盧成壯， 李靜媛， 周邦陽(yáng)， 方 旭， 李 毅， 赫榮輝

(1. 北京科技大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100083； 2. 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213)

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)減輕振動(dòng)提出了越來(lái)越高的要求。例如航天發(fā)動(dòng)機(jī)的外部導(dǎo)管常因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)而斷裂；在軍用裝甲車中，車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)下，長(zhǎng)期處于較高的交變應(yīng)力從而會(huì)發(fā)生疲勞引起機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)失效，造成等級(jí)事故[1]。因此，作為減振阻尼材料，金屬橡膠被越來(lái)越多地采用。金屬橡膠材料(Metal Rubber, MR)是一種彈性多孔阻尼材料，其制作工藝是先把金屬絲纏繞成螺旋卷，將螺旋卷編制毛坯后經(jīng)過冷沖壓成型而制成[2]。由于金屬絲作為原料，使其具有耐高溫、高壓、高真空、超低溫的特點(diǎn)，且不易揮發(fā)、不怕輻射，選擇特殊的金屬絲還可以工作在苛刻的腐蝕環(huán)境中，并廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天等設(shè)備中[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬橡膠材料的力學(xué)性能、本構(gòu)模型以及減振特性進(jìn)行了大量研究。如李宇明等[5-6]提出的基于微彈簧組合變形的本構(gòu)模型和基于變長(zhǎng)度懸臂梁的金屬橡膠材料本構(gòu)模型，馬艷紅等[7-8]對(duì)薄型和環(huán)形金屬橡膠剛度進(jìn)行了詳細(xì)試驗(yàn)研究，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下構(gòu)件性能的變化規(guī)律。對(duì)于不同形狀因子的金屬橡膠，李宇燕等[9]分析研究了密度、厚度、材質(zhì)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)剛度阻尼特性的影響。由于金屬橡膠屬于一種結(jié)構(gòu)材料，又是非連續(xù)體孔隙材料，在一定的振動(dòng)條件下隨振動(dòng)時(shí)間的增加，金屬橡膠內(nèi)部的金屬絲會(huì)發(fā)生局部斷裂破壞，使構(gòu)件產(chǎn)生累積損傷[10-11]。雖然金屬絲的局部斷裂破壞不會(huì)立刻造成整體構(gòu)件失效，但累積到一定程度之后就會(huì)影響金屬橡膠的減振性能，常規(guī)的連續(xù)金屬材料疲勞性能理論不能有效適用于金屬橡膠材料，而研究其原材料不銹鋼絲的性質(zhì)對(duì)提高金屬橡膠疲勞性能尤為重要。

目前對(duì)于金屬橡膠原材料金屬絲選擇及其性質(zhì)對(duì)金屬橡膠疲勞性能影響方面的研究相對(duì)較少。本文針對(duì)兩種不同不銹鋼金屬絲制備的金屬橡膠，在加速振動(dòng)測(cè)試后考察金屬橡膠的動(dòng)態(tài)平均剛度的變化，分析金屬絲對(duì)疲勞性能的影響，為金屬橡膠構(gòu)件設(shè)計(jì)原材料的選擇提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用金屬橡膠分別采用兩種不同成分的冷拉拔態(tài)奧氏體不銹鋼絲編織而成，金屬絲分別用A (節(jié)鎳高錳氮不銹鋼)與B(304不銹鋼[12])表示，金屬絲直徑均為0.3 mm，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。金屬橡膠通過螺旋卷纏繞，毛坯制備，沖壓成型等加工而成，尺寸為48 mm×48 mm×16 mm，密度均為2.3 g/cm3，樣品如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用兩種不銹鋼絲的化學(xué)成分(wt %)及其力學(xué)性能Tab.1 Chemical composition and mechanical properties of the two experimental wires (wt %)

圖1 兩種材料制備的金屬橡膠樣件Fig.1 As-prepared metal rubber with two different materials

金屬橡膠構(gòu)件在實(shí)際服役條件下的疲勞壽命較長(zhǎng)，因此本文采用了加速實(shí)驗(yàn)的測(cè)試方法，即提高加載載荷和振幅，以加速金屬橡膠內(nèi)部金屬絲的摩擦和磨損、疲勞斷裂。通過MTS250 kN動(dòng)態(tài)材料測(cè)試系統(tǒng)，在預(yù)載荷10 kN、振動(dòng)頻率3 Hz、振幅1 mm和2 mm條件下振動(dòng)30 min，并記錄金屬橡膠樣件隨振動(dòng)時(shí)間的恢復(fù)力，并利用式(1)計(jì)算動(dòng)態(tài)平均剛度。用分析天平FA1004稱量疲勞振動(dòng)前后重量，并計(jì)算質(zhì)量損耗量。用Zeiss Auriga聚焦離子束場(chǎng)發(fā)射掃描雙束電鏡，對(duì)金屬橡膠發(fā)生疲勞斷裂的金屬絲斷口形貌進(jìn)行了觀察，并分析其斷裂機(jī)理。

(1)

式中:Fmax，F(xiàn)min和x0分別為振動(dòng)過程中最大恢復(fù)力、最小恢復(fù)力和振幅。

為考察金屬橡膠原材料金屬絲對(duì)其疲勞性能影響，對(duì)兩種金屬絲的原始狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析。用Leica DM2500光學(xué)顯微鏡對(duì)金屬絲橫截面顯微組織進(jìn)行了觀察，用PPMS綜合物性測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)量?jī)煞N實(shí)驗(yàn)鋼絲的磁導(dǎo)率，并用Bruker D8 Advance X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行金屬絲物相分析。采用Tecnai G2 F20電鏡觀察金屬絲微觀形貌并進(jìn)行物相衍射斑標(biāo)定。

2 結(jié)果分析

2.1 金屬橡膠試樣疲勞性能對(duì)比

金屬橡膠試樣A、B經(jīng)30 min加速疲勞振動(dòng)之后，均出現(xiàn)不同程度的金屬絲斷裂、脫落現(xiàn)象，表2給出了構(gòu)件振動(dòng)前后質(zhì)量變化情況?？梢钥闯?，在相同疲勞振幅條件下，試樣A的失重小于試樣B，即試樣A中金屬絲發(fā)生斷裂脫落的數(shù)量少于試樣B，試樣A的耐疲勞振動(dòng)性能更好。

表2 金屬橡膠試樣在疲勞振動(dòng)前后的質(zhì)量Tab.2 Weight of metal rubber samples before and after fatigue vibration g

圖2兩種金屬橡膠試樣在不同振幅下動(dòng)態(tài)平均剛度K隨時(shí)間的變化對(duì)比?？梢? 金屬橡膠試樣A的K值在振幅1 mm時(shí)隨振動(dòng)時(shí)間先增大后出現(xiàn)穩(wěn)定，而在振幅2 mm時(shí)，K隨時(shí)間增加而降低；金屬橡膠試樣B的K均隨著時(shí)間的增加而降低。其中對(duì)于振幅1 mm(見圖2(a))，試樣A 的K值在24 min后達(dá)到最大值23.91 kN·mm-1，30 min后，又降低至23.84 kN·mm-1，比峰值降低了0.3%，剛度趨于穩(wěn)定；試樣B的K值在15 min時(shí)達(dá)到峰值25.51 kN·mm-1， 30 min后，降至23.58 kN·mm-1，比峰值降低了7.6%。對(duì)于振幅2 mm(見圖1(b))，出現(xiàn)了類似的變化，但因振幅加大，K的峰值出現(xiàn)的更早，之后下降的幅度加大。試樣A的K在12 min后達(dá)到最大值30.72 kN·mm-1，30 min后降至23.84 kN·mm-1，與峰值降低了22.41%。試樣B的剛度在振動(dòng)6 min后即達(dá)到峰值22.99 kN·mm-1，振動(dòng)30 min后降至13.62 kN·mm-1，比峰值降低了40.8%。

圖2 兩種金屬橡膠試樣在不同振幅下的剛度變化對(duì)比Fig.2 The comparison of stiffness change of two different metal rubber under different amplitude

2.2 金屬絲疲勞斷口分析

在疲勞振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，金屬橡膠試樣承受正弦拉-壓應(yīng)力，而內(nèi)部纏繞的金屬絲受力情況非常復(fù)雜，其斷口為拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等多種應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。本文的兩個(gè)金屬橡膠試樣在疲勞振動(dòng)后均發(fā)生了金屬絲的斷裂現(xiàn)象，其中試樣B的碎裂比試樣A更嚴(yán)重。通過掃描電鏡對(duì)振幅2 mm時(shí)脫落的金屬絲斷口形貌進(jìn)行了觀察分析。

圖3為試樣A中金屬絲的疲勞斷口形貌?？梢钥闯?，斷口分為兩個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)(Ⅰ區(qū))和最后斷裂區(qū)(Ⅱ區(qū))。Ⅰ區(qū)域中凹凸不平的表面由被分割的、一個(gè)接一個(gè)的臺(tái)階組成。這種由大量臺(tái)階構(gòu)成的弧形疲勞輝紋，其寬度有一定的差異，原因是裂紋在不同平面上擴(kuò)展所導(dǎo)致的高度變化不同。從Ⅱ區(qū)域放大圖可以看到大量的圓形或橢圓形的韌窩和空穴。韌窩的形成是因?yàn)槠谠囼?yàn)預(yù)載荷及振幅較大，在金屬絲最后斷裂過程中，應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度，金屬絲發(fā)生了塑性變形，顯微空洞在塑性變形過程中，經(jīng)形核、長(zhǎng)大、聚集，最后相互連接而導(dǎo)致斷裂后在斷口表面形成坑狀的韌窩。可判斷其斷口的類型為韌-脆混合斷裂。

圖3 試樣A中金屬絲的疲勞斷口形貌Fig.3 Fatigue fracture morphology of metal wires in sample A

圖4為試樣B中金屬絲的疲勞斷口形貌。從圖可以看出，斷口分為三個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)域裂紋的擴(kuò)展不連續(xù)，主要由撕裂棱組成，這是因?yàn)槠谠囼?yàn)預(yù)載荷及振幅較大，裂紋之間產(chǎn)生較大的塑形變形，通過撕裂的方式連接成臺(tái)階，具有類似于準(zhǔn)解理的特征。Ⅱ、Ⅲ區(qū)域都具有解理斷裂的特征。Ⅱ區(qū)域的微觀形貌呈類似舌狀花樣，這是因?yàn)楸敬卧囼?yàn)所用的直徑0.3 mm的不銹鋼絲是經(jīng)多道次冷拉拔工藝制成的，鋼絲內(nèi)部的夾雜物在拉拔過程中與界面脫離形成空洞。當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到孔洞時(shí)，前端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，裂紋擴(kuò)展突然加快，形成舌狀形貌；Ⅲ區(qū)域的微觀形貌呈河流狀花樣，疲勞紋理具有臺(tái)階狀，其原因是振動(dòng)時(shí)試樣內(nèi)部金屬絲承受多種應(yīng)力，使不在一個(gè)平面上的解理裂紋在向前方擴(kuò)展時(shí)，通過二次解理或與螺型位錯(cuò)相交時(shí)產(chǎn)生割階而形成解理臺(tái)階，斷口類型為脆性斷裂。

圖4 試樣B中金屬絲的疲勞斷口形貌Fig.4 Fatigue fracture morphology of metal wires in sample B

2.3 金屬絲磁性能分析

實(shí)驗(yàn)采用的是兩種不同成分的奧氏體不銹鋼絲，即在退火狀態(tài)下其組織為奧氏體單相、呈現(xiàn)無(wú)磁性。然而對(duì)于亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體組織，在冷變形后容易誘發(fā)產(chǎn)生馬氏體組織，具有鐵磁性。為保證金屬橡膠良好的減振性能，要求金屬絲具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，因此實(shí)驗(yàn)金屬絲均為冷拉拔狀態(tài)，為判斷其相的構(gòu)成，需進(jìn)行磁性能測(cè)試。圖5中實(shí)線為金屬絲的磁化曲線。通過磁化率χ公式進(jìn)行擬合計(jì)算，繪制磁化率曲線。

χ=M/H

(2)

式中:M為磁化強(qiáng)度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

通過計(jì)算得出試樣A磁化率χ平均值為0.001 9， 相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1+χ=1.001 9。 而試樣B最小磁化率為0.138，最小相對(duì)磁導(dǎo)率為1.138。 試樣A為順磁性物質(zhì)，顯示無(wú)磁性。而B為有磁性的。磁性的大小主要由內(nèi)部馬氏體數(shù)量決定的，試樣A的無(wú)磁性表明材料為奧氏體狀態(tài)，而試樣B中有一定數(shù)量的馬氏體。

圖5 兩種金屬絲的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the magnetic induction intensity and magnetic field strength of two kinds of metal wires

2.4 金屬絲的組織物相分析

圖6為兩種金屬絲的橫截面金相組織圖?？梢钥闯觯瑑煞N鋼絲的晶粒發(fā)生碎化，未呈現(xiàn)典型的六邊形奧氏體晶粒形貌。在光學(xué)顯微鏡下仍表現(xiàn)為極其細(xì)密的奧氏體組織，其被侵蝕程度較深，另外還有少量高亮的未被侵蝕的原始奧氏體組織(見圖6(a))。對(duì)于試樣B，主要由板條狀的馬氏體和殘余奧氏體組成，馬氏體被侵蝕程度深，呈現(xiàn)黑色(馬氏體先被浸蝕)；而奧氏體被侵蝕程度淺，呈現(xiàn)亮灰色(見圖6(b))。出現(xiàn)上述結(jié)果的原因是金屬絲在經(jīng)冷拉拔工藝后，晶粒發(fā)生嚴(yán)重變形碎化，試樣B鋼絲中亞穩(wěn)態(tài)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，剩余少量的殘余奧氏體，而試樣A中添加穩(wěn)定奧氏體的Mn與N元素，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，而無(wú)板條狀的馬氏體組織。

圖6 不同金屬絲的顯微金相組織圖Fig.6 Microstructure of different metal wires

圖7為兩種金屬絲的物相XRD圖，可以看出，試樣A中的峰值晶面對(duì)應(yīng)奧氏體γ晶面；而試樣B中除了上述奧氏體γ晶面外，還出現(xiàn)了非常明顯的(110)、(200)、(211)等鐵素體α晶面峰。因此可判斷出，試樣A為單相奧氏體組織，試樣B為奧氏體和馬氏體組織。

圖7 兩種金屬絲的XRD圖譜Fig.7 XRD of two kinds of metal wires

圖8是兩種金屬絲縱截面的TEM像，從圖中可以看出奧氏體組織沿著拉拔方向被拉長(zhǎng)，同時(shí)存在大量纏結(jié)的位錯(cuò)。從圖8(a)所示其衍射斑點(diǎn)標(biāo)定結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試樣A不銹鋼鋼絲內(nèi)部為奧氏體單相組織，沒有發(fā)現(xiàn)馬氏體存在，其晶面指數(shù)分別是(111),(200),(311)，為面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0.381 nm。而試樣B中有部分形變孿晶和位錯(cuò)纏結(jié)的存在。對(duì)其衍射斑進(jìn)行標(biāo)定發(fā)現(xiàn)，晶格常數(shù)為0.312 nm，高于純?chǔ)?Fe的晶格常數(shù)(0.286 nm)，為轉(zhuǎn)變的α′鐵素體(馬氏體)。

圖8 金屬絲縱截面的TEM像Fig.8 TEM images of metal wire longitudinal section

3 討 論

金屬橡膠疲勞振動(dòng)過程中金屬橡膠動(dòng)態(tài)剛度K的變化與內(nèi)部勾連結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，在振動(dòng)初期，材料內(nèi)部以a類勾連結(jié)構(gòu)為主，如圖9(a)所示。這類結(jié)構(gòu)金屬絲之間的夾角接近90°，金屬絲之間的接觸載荷比較小，在承受載荷時(shí)，載荷方向接近金屬絲滑動(dòng)方向。隨著振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬絲之間夾角變小、咬合變緊密，逐步轉(zhuǎn)化為b類勾連方式。此時(shí)載荷方向垂直于滑動(dòng)方向，類似于金屬絲之間的相互擠壓，只有在較大的載荷下才能相對(duì)滑動(dòng)，因此使得剛度K值增加，并逐步達(dá)到峰值。在隨后的長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)過程中，金屬絲之間不斷摩擦、磨損而發(fā)生斷裂，金屬橡膠結(jié)構(gòu)受到破壞，使得其承載性、減振性下降，剛度也逐漸降低。本實(shí)驗(yàn)中，材料A金屬橡膠內(nèi)部螺旋卷絲之間在a類勾連方式中發(fā)生滑動(dòng)所需要的摩擦力小于B材料制備的金屬橡膠，因此在振幅1 mm時(shí)，動(dòng)態(tài)剛度的開始階段出現(xiàn)A材料金屬橡膠動(dòng)態(tài)剛度小于B材料，在隨后的加載過程中出現(xiàn)先增加后降低；而當(dāng)在振幅2 mm時(shí)，金屬橡膠內(nèi)部絲線在振動(dòng)過程中基本在b類勾連方式，材料A高硬度和彈性模量使金屬橡膠開始振動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)平均剛度均大于材料B的金屬橡膠的動(dòng)態(tài)剛度，并且隨著時(shí)間的不斷增加動(dòng)態(tài)剛度逐漸降低。

圖9 金屬橡膠典型的勾連結(jié)構(gòu)Fig.9 Typical hook structure of metal rubber

金屬橡膠內(nèi)部是金屬絲螺旋卷線匝交錯(cuò)勾連形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不規(guī)則的空間分布可能受到了彎曲扭轉(zhuǎn)剪切擠壓等作用力，在循環(huán)載荷作用下，金屬橡膠內(nèi)部形成了許多以鋼絲點(diǎn)接觸為主要形式的微動(dòng)摩擦副，高循環(huán)周次的微動(dòng)摩擦不僅在鋼絲表面形成了較嚴(yán)重的疲勞裂紋源，促使絲線表面微動(dòng)疲勞裂紋的產(chǎn)生，并導(dǎo)致了鋼絲斷裂。疲勞裂紋的萌生主要取決于材料的強(qiáng)度，而裂紋的擴(kuò)展則與材料的韌性有關(guān)，要想獲得理想的微動(dòng)接觸疲勞性能，就需要材料同時(shí)具備高強(qiáng)度和良好的韌性。

金屬橡膠疲勞性能中試樣A明顯優(yōu)于試樣B，并且金屬絲的力學(xué)性能也優(yōu)于B，試樣A為單相奧氏體，而試樣B為奧氏體和形變馬氏體。奧氏體不銹鋼的組織穩(wěn)定與成分有很大關(guān)系，通常采用Md30/50計(jì)算[13]，即奧氏體不銹鋼產(chǎn)生30%冷變形，并出現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為50%馬氏體組織時(shí)的變形溫度，來(lái)預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)奧氏體組織穩(wěn)定性。Md30/50值越低，則奧氏體組織穩(wěn)定性越高。其計(jì)算公式為

Md30/50(℃)=413-9.5wNi-13.7wCr-8.1wMn-9.2wSi-18.5wMo-462×(wc+wN)

(3)

式中:w為元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(無(wú)量綱，質(zhì)量分?jǐn)?shù)與系數(shù)相乘單位為℃)。

根據(jù)式(2)計(jì)算可得，試樣A的Md30/50為-353.71 ℃，而試樣B為27.8 ℃。這是因?yàn)樵嚇覣中Mn和N含量分別高達(dá)16.4%和0.6%，Mn和N都是奧氏體形成元素，其中N元素穩(wěn)定奧氏體的能力大約是Ni的30倍，而1 wt%的N可使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低635 K，大約是Ni的25倍[14]。因此可以看出，試樣A的奧氏體組織穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于試樣B，經(jīng)相同的冷拉拔變形后依然能夠保持奧氏體單相組織，能維持良好的塑韌性，并提高了金屬橡膠的疲勞強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析了兩種不銹鋼金屬絲特性對(duì)其制備的金屬橡膠疲勞強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明:

(1) 試樣A的組織是單一奧氏體相，而試樣B除了奧氏體相外，還存在形變馬氏體相。穩(wěn)定的奧氏體單相組織可明顯提高金屬橡膠的疲勞韌性。

(2) 兩種不同金屬絲制備的金屬橡膠在振動(dòng)過程中其動(dòng)態(tài)平均剛度隨時(shí)間先增加，然后開始衰減，而當(dāng)振幅增加時(shí)，動(dòng)態(tài)平均剛度隨時(shí)間逐漸降低，強(qiáng)度高的金屬絲A動(dòng)態(tài)平均剛度增加較快并且隨著時(shí)間增加衰減較慢，其動(dòng)態(tài)平均剛度主要是內(nèi)部螺旋卷絲的接觸狀態(tài)和材料的性質(zhì)決定的。

(3) 金屬橡膠的疲勞性能與材料的性質(zhì)有關(guān)，由疲勞斷口結(jié)果表明發(fā)生韌-脆混合斷裂單相奧氏體組織有利于提高金屬橡膠的疲勞強(qiáng)度，而發(fā)生脆性斷裂的奧氏體和馬氏體組織則降低金屬橡膠的疲勞性能。

因此，材料性質(zhì)對(duì)提高金屬橡膠疲勞強(qiáng)度尤為關(guān)鍵，這為金屬橡膠原材料金屬絲的選擇提供了參考，而高強(qiáng)度的單相奧氏體組織鋼絲可以通過原材料金屬絲的成分設(shè)計(jì)、冷拉拔形變工藝優(yōu)化等獲得。