yandex.metrica
Металлургия марганца

Демпфирующие высокомарганцевые сплавы

Демпфирующая способность (ДС) сплавов системы Mn — Cu в области высокой концентрации марганца является основной эксплуатационной их характеристикой. Количественно демпфирующую способность материалов можно оценивать различными величинами: относительным рассеиванием энергии (ψ = ΔW/W, где ΔW — энергия, поглощенная твердым телом; W — потенциальная энергия этого твердого тела); логарифмическим декрементом колебаний (δ = (1/n) × ln ( A0/An), где A0 — начальная амплитуда свободных затухающих колебаний; An — амплитуда n-цикла свободных затухающ их колебаний) и обратной добротностью Q-1 = Δ ω0,5 /√3ωp , где ω0,5 — ширина резонансного пика колебаний на уровне 0,5 его высоты; ωp  —  резонансная частота колебаний). Ю. К. Фавстов отмечает, что при малой демпфирующей способности (ψ = 18) эти три характеристики связаны между собой соотношением

ψ = 2δ = 2πQ-1.

Механизмы рассеяния энергии в сплавах с высокой демпфирующей способностью могут быть различны и определяются процессами, происходящими в сплавах при ДС. Выделяют в основном две группы механизмов. К первой отнесены механизмы, связанные с релаксационными и резонансными процессами. При этом эти механизмы не зависят от амплитуды колебаний. Они характеризуются зависимостью с экстремумом от температуры и частоты колебаний. Вторая группа объединяет механизмы, связанные с различными нерелаксационными процессами и зависящие от амплитуды и не зависящие от частоты колебаний. Меха­низмы, относящиеся ко второй группе, называют также гистерезисным рассеянием или гистерезисным демпфированием.

По данным Ю. К. Фавстова, А. Г. Рахштадта и Ю. Н. Шульги рассеяние энергии в области малых амплитуд по частотнозависимому механизму обусловлено главным образом общей дефектностью кристаллической решетки, ее искаженностью вследствие мартенситного превращения или наклепа. Демпфирующие сплавы должны иметь устойчивую в условиях эксплуатации метастабильиую структуру, например, мартенсит. В этом аспекте перспективными являются закаливающиеся на мартенсит сплавы системы Mn — Cu, Ni — Ti, Cu — Al. Механизмы амплитуднозависимого рассеяния энергии могут быть следующие:

  1. рассеяние энергии, обусловленное движением двойниковых границ;
  2. рассеяние энергии, обусловленное движением межфазных когерентных границ при обратном бездиффузионном превращении;
  3. дислокационное рассеяние энергии.

Демпфирующие сплавы системы Mn — Cu, а также сплавы на этой основе, легированные некоторыми элементами, относятся к упруго-двойникующимся сплавам, хотя в них имеет также место механоупругое мартенситное превращение. Интерес к сплавам системы Mn — Cu обусловлен прежде всего высокими показателями демпфирования при больших и малых амплитудах колебания (ψ = 7… 10 % при γ = 1 · 10-6 и ψ = 30…40 % при γ = 1 · 10-3). При этом сплавы характеризуются хорошими механическими свойствами (σв = 500…600 МПа, ψ = 20…30 %) и высокой технологичностью. В бывшем СССР разработан и освоен ряд демпфирующих сплавов системы Mn — Cu Г60940, Г75Д25, Г75Д25Л, которые рассматриваются как базовые. Для условий эксплуатации в морской воде созданы сплавы Г72Д22Н2, 5Ю1, 5Ж2 и Г52Д40, Ж4Н2Ю2, а также сплав «аврора» состава, %: Mn 50—60; Al 1,0—2,3; Ni 0,3 — 2,5; Fe 1 —4; Cu 0,5—4,0; Mo 0,3—0,9. За рубежом известны сплавы «инкрамум» (32—42 % Mn, 2 —4 % Al), «соностон» (36 % Cu; 4,5 % Al; 3 % Fe; 2 % Ni ; Mn — остальное).

Демпфирующая способность закаленных сплавов системы Mn—Cu

В системе Mn — Cu сплавы с ≤ 22 % Mn во всей области температур имеют γ-твердый раствор, а > 22 % Mn при комнатной температуре состоят из двух (α + γ)-фаз, причем медь практически не растворяется в α-Mn.

Структура (фазовый состав) сплавов зависит не только от химического их состава, но и от скорости охлаждения. Если vt = 0,5 °С/ч, то в сплавах с ≥ 40 % Mn обнаруживается не две (α + γ)-фазы, а три: α-Mn, γ-твердый раствор с ГЦК-решеткой и γт-твердый раствор с гранецентрированной тетрагональной решеткой. При vt = 2,5 °С/ч однофазная структура γ-твердого раствора фиксируется в сплавах с 45 % Mn. Если скорость охлаждения повысить с 4,4 до 20 °С/ч, а также охладить сплавы в воде, то γ-твердый раствор можно получить при 50—65 и 80 % Mn соответственно. Дальнейш ее повышение содержания марганца в сплаве (82—86 % Mn) в случае охлаждения его в воде гарантирует получение двухфазной структуры: γ↔γт -твердых растворов. Однофазная структура (γт-фаза) отличается в сплавах при концентрации марганца > 86 %.

Превращение формула и происходит по механизму обратимого мартенситного превращения, с очень малым гистерезисом (1—3 °С). Пересыщенный по марганцу γ-твердый раствор и мартенсит (γт-фаза) при комнатной температуре достаточно устойчивы, и только при t > 200 °С начинается диффузионный распад.

Фавстов Ю. К. на основании обобщения литературных источников анализирует пять стадий распада неравновесных структур, которые имеют место во всех сплавах на основе системы Mn — Cu с фиксированной закалкой метастабильной структуры.

Первоначально происходит концентрационное расслоение с образованием кластеров размером 1,0—2,5 нм (первая стадия). Затем на основе увеличившихся до 3 —5 нм кластеров формируются зародыши мартенситной фазы (вторая стадия). Причем содержание марганца в этих кластерах составляет 90—95 % независимо от концентрации марганца в сплаве, а в обедненных зонах только 35—50 % Mn. В кластерах в зародышах инициируется мартенситное превращение. На второй стадии возрастает демпфирующая способность сплава.

Как следует из данных рис. 19.1, демпфирующая способность закаленных сплавов системы Mn — Cu становится существенной только при достижении содержания ≥ 80 % Mn, тогда в структуре появляется мартенсит. В случае, когда Mn ≤ 80 %, сплавы имеют ГЦК-решетку, поэтому демпфирующая способность их очень незначительна как при малых, так и больших амплитудах колебаний. ДС и механические свойства сплава Г50Д50 после закалки от 800 °С и отпуска при 450 °С и различной продолжительности приведены на рис. 19.2.

графики

Сделан вывод, что для термически обработанных сплавов по оптимальному режиму верхней температурой эксплуатации марганцевомедных сплавов является 110 ± 10 °С. И этот температурный порог не зависит от химического состава. Для обеспечения стабильности демпфирующих сплавов системы Mn — Cu необходимо иметь более чистые сплавы, формировать структуру, устойчивую к старению, легировать сплавы соответствующими элементами. Максимально допустимое содержание легирующих элементов в этих сплавах следующее %: Ni 35; Al 26; Cr 1,5; Fe 2,5; Sn 2; Si 0,5.

Изменение периодов кристалли­ческой решетки и атомного объемаПриведенные данные позаимствованы нами из литературного обзора, выполненного Ю. К. Фавстовым по публикациям до 1983—1984 гг. В этой связи представляют интерес результаты новых исследований советских и зарубежных авторов. Кондратенко Л. К. и Л. Н. Гусева исследовали распад метастабильного твердого раствора сплава Cu + 75 % Mn. Слитки сплава гомогенизировали в течение 20 ч при 850 °С, а старение образцов проводили в интервале 330—530 °С с выдержкой от 30 мин до 6 ч. Анализ прецизионных исследований позволил авторам сделать следующие обобщенные выводы. Установлено, что γ-фаза распадается на два твердых раствора с содержанием 33—35 и 95 % Mn при объемной доле обогащенной фазы ~65 % (рис. 19.3). Обогащенная марганцем метастабильная фаза при охлаждении до комнатной температуры испытывает превращение ГЦК → ГЦТ с большим уменьшением υат (рис. 19.4). Объемное несоответствие образующихся в процессе старения фаз (в однофазном закаленном состоянии твердый раствор содержал 75 % Mn, а период решетки был равен 0,375 нм) по заключению авторов является источником внутренних напряжений, которые влияют на устойчивость метастабильной структуры и демпфирующие свойства сплавов, поэтому рациональным легированием этого сплава, по мнению авторов, можно достичь улучшения этих свойств.

Теплоемкость сплава после мкалки и различных режимов термической обработки

Нейтронографическими исследованиями сплавов системы Mn — Cu установлено, что при термической обработке их происходит концентрационное расслоение сплава по механизму спинодального распада.

Придавая большое значение механизму спинодального распада, авторы решили задачу установления границ, где происходит концентрационное расслоение сплава путем экспериментального исследования температурной зависимости теплоемкости металлокерамического сплава Cu + 70 % Mn. Опыты проведены на адиабатическом сканирующем калориметре в интервале 40—850 °С. Закалка па твердый раствор производилась после выдержки при 850 °С в течение 2 ч.

Зависимость амплитуды пи­ ка теплоемкости от температуры тер­мической обработкиАнализ экспериментальных данных позволил авторам на зависимости изменения теплоемкости от температуры выделить три области вблизи 100, 500 и 730 °С, в которых имеется аномальное поведение теплоемкости (рис. 19,5, 19,6), а также дать соответствующую интерпретацию металлофизическим процессам, имеющим место в каждой из трех областей. По форме пиков в области I авторы заключили, что процессы при этих температурах связаны с фазовым переходом II рода (точкой Нееля). В области II отмечены две особенности в аномальном поведении сплава — наличие минимума при 480 °С и максимума при 560 °С. Минимум на кривых связывают с появлением зон, обогащенных и обедненных марганцем. Концентрационное расслоение сплава имеет место в интервале 350—520 °С и наиболее интенсивно протекает в середине этого интервала. Пик теплоемкости в области III по мнению авторов связан с фазовым переходом I рода γ + α → γ или γ + α → γ + β → γ, где γ-фаза —промежуточная фаза, появление которой возможно при повышенных температурах и если сплав содержит зоны с >70 % Mn. Таким образом, зависимость теплоемкости сплава Cu + 70 % Mn с изменением температуры свидетельствует о том, что при термической обработке в этом сплаве имеют место фазовый переход II рода, спинодальный распад и фазовый переход III рода.

Авторы с использованием метода ЭПР построили магнитную фазовую диаграмму сплавов системы Cu — Mn (4—80 % Mn).