，爐冷固溶處理的內(nèi)耗(Q-1)隨周期應(yīng)變幅值增大的變化曲線。由圖6可知，在900～1 200 ℃內(nèi)，經(jīng)固溶處理的阻尼合金內(nèi)耗呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：1)各固溶溫度處理的阻尼合金內(nèi)耗在試驗(yàn)的應(yīng)變幅值變化范圍內(nèi)都高于原始態(tài)合金，且內(nèi)耗隨應(yīng)變幅值增大都呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律；2)隨著固溶溫度升高，內(nèi)耗對(duì)應(yīng)變幅值變化的敏感性先增強(qiáng)后減弱，即在900～1 100 ℃內(nèi)，隨固溶溫度升高，內(nèi)耗隨應(yīng)變幅值變化出現(xiàn)的峰值逐漸增高，超過1 100 ℃之后，內(nèi)耗隨應(yīng)變幅值變化出現(xiàn)的峰值又降低。在各試樣中，原始態(tài)合金的內(nèi)耗峰值最小，只有0.011；當(dāng)固溶溫度為1 100 ℃時(shí)，內(nèi)耗峰值最大(>0.13)。

圖6　固溶溫度對(duì)Fe-Cr-Mo合金阻尼性能的影響

3試驗(yàn)結(jié)果分析

各固溶溫度處理的合金內(nèi)耗隨應(yīng)變幅值增大呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，原因是內(nèi)耗大小與應(yīng)變導(dǎo)致的產(chǎn)生不可逆移動(dòng)的磁疇數(shù)量以及磁疇壁移動(dòng)的程度有關(guān)。當(dāng)應(yīng)變幅值較小時(shí)，隨著應(yīng)變幅值增加，產(chǎn)生不可逆移動(dòng)的磁疇數(shù)量逐漸增多，磁疇壁的位移也逐漸增大，因此，合金表現(xiàn)為內(nèi)耗增大；當(dāng)應(yīng)變幅值達(dá)到某臨界值時(shí)，產(chǎn)生不可逆移動(dòng)的磁疇數(shù)量達(dá)到最多，疇壁的位移也最大，即產(chǎn)生不可逆移動(dòng)的磁疇數(shù)量和磁疇壁位移幅度達(dá)到飽和，磁疇壁不可逆移動(dòng)所消耗的能量達(dá)到極值；當(dāng)應(yīng)變幅值超過臨界值時(shí)，隨著應(yīng)變幅值繼續(xù)增加，合金承受的應(yīng)變能繼續(xù)增大，而內(nèi)耗作為產(chǎn)生不可逆移動(dòng)磁疇壁消耗的能量與供疇壁移動(dòng)總能量之比表現(xiàn)為內(nèi)耗隨應(yīng)變幅值增大而減小。

根據(jù)相關(guān)理論[5]，鐵磁性材料的內(nèi)耗是一系列微觀機(jī)制共同作用的結(jié)果，其中晶界、析出相、殘余應(yīng)力和溶質(zhì)原子影響最大。

晶界對(duì)磁疇壁的移動(dòng)具有阻礙作用。晶粒越大，晶界總面積越少，對(duì)磁疇壁移動(dòng)的阻礙作用越小。第二相對(duì)磁疇壁有釘扎作用，因此將阻礙磁疇壁的移動(dòng)。殘余應(yīng)力主要是通過改變磁彈性能和磁疇壁能而影響內(nèi)耗。根據(jù)鐵磁學(xué)原理，磁彈性能可表示為：

(1)

式中，Eσ為磁彈性能；λs為飽和磁致伸縮系數(shù)；σi為內(nèi)應(yīng)力；θ為磁化矢量與應(yīng)力間夾角。從式1可知，當(dāng)λs和θ一定時(shí)，Eσ主要受σi控制。較大的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致磁彈性能較大，在材料中形成能壘，磁疇壁受能壘制約只能停留在能量相對(duì)較低的區(qū)域，難以移動(dòng)，故而能夠降低內(nèi)耗。

此外，殘余應(yīng)力與磁疇壁厚度有以下關(guān)系：

(2)

式中，δ為磁疇壁的厚度；σi為材料中的殘余應(yīng)力；A為交換積分常數(shù)；K1為磁晶各向異性常數(shù)。根據(jù)式2，殘余應(yīng)力越大，則磁疇壁厚度越小，而磁疇壁厚度與磁疇壁能有如下關(guān)系[6-7]：

(3)

式中，γw為磁疇壁能；E為彈性模量；δw為磁疇壁厚度。由式3可知，磁疇壁厚度越大，則磁疇壁能越高，磁疇壁移動(dòng)時(shí)消耗的能量越多，內(nèi)耗就越大。

由上述討論可知，殘余應(yīng)力較小時(shí)，一方面使磁彈性能較小，從而減小對(duì)磁疇壁移動(dòng)的阻礙；另一方面使磁疇壁能增大，進(jìn)而升高合金的內(nèi)耗。

在900～1 100 ℃內(nèi)對(duì)Fe-Cr-Mo合金進(jìn)行固溶處理，隨著固溶溫度升高，合金中的晶粒尺寸逐漸增大，第二相顆粒數(shù)量逐漸減少，故而有利于提升合金的內(nèi)耗。此外，在900和1 000 ℃進(jìn)行固溶處理時(shí)，由于殘余內(nèi)應(yīng)力較大，合金中磁疇呈現(xiàn)出磁疇尺寸和磁疇壁厚度都較小的樹枝狀疇，從而使得磁疇移動(dòng)阻力較大，且移動(dòng)時(shí)耗能較少。而在1 100 ℃進(jìn)行固溶處理時(shí)，殘余內(nèi)應(yīng)力較小，合金中呈現(xiàn)出磁疇尺寸較大且磁疇壁較厚的片形疇，其有利于磁疇壁的移動(dòng)，且移動(dòng)時(shí)耗能較高。由于上述原因，使得Fe-Cr-Mo合金的內(nèi)耗隨著固溶溫度的升高而增大，并在1 100 ℃固溶處理時(shí)，幾乎在整個(gè)應(yīng)變幅值變化范圍內(nèi)達(dá)到最大。

對(duì)于1 200 ℃固溶處理時(shí)，合金內(nèi)耗較的顯著下降，分析認(rèn)為較高的固溶溫度導(dǎo)致過多的第二相分解，使溶入基體中的固溶原子數(shù)量增大，較多的固溶原子不但對(duì)疇壁有強(qiáng)烈的釘扎作用，且導(dǎo)致樹枝狀磁疇的出現(xiàn)，從而使經(jīng)1 200 ℃固溶處理后的合金內(nèi)耗顯著降低。

4結(jié)語

綜上所述，可以得出下述結(jié)論。

1)Fe-Cr-Mo合金經(jīng)加熱至900～1 200 ℃保溫1 h，并隨爐冷固溶處理后，合金內(nèi)耗隨應(yīng)變幅值的增大呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，且在900～1 100 ℃固溶處理溫度范圍內(nèi)，內(nèi)耗對(duì)應(yīng)變幅值的敏感性隨固溶溫度升高而增大。

2)經(jīng)1 100 ℃固溶處理的Fe-Cr-Mo合金，因其晶粒較大，第二相顆粒較少，殘余內(nèi)應(yīng)力較小，并形成了有利于提升內(nèi)耗的大尺寸、寬疇壁的片狀磁疇，故具有最高的內(nèi)耗峰值。

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責(zé)任編輯馬彤

Research of the Effect of Solution Treatment on Internal Friction of Fe-Cr-Mo Damping Alloy

JIANG Dalian1， LIUYing2， LYU Jinxi1， ZHAO Xiuchen2， LIN Wenlu1， LI Hong2

(1.Jiangsu Zhenhua Pump Manufacturing Co., Ltd.， Taizhou 225500, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract：The effect of solution treatment on internal friction of novel Fe-Cr-Mo damping alloy is studied, and the results show that in the solution treatment temperature range of 900 to 1 200 ℃, the internal friction of the damping alloy increases, and then decreases with strain increasing. Meanwhile, the sensitivity of internal friction increases with the temperature increasing in the solution treatment temperature range of 900 to 1 100 ℃. The damping alloy, with lager crystalline grain, low second phase and small residual stress, is obtained resulting from the solution treatment temperature of 1 100 ℃, and the damping alloy exhibited high internal friction values, due to the formation of flake-like magnetic domains with large size and wide domain wall, which are beneficial for improving the internal friction.

Key words:damping alloy， internal friction， solution treatment

收稿日期：2015-06-15

作者簡介：姜大連(1976-)，男，工程師，主要從事船用水泵研制與開發(fā)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 135.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A