Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Внутреннее трение и механическая спектроскопия металлических материалов

7.4. Материалы со структурным демпфированием

Подвижность дислокаций в металлах и сплавах в поле приложенных внешних напряжений - основной источник демпфирования механических колебаний в данной группе материалов. Взаимодействие дислокаций с другими дефектами кристаллической решетки и структурными несовершенствами определяет уровень демпфирующей способности материала. Основным недостатком высокодемпфирую- щих материалов этого класса является трудность достижения высоких прочностных характеристик, так как и демпфирующая способность, и пластичность контролируются одним и гем же механизмом - подвижностью дислокаций.

Чистые и технически чистые вещества. Чистые металлы могут эффективно использоваться как материалы с заданным уровнем поглощения энергии. Значения декремента колебаний для некоторых технически чистых металлов при гомологической температуре 0,3Тпп (? = 2 • 10 4, Я = 400 Э) приведены ниже:

Из этих данных видно, что среди приведенных материалов магний обладает наибольшим демпфированием.

Магний и его сплавы. Чистый магний обладает весьма высоким уровнем рассеяния энергии с типичной для дислокационного затухания амплитудной зависимостью. Движение петель дислокаций вокруг их равновесного положения в чистом Mg обусловливает демпфирующую способность в 10 раз более высокую, чем в А1. Однако низкие прочностные характеристики ограничивают его практическое использование. Влияние легирующих элементов (до 5 %) на ДС двойных сплавов на основе Mg неоднозначно: Zr, Ni практически не снижают ДС; Mn, Si, Li, La приводят к монотонному, не резкому падению; Al, Zn, Cd, Са, Се, Nd резко снижают ДС магния (табл. 7.3). Наиболее перспективным легирующим элементом является Zr. Введенный даже в количестве десятых долей процента, он способствует формированию мелкозернистой структуры с хорошими характеристиками прочности и пластичности. В США на этой основе разработаны сплавы К1Х1 и К1-А, в России - МЦИ, (0,4...0,7) % Zr.

Таблица 7.3

Свойства некоторых сплавов на основе Mg (James, 1969, Дриц и Рохлин, 1983, Фавсгов, 1984)

Сплав

a0.2, МПа

0.1a„,

Состояние

Mg 99,9 %

21

60

Литое

Mg 99,9 %

61

48

Холоднодеформированное

Mg-0,6Zr

45

60

Литое

Mg-0,6Si

52

52

Литое

Mg-9.8AI-0.2Mn

120

4

Литое

Mg-9Al-2Zr-0,2Mn

130

0,27

Литое

Mg-3 Al-1 Zr-0,4Mn

190

6,5

Холоднодеформированное

Mg-3Th-l,2Mn

280

0,2

Холоднодеформированное

Для эффективного сохранения высокого уровня демпфирования в упрочненных сплавах на основе Mg необходимо, чтобы матрица была достаточно чиста от мелких выделений, тормозящих движение колеблющихся дислокаций, то есть растворимость легирующего элемента в Mg должна быть низкой. Оптимизация комплекса механических и демпфирующих свойств достигнута для эвтектики Mg- MgiNi. Сплав Mg-10%Ni обеспечивает практически одинаковый уровень механических свойств по сравнению с промышленным сплавом Mg-Al-Zn (AZ63), однако его ДС в ~40 раз выше. Создание гетерогенной двухфазной эвтектической структуры является лишь средством благоприятного сочетания механических и демпфирующих свойств. В структуре типа «естественный композит», состоящей из крупных дендритов практически чистого Mg и эвтектики, высокая ДС обеспечивается кристаллитами Mg, а каркас эвтектики придает необходимую прочность. Промышленный состав этого типа разрабоган и запатентован фирмой «Осака дайгакуте» (Япония). Ограниченное применение нашли сплавы систем Mg-0,75 %Si (S1X1), Mg- 0,9 %Mn (MI-F). При введении - 1 масс % легирующей добавки ДС сплавов убывает в следующем порядке: Mg-MM[1], Mg, La, Nd, Ca, Mn, Si, Al. Наиболее существенное снижение ДС имеет место в системах с ограниченной растворимостью.

Для сплавов Mg дислокационный механизм рассеяния энергии ос- гается основным. При амплитудах деформации ~ 5 • К)' возникают очаги локальной деформации но границам зерен, при увеличении амплитуды деформации образуются полосы скольжения в отдельных зернах. Высокий уровень ДС Mg не связан с процессами двойнико- вания. СВД на основе Mg используют для широкой номенклатуры деталей авиационной и космической техники, а также в электронных коммуникационных устройствах.

Алюминий и его сплавы. Бериллий. Амплитудные зависимости внутреннего трения сплавов алюминия с Си, Mg, Zn, Si, Mn, Co, Cr, Zr и другими элементами изучены достаточно подробно. Как правило, выделяют три наиболее характерных участка АЗВТ. Рост ВТ при малых амплитудах деформаций носит линейный характер: 8 = So + (as + р), где аир- численные коэффициенты; на втором участке описывается степенной функцией типа 8 - 8| = ре“, где 8| - первая критическая точка (это подтверждается линеаризацией экспериментальных данных в координатах «log(S—Sj) - logs»); третий участок достаточно хорошо линеаризуется в координатах Гранаго- Люкке (см. уравнение (5.10)): 8 - 80 = С10-ехр(С2/?0).

В зависимости от состава и режима обработки сплавов могут реализовываться различные механизмы:

  • 1. В чистых сплавах с незакрепленными дислокациями и в случае «слабых» точек закрепления третья стадия распространяется практически на всю экспериментальную кривую, то есть модель струны полностью описывает область эксперимента (например, Al-0,0003%Si).
  • 2. В деформированных, отожженных или закаленных от не очень высоких температур сплавах наблюдаются все три характерных участка АЗВТ (например, деформированный сплав Al-(),()()3%Si, деформированный и огожженый при 250 °С сплав А1-0,48%Со).
  • 3. В случае когда дислокации сильно закреплены примесными атмосферами, обнаруживаются только два первых участка АЗВТ на экспериментальной кривой (Al-l%Si, деформированный А1-0,48%Со после отжига при 600 °С).

В технически чистом бериллии кривая АЗВТ также разделена на три участка критическими амплитудами деформаций. При многократных измерениях ВТ ход кривых в интервале до 10 4 полностью воспроизводится, го есть на первых двух участках механизм микро- пластического рассеяния энергии отсутствует. Для описания первого участка АЗВТ в бериллии предложены модели колебаний дислокаций с атермическим преодолением «обобщенных сил трения» при однородном напряженном состоянии. По мере повышения температуры последовательно реализуются следующие механизмы дислокационной неупругости: отрыв дислокаций от атомов примесей, движение дислокаций, контролируемое трубочной диффузией атомов примесей, диффузное волочение атомов примесных атмосфер.

Стали переходного класса. Стали переходного класса - мартенситно-аустенитного типа - ОХ13НЗГ8, 12Х12Н8Т, 20X13H3T4,

30X13H3T4, Х15Н5МЗА, Х15Н5Д2 и другие с повышенным уровнем демпфирования (|/ до 5 %) используются для изготовления высокотемпературных изделий и конструкций, работающих при динамических нагрузках. Уровень демпфирования достигается за счет микропластиче- ского дислокационного рассеяния энергии в аустените, количество которого в значительной степени определяет ее величину. Максимальное демпфирование имеет место при наличии в структуре стабильного по отношению к у-а превращению мелкодисперсного аустенита.

Подводя итог, можно дать следующую краткую характеристику механизмов и свойств сплавов высокого демпфирования.

  • 1. Материалы с высокой гетерогенностью структуры. Механизм демпфирования: локальная пластическая деформация во включениях мягких фаз и на межфазных границах «включение - матрица». С ростом амплитуды колебаний демпфирующая способность увеличивается, при нагреве возможны «пиковые» эффекты внутреннего трения, обусловленные индивидуальными свойствами фаз.
  • 2. Материалы с магнитными доменами. Механизм демпфирования: обратимое движение границ магнитных доменов (магнитомеханический гистерезис), микро- и макровихревые токи. С увеличением амплитуды колебаний демпфирование проходит через максимум, при нагреве демпфирующая способность падает (возможны эффекты повышения ДС в определенных температурных интервалах), обращаясь в нуль при температуре Кюри.
  • 3. Материалы с термоупругим (обратимым) мартенситом. Механизм демпфирования: обратимое движение межфазных границ «матрица - мартенсит», «мартенсит - мартенсит», границ двойников и дефектов упаковки в мартенсите. С увеличением амплитуды демпфирование возрастает, достигая рекордных среди металлических материалов значений, при нагреве выше интервала термоуиругого мар- терситного превращения - резко падает.
  • 4. Материалы с легкоподвижными дислокациями. Механизм демпфирования: механический гистерезис, обусловленный перемещением дислокаций в поле других дефектов кристаллической решетки. Рост демпфирующей способности с температурой происходит из- за уменьшения сопротивляемости решетки микродеформации. Имеют невысокие прочностные свойства.

Помимо этих четырех групп высокодемпфирующих материалов необходимо отметить также следующие виды материалов:

  • 5. Материалы с высоким содержанием водорода (сплавы на основе Pd, Zr, Ti). Механизм демпфирования - высокая диффузионная подвижность водорода в сплавах-накопителях водорода, приводящая к формированию релаксационного термически активированного пика внутреннего трения с высокой степенью релаксации. Температурное положение пика зависит от частоты колебаний и энергии активации диффузии водорода. Практическая задача состоит в том, чтобы «расположить» пик ВТ в области климатических температур.
  • 6. Ультрамелкокристаллические и наноматериалы, полученные методами интенсивной пластической деформации, отличаются высокими прочностными свойствами и повышенным, но не высоким, демпфированием. Механизм демпфирования - дислокационный, дополнительный вклад возможен из-за зернограничных эффектов.
  • 7. Высокопористые материалы (пористость до 90 %) обладают повышенной демпфирующей способностью. Механизм демпфирования - за счет термоунругих амплитудонезависимых потерь (сплавы с высокой теплопроводностью: Al, Mg) и локальной микропласгиче- ской деформации. Легко разрушаются из-за развития усталостных процессов. Могут представлять повышенный интерес при использовании каркасов из материалов с термоупругим мартенситом и магнитными доменами.

В заключение отметим, что ГОСТов на измерения характеристик демпфирующей способности (или внутреннего трения) материалов не существует. Демпфирующая способность или внутреннее трение материалов измеряются по одному из соотношений, приведенных в предисловии. Каждый из этих методов измерения имеет свои преимущества и недостатки. При высоком демпфировании надежный пересчет демпфирующей способности из одной меры демпфирования в другую затруднителен или вообще невозможен. Это приводит к тому, что в литературе появляются не всегда корректные данные о демпфирующей способности тех или иных материалов. Если необходимо сравнить несколько материалов между собой, лучше делать это в рамках одной методики измерения. Более того, необходимо помнить, что на практике изделия, от которых требуются определенные демпфирующие свойства, часто находятся в нагруженном состоянии, то есть на них помимо вибрационных нагрузок действуют еще и статические напряжения. Поэтому необходимо выполнение условия подобия - метод измерения должен быть по мере возможности приближен к гем условиям, в которых материал будет работать.

В большинстве установок для измерения внутреннего трения используются методы свободно затухающих и вынужденных колебаний. В этих методах заложены разные принципы измерения, обусловливающие разную точность измерений в материалах с высоким и низким уровнем рассеяния энергии, при больших и малых амплитудах колебаний. При использовании вынужденных колебаний установки для измерения внутреннего трения характеризуются, как правило, сложностью конструкции и высокими конструктивными требованиями, однако они просты при эксплуатации. На них легко варьировать частоту, температуру, амплитуду деформации, менять режимы измерений и схемы напряженного состояния. Они достаточно универсальны и позволяют проводить измерения ЧЗВТ, ТЗВТ, АЗВТ, осуществлять усталостные испытания, измерять упругое последействие. В качестве меры внутреннего трения в них измеряется угол потерь ф (рис. 7.17, а). В материалах с низким внутренним трением, где угол потерь мал, точные измерения затруднены, поэтому приборы данного класса не отличаются высокой точностью измерения материалов с низкой демпфирующей способностью и часто дают значительный разброс данных именно при низких амплитудах деформации. Кроме того, в силу конструкционных особенностей установки вынужденных колебаний обладают более высоким фоном внутреннего трения по сравнению с установками, в которых используются свободно затухающие колебания.

Вынужденные (я) и свободно затухающие (б) колебания

Рис. 7.17. Вынужденные (я) и свободно затухающие (б) колебания: принципы измерения

Установки, в которых используются свободно затухающие колебания, отличаются конструктивной простотой, однако они не обладают универсальностью. В них используются резонансные колебания образца (язычковый маятник) или колебательной системы в целом (крутильный маятник). Приборы этого класса ориентированы на решение более узкого круга задач и для них часто требуется очень тщательная установка образца. Как правило, в них измеряется количество колебаний образца между двумя заранее выбранными амплитудами, например Атах и Amin, ((У1 = 1п(Атахт|п)/яи) - рис. 7.17, 6. Такое измерение легко выполнить с высокой точностью для материалов с невысоким демпфированием, то есть с большим количеством колебаний в выбранном интервале амплитуд, а также при низких амплитудах деформации. В материалах с высоким демпфированием или при высоких амплитудах колебаний посчитать точное количество колебаний образца в выбранном интервале практически невозможно. Погрешность измерения при свободно затухающих колебаниях составляет плюс-минус одно колебание. Ясно, что погрешность в ±1 колебание при их общем числе 300 колебаний в заданном интервале амплитуд незначительна, а при 3 или 2 колебаниях - огромна. Поэтому на кривых внутреннего трения, измеренных при свободно затухающих колебаниях и высоком рассеянии энергии, например при высоких амплитудах деформации или высоких температурах, возникают искусственные «ступеньки», связанные с погрешностью измерения из-за перехода от одного числа колебаний к другому. Напротив, при низком рассеянии энергии точность измерений внутреннего трения в таких установках высокая, а фон внутреннего зрения - низкий, гак как в них колеблется только сам образец и поэтому технический фон внутреннего трения, связанный не с образцом, а с прибором, минимальный. Более подробное описание измерительной техники можно найти в справочном издании 192].

  • [1] ММ - мишметалл.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы