CuAlMn形状记忆合金的晶体结构和阻尼性能研究

论文摘要

由于CuAlMn形状记忆合金具备优良的力学性能和功能特性,能够基本满足功能/结构一体化阻尼材料的要求,因此我们选择CuAlMn形状记忆合金作为我们的研究对象。本文从阻尼机理,母相晶体结构,马氏体晶体结构,阻尼性能等四个方面对CuAlMn形状记忆合金进行了较为系统的研究。1.阻尼机理研究方面：首先通过对材料形变特性的解析,建立了线性动滞后阻尼的定量模型,得到了描述动滞后阻尼的两个重要宏观参量：驰豫强度和驰豫时间,并从宏观角度分析了影响阻尼性能的因素及提高阻尼性能的途径。其次,通过对阻尼微观机制的剖析,提出：阻尼来源于微观的缺陷,原子或其他物理基元顺应外加应力的微观有序运动,而这种微观有序运动必然同时导致微观无序运动（即热运动）的加剧,因而伴随机械能部分转变为热能的不可逆能量耗散。第三,提高铜基合金阻尼性能的有效途径主要是充分发挥界面阻尼和相变阻尼机制的作用。2.母相结构研究方面：对于具有四个亚点阵位置的A-B-C三元合金,我们提出了表征其有序度的四个参数SBmn,SCmn,SBnn,SCnn。在对有序度参数进行合理简化的基础上,模拟了CuAl11Mn9合金L21,D03,B2和A2结构母相的XRD衍射谱。DO3结构母相XRD衍射的特点是：无论有序度如何变化,（111）和（002）晶面的衍射强度之比均为恒值,I（111）/I（002）≈1.92；L21结构母相XRD衍射的特点：（111）和（002）晶面的衍射强度之比不是常数,且I（111）/I（002）≤1.18；B2结构母相XRD衍射的特点：（111）,（113）和（133）等次近邻衍射峰结构消光。将实验衍射谱与模拟衍射谱进行对比,测定Cu-Ak11Mn9合金铸态试样的母相结构为（80％DO3+20％L21）。热处理对母相结构的影响是：淬火冷却速度减慢,DO3结构比例下降；低温时效温度升高,DO3结构比例下降；低温时效时间延长,L21结构的最近邻和次近邻有序度升高。3.马氏体结构研究方面：通过引入两个影响因子x（电子浓度影响因子）和μ（配位数影响因子）计算原子在实际合金中的有效半径,以此为基础并根据马氏体结构模型,利用不等径钢球密堆的原理,首次提出了计算马氏体晶格常数的两种算法：一是完全利用原子半径计算马氏体晶格常数；二是利用母相晶格常数和层间偏移量s计算马氏体晶格常数。模拟了常见马氏体结构的XRD衍射谱,通过将实验衍射谱与模拟衍射谱进行对比的方法,确定了铸态Cu-Al10.5-Mn6和Cu-Al11-Mn6合金都是以4H马氏体为主体的多类型马氏体混合结构。热处理对马氏体有序度的影响显著,随着淬火冷却速度降低或时效时间延长,马氏体有序度升高。4. CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能研究方面：运用跟踪滤波技术,采用悬臂梁弯曲共振装置测试了表面应力振幅4.05-40.5Mpa范围内CuAlMn形状记忆合金在一阶共振频率和二阶共振频率下的室温阻尼性能。研究结果表明,CuAlMn形状记忆合金在单一马氏体态和母相态都有可能具有高阻尼特性,最大表面应力振幅为4.05Mpa时,内耗Q-1最高可以达到10-1数量级。阻尼机制与合金的显微组织和相结构密切相关,马氏体相的高阻尼能力归因于马氏体挛晶变体在应力作用下的再取向,而母相的高阻尼能力来源于应力诱发马氏体相变。CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能总体上表现为随表面应力振幅增加而下降的趋势,在临界应力以下,母相态合金的阻尼性能下降速度明显快于马氏体态合金,超过临界应力以后,阻尼性能下降趋于平缓而且与组织相关性很小。CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能随频率升高而下降,有较强的频率依赖性,尤其是两相区合金的频率效应最为显著,而添加合金元素Ni能够改善高频特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 高阻尼材料的研究背景
• 1.1.1 振动和噪声的危害
• 1.1.2 减振降噪的措施
• 1.1.3 阻尼材料的种类和特点
• 1.2 高阻尼金属研究概况
• 1.3 阻尼性能的表征和测试技术研究概况
• 1.3.1 阻尼性能的表征
• 1.3.2 阻尼性能测试原理
• 1.3.3 阻尼性能测试设备
• 1.3.4 阻尼性能测中存在的问题
• 1.4 形状记忆合金的晶体结构研究概况
• 1.5 本项研究的意义及技术路线
• 1.5.1 功能/结构一体化高阻尼材料的研究意义
• 1.5.2 课题的总体研究思路
• 1.5.3 本文拟解决的关键技术问题
• 第2章 阻尼机理的理论分析
• 2.1 概述
• 2.2 阻尼性能的宏观模型
• 2.2.1 线性滞弹性固体本构方程
• 2.2.2 线性滞弹性固体的动态力学行为
• 2.2.3 线性滞弹性固体的阻尼性能
• 2.2.4 非线性和塑性阻尼的定性分析
• 2.2.5 影响阻尼性能的因素及提高阻尼性能的途径
• 2.3 阻尼性能的微观机制
• 2.3.1 热弹性阻尼
• 2.3.2 点缺陷阻尼
• 2.3.3 位错阻尼
• 2.3.4 界面阻尼
• 2.3.5 相变阻尼
• 2.4 马氏体相变的能量学分析
• 2.4.1 马氏体相变的能量学定性分析
• 2.4.2 热弹性马氏体相变的特征
• 2.4.3 非热弹性马氏体相变的特征
• 2.5 本章小结
• 第3章 材料制备和性能实验方法
• 3.1 合金成分设计
• 3.1.1 成分设计的依据
• 3.1.2 合金成分列表
• 3.2 材料制备工艺
• 3.2.1 合金熔炼和铸造工艺
• 3.2.2 热处理工艺
• 3.3 材料性能测试
• 3.3.1 阻尼性能测试
• 3.3.2 力学性能测试
• 3.3.3 相变点测试
• 3.4 微观组织观察和相结构测定
• 3.4.1 显微组织观察
• 3.4.2 X射线衍射分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 母相晶体结构的模拟和实验研究
• 4.1 母相晶体结构模型
• 4.2 长程有序度参数
• 4.2.1 二元合金的长程有序度参数
• 4.2.2 三元合金的长程有序度参数
• 4.3 有序度对母相衍射效应的影响
• 4.3.1 有序度对母相晶格常数的影响
• 4.3.2 有序度对母相结构因子的影响
• 4.4 CuAlMn合金母相XRD衍射谱的模拟研究
• 4.4.1 母相晶体结构模型的空间群理论描述
• 4.4.2 CuAlMn合金有序度参数的简化方法
• 11Mn₉合金母相XRD衍射谱的模拟方法'>4.4.3 CuAl₁₁Mn₉合金母相XRD衍射谱的模拟方法
• 11Mn₉合金母相XRD衍射谱的模拟结果'>4.4.4 CuAl₁₁Mn₉合金母相XRD衍射谱的模拟结果
• 11Mn₉合金母相XRD衍射的试验研究'>4.5 CuAl₁₁Mn₉合金母相XRD衍射的试验研究
• 4.5.1 铸态试样的XRD衍射试验结果及分析
• 4.5.2 热处理工艺对母相结构的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 马氏体结构的模拟和实验研究
• 5.1 母相晶格常数与原子半径
• 5.1.1 CuAlMn合金母相晶格常数与原子半径
• 5.1.2 CuAlNi和CuZnAl母相晶格常数计算
• 5.2 马氏体晶体结构模型
• 1马氏体的密排层堆垛方式'>5.2.1 9R和18R₁马氏体的密排层堆垛方式
• 1马氏体晶格常数的关系'>5.2.2 层间偏移量s与18R₁马氏体晶格常数的关系
• 5.2.3 层间偏移量s与原子半径的关系
• 1马氏体结构参数与原子半径之间的关系'>5.2.4 18R₁马氏体结构参数与原子半径之间的关系
• 5.2.5 一般马氏体结构参数与原子半径的关系
• 5.3 马氏体结构因子的计算方法
• 5.3.1 2H马氏体的结构因子
• 5.3.2 4H马氏体的结构因子
• 5.3.3 3R马氏体的结构因子
• 5.3.4 6R马氏体的结构因子
• 5.3.5 7R马氏体的结构因子
• 5.3.6 9R马氏体的结构因子
• 1马氏体的结构因子'>5.3.7 18R₁马氏体的结构因子
• 2马氏体的结构因子'>5.3.8 18R₂马氏体的结构因子
• 5.4 CuAlMn合金马氏体XRD衍射谱的模拟研究
• 5.4.1 晶格常数计算方法的可靠性论证
• 5.4.2 CuAlMn合金母相和马氏体晶格常数计算
• 1结构母相生成的马氏体的模拟衍射谱'>5.4.3 L2₁结构母相生成的马氏体的模拟衍射谱
• 3结构母相生成的马氏体的模拟衍射谱'>5.4.4 DO₃结构母相生成的马氏体的模拟衍射谱
• 2结构母相生成的马氏体的模拟衍射谱'>5.4.5 B₂结构母相生成的马氏体的模拟衍射谱
• 2结构母相生成的马氏体的模拟衍射谱'>5.4.6 A₂结构母相生成的马氏体的模拟衍射谱
• 5.4.7 不同类型马氏体模拟衍射谱的对比分析
• 5.5 CuAlMn合金马氏体XRD衍射的实验研究
• 5.5.1 铸态试样的XRD衍射实验结果分析
• 5.5.2 热处理试样的XRD衍射实验结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 CuAlMn合金阻尼性能研究
• 6.1 室温组织和相结构与阻尼性能的关系
• 6.1.1 室温组织及相结构分析
• 6.1.2 室温组织和相结构与阻尼性能的关系
• 6.2 应力振幅对阻尼性能的影响
• 6.2.1 应力振幅及阻尼性能参数的计算
• 6.2.2 一阶振型分析
• 6.2.3 二阶振型分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文