CuZnAl系阻尼合金的研究

论文摘要

振动和噪音污染已经严重影响到人们的日常生活，引起了国内外学者对阻尼合金研究特别重视。目前对CuZnAl合金阻尼性能的研究远远没有对其形状记忆效应的研究深入和成熟。CuZnAl合金的形状记忆效应、力学性能及阻尼性能的好坏是决定其工业实用性的关键指标。本文采用扫描电子显微镜（SEM）和倒扭摆（JN-1型真空扭摆仪）等方法，系统地研究合金化、热处理、预变形处理对合金阻尼性能、形状记忆效应及力学性能的影响，探讨了CuZnAl合金马氏体产生高阻尼特性的微观机制，并分析形状记忆效应与阻尼间的内在联系。实验结果表明，应变振幅较小时(0.5×10-4＜γmax＜1.5×10-4)，CuZnAl合金的阻尼值随应变振幅的增加迅速增大，并且内耗-应变曲线不是线性关系；当应变振幅达到一定值后(大约为3.5×10-4)，随振幅的继续增加，合金的阻尼值增加缓慢并趋于稳定。CuZnAl合金的高阻尼特性主要归因于外力作用下马氏体孪晶界面的移动。热处理温度对合金阻尼性能有很大的影响。随着固溶处理温度的升高，α相逐渐固溶到β基体中，淬火后产生的β′马氏体越多，合金的阻尼性能得到显著提高。在800～900℃之间固溶15分钟后上淬处理，合金的阻尼性能最好。进一步升高固溶温度，β相晶粒随固溶温度升高而迅速长大，淬火后产生的β′马氏体粗大，β′中孪晶界面和β′／β′界面减少，合金的阻尼性能下降。固溶处理后再做预变形处理对合金阻尼性能有很大的影响。随着变形量的增加，合金的阻尼值先增大后减小，一方面合金在变形时发生了应力诱发马氏体转变，增加了马氏体的数量，从而使合金的阻尼源的数量增加。另一方面合金受到较大塑性变形时产生了残余应力和高密度的晶格缺陷，钉扎了阻尼源界面。在变形量为1～2％时，阻尼达到最大值，随后呈现下降趋势。研究CuZnAl合金的形状回复率发现，随着固溶温度的升高，α相逐渐固溶到β基体中，合金的形状回复率逐渐提高，在750～800℃间固溶形状回复率达到最大值。随后固溶温度再升高，马氏体取向增多，晶界出现横向、细条状马氏体，并开始于晶粒内部和边界上重新析出少量细小的第二相粒子，形状回复率开始缓慢降低。由于无Zr合金经过固溶处理后，其马氏体片的取向、有序度更高，同时又没有Zr粒子的钉扎，所以无Zr合金形状回复率高于含Zr合金。研究CuZnAl合金的力学性能发现，冷拉态时的抗拉强度和屈服强度都很高，但塑性很差，延伸率δ非常低。650℃固溶时，因为α相的存在，使得合金的延伸率最大。然后随着固溶温度的提高，α相数量的减少和晶粒的长大，合金的延伸率和抗拉强度都缓慢降低。随固溶处理温度的升高，合金的屈服强度逐渐降低。同样热处理条件下无Zr合金的形状回复率最好，阻尼性能也是最好。可见形状记忆效应与阻尼有着内在的联系。形状记忆合金由于热弹性马氏体转变或马氏体内变体再取向而具有形状记忆效应。同时，由于马氏体相变的自协调和马氏体中形成的各种界面（孪晶面、相界面、变体界面）的滞弹性迁移会吸收能量而具有很好的阻尼特性。热弹性马氏体相变紧紧地把形状记忆效应和阻尼联系起来。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 阻尼合金的工程应用背景
• 1.2 阻尼合金的表征
• 1.2.1 对数衰减率（δ）
• -1)'>1.2.2 内耗(Q^-1)
• 1.2.3 减振系数（比阻尼SDC）
• 1.2.4 能耗系数（η）和位相角（φ）
• 1.2.5 归一化宽带
• 1.3 阻尼性能的测量方法
• 1.3.1 低频扭摆法
• 1.3.2 共振棒法
• 1.3.3 复合振荡器法
• 1.4 阻尼合金的机制、类型和性能特点
• 1.4.1 阻尼机制分类
• 1.4.2 阻尼合金的分类
• 1.4.3 不同类型阻尼合金的性能特点
• 1.5 阻尼合金的工程应用
• 1.5.1 潜艇螺旋桨
• 1.5.2 齿轮
• 1.5.3 发电机机罩
• 1.5.4 凿岩机机杆
• 1.6 CuZnAl合金概述
• 1.6.1 CuZnAl阻尼合金的基本阻尼机制
• 1.6.1.1 热弹性阻尼
• 1.6.1.2 位错阻尼
• 1.6.1.3 晶界阻尼
• 1.6.1.4 界面阻尼
• 1.6.1.5 孪晶界阻尼
• 1.6.2 CuZnAl合金阻尼性能的影响因素
• 1.6.2.1 成型方法和热处理对CuZnAl合金阻尼性能的影响
• 1.6.2.2 静态应力对CuZnAl马氏体态阻尼性能的影响
• 1.6.2.3 温度和应变振幅对CuZnAl合金阻尼性能的影响
• 1.6.2.4 淬火缺陷对CuZnAl合金阻尼性能的影响
• 1.6.2.5 CuZnAl合金马氏体态阻尼性能的影响
• 1.6.2.6 添加Ni对CuZnAl阻尼性能的影响
• 1.7 选题意义、主要研究内容及技术路线图
• 1.7.1 选题意义
• 1.7.2 主要研究内容
• 1.7.3 技术路线
• 2 实验材料及实验方法
• 2.1 合金熔炼和试样制备
• 2.2 试样的处理
• 2.3 金相制备方法
• 2.4 相变点的测试
• 2.5 形状记忆效应（SME）的测试
• 2.6 阻尼性能测试方法
• 2.6.1 倒扭摆仪测试系统
• 2.6.2 倒扭摆仪测试系统的改进
• 2.6.3 阻尼性能的测试与表征
• 2.7 常用曲线分析
• 3 CuZnAl系合金的相变点、形状记忆效应的测试
• 3.1 固溶温度对不同成分CuZnAl合金相变点的影响
• 3.1.1 不同固溶温度对1-2合金相变点的影响
• 3.1.2 不同固溶温度对2-3合金相变点的影响
• 3.1.3 合金化对合金相变点的影响
• 3.2 不同固溶温度对CuZnAl合金形状回复率的影响
• 3.3 分析讨论
• 3.3.1 不同固溶温度对合金相变点的影响
• 3.3.2 不同固溶温度对CuZnAl合金形状回复率的影响
• 3.4 小结
• 4 热处理工艺对CuZnAl合金阻尼性能的影响
• 4.1 固溶温度对CuZnAl合金阻尼性能与微观组织的影响
• 4.1.1 固溶温度对1-2合金阻尼性能的影响
• 4.1.2 固溶温度对2-3合金阻尼性能的影响
• 4.1.3 固溶温度对1-2合金微观组织的影响
• 4.1.4 固溶温度对2-3合金微观组织的影响
• 4.1.5 固溶温度对1-7合金微观组织的影响
• 4.2 合金化对CuZnAl合金阻尼性能的影响
• 4.3 分析讨论
• 4.3.1 固溶温度对CuZnAl合金阻尼性能和微观组织的影响
• 4.3.2 合金化对CuZnAl合金阻尼性能的影响
• 4.4 形状记忆效应与阻尼的内在联系
• 4.5 小结
• 5 预变形量对CuZnAl合金阻尼性能的影响
• 5.1 实验结果
• 5.1.1 不同预变形量对1-2合金阻尼性能的影响
• 5.1.2 不同预变形量对2-3合金阻尼性能的影响
• 5.2 分析讨论
• 5.3 小结
• 6 CuZnAl系阻尼合金的力学性能
• 6.1 应力-应变的测试
• 6.2 化学成分、固溶温度对CuZnAl合金力学性能的影响
• 6.2.1 实验结果
• 6.2.2 分析讨论
• 6.3 小结
• 7 结论
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间论文发表简介
• 致谢