简介概要

Mn-Cu阻尼合金时效过程中晶体结构的变化

来源期刊：中国有色金属学报2003年第1期

论文作者：王丽萍郭二军姚秀荣朱兴松

文章页码：46 - 50

关键词：阻尼合金； Mn-Cu合金; 时效; 晶体结构

Key words：damping alloy； Mn-Cu alloy； aging； crystal structure

摘要：研究了时效时间、时效温度对ZMnD-1J四元锰铜合金阻尼性能的影响规律，进而借助X射线衍射仪，系统地研究了该合金时效过程的晶体结构变化规律。结果表明： ZMnD-1J四元锰铜合金阻尼性能对时效温度非常敏感，阻尼性能只在一个很小的温度区间才能获得，在430℃时效可获得最佳的阻尼性能；该合金阻尼性能对时效时间也非常敏感，最佳阻尼性能只在时效2h才能获得；合金的阻尼性能与晶体结构有着密切的联系，只有面心正方的晶体结构才能赋予材料高阻尼特性，时效后阻尼性能的突变是晶体结构突变的结果。

Abstract: The effect of aging temperature and time on the damping property of ZMnD-1J Mn-Cu alloy was studied. Furthermore, the changes of crystal structure in the process of aging were investigated by XRD. The results show that, the damping property of ZMnD-1J Mn-Cu alloy is highly sensitive to the aging temperature and time .When the temperature is controlled in a narrow range, about 430℃, the time is about 2h , the best damping property is obtained. There are close relationships between the damping property and crystal structure. Only fcc structure appears high damping property. The abrupt change of crystal structure leads to the sudden change of damping property after aging.

中国有色金属学报 2003,(01),46-50 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.01.007

Mn-Cu阻尼合金时效过程中晶体结构的变化

王丽萍郭二军姚秀荣朱兴松

哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨理工大学材料科学与工程学院哈尔滨150080 ,哈尔滨150080 ,哈尔滨150080 ,哈尔滨150080

摘要：

研究了时效时间、时效温度对ZMnD - 1J四元锰铜合金阻尼性能的影响规律 ,进而借助X射线衍射仪 ,系统地研究了该合金时效过程的晶体结构变化规律。结果表明 :ZMnD 1J四元锰铜合金阻尼性能对时效温度非常敏感 ,阻尼性能只在一个很小的温度区间才能获得 ,在 4 30℃时效可获得最佳的阻尼性能 ;该合金阻尼性能对时效时间也非常敏感 ,最佳阻尼性能只在时效 2h才能获得 ;合金的阻尼性能与晶体结构有着密切的联系 ,只有面心正方的晶体结构才能赋予材料高阻尼特性 ,时效后阻尼性能的突变是晶体结构突变的结果

关键词：

阻尼合金;MnCu合金;时效;晶体结构;

中图分类号： TG156.92

作者简介：丽萍(1962),女,副教授,硕士;

收稿日期：2002-08-08

Crystal structure changes of Mn-Cu damping alloy at aging

Abstract：

The effect of aging temperature and ti me on the damping property of ZMnD-1J Mn-Cu alloy was studied. Furthermore, th e changes of crystal structure in the process of aging were investigated by XRD. The results show that, the damping property of ZMnD-1J Mn-Cu alloy is highly sensitive to the aging temperature and time .When the temperature is controlled in a narrow range, about 430 ℃, the time is about 2 h , the best damping prop erty is obtained. There are close relationships between the damping property and crystal structure. Only fcc structure appears high damping property. The abrupt change of crystal structure leads to the sudden change of damping property afte r aging.

Keyword：

damping alloy; Mn-Cu alloy; aging; crystal structure;

Received： 2002-08-08

阻尼合金是重要的功能材料, 是人类防止噪声极有发展前途的绿色材料或环保材料。迄今为止, 国内外已针对军用或民用研制出多种阻尼合金 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。铜基阻尼合金具有高阻尼性能和优良的工艺性能, 因此十分引人关注, 洛阳铜加工厂、北京有色研究总院正在开展此类合金研制 ^[7] 。产生阻尼的实质是在铜合金中于固态下随着温度变化发生晶体结构的变化, 通常是马氏体转变, 导致晶型的转变, 从而形成许多界面, 在振动的作用下界面的移动可以吸收振动能 ^[8] 。典型的铜基阻尼合金是锰铜合金, 当前世界各国主要研究方向是寻找一种高阻尼实用型变形锰铜合金 ^[9] 。我国在该领域中已有重大突破, 洛阳铜加工厂研究成功了54Mn-40Cu-5Me三元合金, 已通过中间试验, 在船舶工业中开始进行应用试验 ^[10] ; 作者在文献 [ 11] 中开发出了ZMnD-1J高阻尼、高强度锰铜四元合金, 其典型性能为: S.D.C=44.5%, σ_b=678 MPa, δ=24.1%, 可作结构材料使用, 但文章中并未对合金的阻尼机理做深入的探讨。为了揭示锰铜合金的阻尼机理, 借助X射线衍射仪, 系统地研究了ZMnD-1J四元锰铜合金时效过程的晶体结构变化规律, 进而又采用透射电镜(TEM)分析了ZMnD-1J四元锰铜合金时效过程的组织变化规律, 对ZMnD-1J四元锰铜合金的阻尼机理有了初步的认识。本文作者仅就ZMnD-1J四元锰铜合金时效过程的晶体结构变化规律加以讨论, 关于ZMnD-1J四元锰铜合金时效过程的组织变化规律将在后续文章中论述。

1 实验

试验采用纯度为99.95%的Cu、 96%的 Mn、 99.97%的Al和99.99%的Zn为原料, 在电阻炉石墨坩埚中按Mn 50%、 Al 2%、 Zn 5%、余量为铜的成分熔化出ZMnD-1J四元锰铜合金, 表面加特殊保护剂防止氧化烧损。铸锭经850 ℃、 26 h固溶淬火后, 轧制成8 mm厚的薄板, 经过酸洗去掉氧化皮, 再从中截取阻尼性能测试试样和X射线衍射试样。

由于时效前后的晶体结构的变化能通过X射线衍射谱反应出来, 所以将试样分别在380, 400, 430, 480和530 ℃进行2 h的时效处理, 然后根据X射线衍射谱计算出轴比c/a, 以分析晶体结构随时效温度的变化。同时将一组试样在430 ℃分别时效1, 2和6 h, 根据这组试样的X射线衍射谱分析晶体结构随时效时间的变化。晶格常数的确定在日本理学旋转阳极X射线衍射仪(12 kV)上完成。 CuK_α衍射, 用石墨单色器进行衍射束单色化。为了消除应力的影响, 将各个试样在电解液中进行预电解抛光, 电解液的组成是: 25 mL orthophosphoric+25 mL glycerol+50 mL C₂H₅OH。为了探求时效过程晶体结构变化与合金阻尼特性的关系, 每种时效工艺试样在X射线衍射实验的同时, 测试其阻尼性能(内耗Q^-1)。

2 结果及分析

2.1 时效温度对阻尼性能的影响

将相同时效时间(2 h)不同时效温度时ZMnD-1J四元锰铜合金阻尼性能(内耗Q^-1)的测试结果总结于图1。从图1可见: 在380 ℃以下温度时效, Q^-1值同淬火态的几乎相同。一旦超过380 ℃, Q^-1值急剧上升; 在400 ℃, 仅20 ℃的温度间隔, Q^-1值就上升到最大值的一半; 在430 ℃, Q^-1值达到最大值; 超过430 ℃, Q^-1值缓慢下降, 到480 ℃, Q^-1值开始急剧下降; 在530 ℃, Q^-1值已很小, 合金的阻尼性能已不能满足要求。说明ZMnD-1J四元锰铜合金阻尼性能对时效温度非常敏感, 阻尼性能只在一个很小的温度区间才能获得, 在430 ℃时效可获得最佳的阻尼性能, 时效温度偏高、偏低都不能使该材料的阻尼特性得以充分发挥。

2.2 时效时间对阻尼性能的影响

相同时效温度(430 ℃)不同时效时间ZMnD-1J四元锰铜合金阻尼性能(内耗Q^-1)的测试结果总结于图2, 0时刻是淬火态的Q^-1值。从图2可见: 在时效开始阶段(时效时间<2h), 随时效时间的延长, Q^-1值增加较快, 时间对Q^-1影响较大。当时效时间大于2h后, 随时间增长Q^-1值反而减小。说明ZMnD-1J四元锰铜合金阻尼性能对时效时间也非常敏感, 最佳阻尼性能只在2h才能获得, 时效时间偏高、偏低都不能使该材料发挥潜在的阻尼特性。

2.3 时效时的晶体结构变化

图3(a)所示是该合金在850 ℃固溶淬火后的XRD谱, 图3(b)所示是850 ℃固溶淬火后在430 ℃时效后的XRD谱。从两谱的对比可见, 时效前后晶体结构发生了变化。

淬火合金在XRD谱上的强衍射峰有4条, 经特征数列分析认为: 被测物质是面心立方点阵, 各衍射峰的晶面指数由低角到高角分别是(111)、 (200)、 (220)和(311)。由图3(b)可见, 时效后(111)和(311)晶面都没有变化, 但在(200)和(220)晶面的临近右侧又出现了两条衍射峰, 其高角衍射峰较清晰, 表现出(220)衍射峰分解成(220)和(202)两条衍射峰, 表明晶体点阵已由面心立方变成体心正方。

随着时效时间的延长, 还出现了新的衍射峰,

图1 内耗(Q-1)与时效温度的关系

Fig.1 Relation between internal energy loss (Q^-1) and aging temperature

图2 内耗(Q-1)与时效时间的关系

Fig.2 Relation between internal energy loss (Q^-1) and aging time

图3 ZMnD-1J锰铜合金的XRD谱

Fig.3 XRD patterns of ZMnD-1J Mn-Cu alloy (a)—Quenching; (b)—Aging for 2 h; (c)—Aging for 6 h

见图3(c)中的A、 B、 C、 D峰, 它们的值分别是2.106 3 ?, 1.901 9 ?, 1.750 8 ?和1.214 8 ?, 可知这时组织中出现了α-Mn相。

根据X射线衍射结果, 将不同温度时效后轴比c/a的变化总结于图4, 将轴比c/a随时效时间变化的趋势总结于图5。从图4, 5可见: 在380 ℃以下温度时效时, 晶体结构并不发生变化; 超过380 ℃, 晶体结构开始转变成体心正方; 在430 ℃轴比出现最大值; 以后随着时效温度的增加轴比开始减小, 超过530 ℃, 结构又恢复到面心立方。而随着时效时间的增加轴比c/a在逐渐增大, 在最初半小时内, 轴比变化很弱; 从0.5到2 h, 轴比变化很明显; 时效时间进一步增加, 轴比变化幅度很小, 曲线变得比较平缓。

3 讨论

比较图1和图4可见: 在380 ℃以下和530 ℃以上温度时效时, 晶体结构保持固溶淬火状态时的面心立方结构, 此时合金的阻尼性能很差。只有在380～530 ℃温度区间进行时效时, 晶体结构才由面心立方转变成体心正方, 并使合金具有较好的阻尼性能。在430 ℃时, 轴比c/a为最大值, 这时也对应着阻尼性能的最大值。因此, 合金的阻尼性能与晶体结构有着密切的联系, 只有体心正方的晶体结构才能赋予材料高阻尼特性, 时效后阻尼性能的

图4 轴比(c/a)与时效温度的关系

Fig.4 Relation between c/a and aging temperature

图5 轴比(c/a)与时效时间的关系

Fig.5 Relation between c/a and aging time

突变是晶体结构突变的结果。对应于阻尼性能最大值的时效温度也对应于轴比的最大值, 即晶格扭曲的大小决定了阻尼性能的大小。

阻尼性能不仅仅受晶格扭曲大小的限制。由图5可见: 随着时效时间的延长, c/a逐渐增大, 即晶格扭曲加重。如此推来, 阻尼性能应随着时效时间的延长而增加。但图2表明时效时间超过2h , 阻尼性能已逐渐下降。这是因为随着时效时间的延长, 组织中开始析出α-Mn相(由图3(c)可见)。作者在文献 [ 11] 中指出, 合金的阻尼性能是通过组织中大量存在的微孪晶的移动和消长而产生的, α-Mn的沉积阻碍了微孪晶的移动和消长, 随着时效时间的延长, α-Mn的脱溶沉积也就越多, 阻碍作用也越大, 阻尼性能也就越小。当组织中的α-Mn达到一定量时, 材料变脆, 阻尼性能消失。可见, 合金的阻尼性能除了与时效时的晶格扭曲程度有关外, 还与时效时的组织变化有关。 ZMnD-1J四元锰铜合金时效过程的组织变化规律将另文介绍。

通过我们的研究以及前人的工作表明: Mn-Cu合金的阻尼性能与晶体结构有着密切的联系, 只有体心正方的晶体结构才能赋予材料高阻尼特性。 Mn-Cu合金的面心立方向体心正方的转变温度称为M_s点, 很多学者都研究了M_s随Mn含量的变化关系 ^[12,13] , 指出: 80Mn-Cu合金的M_s点为10 ℃, 而70 Mn-Cu合金的M_s点为-200 ℃, 只有Mn含量大于82%的Mn-Cu合金M_s点在室温以上, 室温时固溶淬火状态才可具有体心正方结构, 才具有阻尼性能。低Mn合金由于M_s点很低, 室温时固溶淬火状态不能获得体心正方结构, 也就不能获得高阻尼性能。

ZMnD-1J四元锰铜合金的Mn含量在50%左右, 其M_s点在-180 ℃以下。但淬火后时效处理可使M_s点大大提高。该合金经430 ℃、 2 h时效后的弹性模量与温度的关系曲线见图6, 由弹性模量的软化点可知, 时效后该合金的M_s点提高到100 ℃左右, 大大高于室温。因此, 该合金在低于100 ℃时都会保持体心正方结构, 也就具有了高阻尼性能。由此可见, 低Mn合金时效获得阻尼性能的原因是时效过程提高了合金的相变点。

图6 时效后弹性模量与温度的关系

Fig.6 Relationship of elastic modulus with temperature after aging

4 结论

1) ZMnD-1J四元锰铜合金阻尼性能对时效温度非常敏感, 阻尼性能只在一个很小的温度区间才能获得, 在430 ℃时效可获得最佳的阻尼性能。

2) ZMnD-1J四元锰铜合金阻尼性能对时效时间也非常敏感, 最佳阻尼性能只在时效2 h才能获得。

3) 合金的阻尼性能与晶体结构有着密切的联系, 只有体心正方的晶体结构才能赋予材料高阻尼特性, 时效后阻尼性能的突变是晶体结构突变的结果。时效获得阻尼性能的原因是时效过程提高了合金的相变点。

REFERENCES

[1] 顾敏, 高光慧. Zn-Al阻尼合金的研究[J]. 特种铸造及有色合金, 1992(3): 1-3.

GU Min , GAO Guang-hui.The investigation of Zn-Al damping casting alloy[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 1992(3): 1-3.

[2] 黄良余, 叶青. 高阻尼高强度镁合金ZMJD-1S的应用研究[J]. 特种铸造及有色合金, 1992(5): 15-17.

HUANG Liang-yu, YE Qing.The development of high damping, high strength Mg-alloy ZMJD-1S and its application in manufacturing the parts of some appartuses[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 1992(5): 15-17.

[3] Baik S H. High damping Fe-Mn martensitic alloys for engineering applications[J]. Nuclear Engineering and Design, 2000, 198(3): 241-252.

[4] LIU Yong-chang, LI Jin-fu, YANG Gen-cang, et al. High damping functional materials prepared by spray deposition[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 106(1-3): 94-98.

[5] Jee K K, Jang W Y, Baik S H, et al. Damping mechanism and application of Fe-Mn based alloys[J]. Materials Science and Engineering, 1999, 273-275(12): 538-542.

[6] 关绍康, 路学成, 王利国. Fe-Mn系阻尼减振材料的研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2001, 30(Suppl): 164-167.

GUAN Shao-kang, LU Xue-cheng, WANG li-guo. Study on damping manerials of Fe-Mn based alloys[J]. Rare Metal Materials and Enginering, 2001, 30(Suppl): 164-167.

[7] 黄伯云, 黎文献, 陈志国. 我国几种常用有色金属材料的现状与发展[A]. 有色金属材料咨询研究组.中国有色金属材料发展现状与迈入21世纪对策第一次学术研讨会论文集[C]. 西安, 1997.114-144.

HUANG Bai-yun, LI Wen-xian, CHEN Zhi-guo. The status and development of some nonferrous in common use netal meterial in China[A].The Advisory and Study Group of Nonferrous Metal Meterials . Proceedings of Seminar on Recent Development of Chinese Nonferrous Metal Materials and Their Development Countermeasure in the 21st Century—The 1rd Academic Conference[C]. Xi'an, 1997.114-144.

[8] 方前锋, 朱震刚, 葛庭燧. 高阻尼材料的阻尼机理及性能评价[J]. 物理, 2000, 29(9): 541-544.

FANG Qian-Feng , ZHU Zhen-Cang, GE Ting-Sui.Characterization and mechanism of high damping materials[J]. Physics, 2000, 29(9): 541-544.

[9] Hiroshi E. Development of vibration dampirg materials[J]. Jour Japanese Socity of Echnical Mngineering, 1993, 96(893): 63-66 .

[10] 王碧文. 铜及其合金研究方向及对策[A]. 有色金属材料咨询研究组.中国有色金属材料发展现状与迈入21世纪对策第二次学术研讨会论文集[C]. 西安: 1998. 77-85 .

WANG Bi-wen. The reseach direction and countermeasure of Cu and its alloys[A]. Proceedings of Seminar on Recent Development of Chinese Nonferrous Metal Materials and Their Development Countermeasure in the 21-st Century—The 2rd Academic Conference[C]. Xi'an, 1998. 77-85.

[11] 王丽萍, 郭二军, 葛青文. Zn、 Al对Mn-Cu减振合金减振性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 1998, 8(1): 78-84.

WANG Li-ping , GUO Er-jun , GE Qing-wen. Influences of Zn and Al content of Mn-Cu damping casting alloy on damping property[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1998, 8(1): 78-84.

[12] Kennon N F, Dunne D P, Middleton L A. Metallographic method for manganese-copper alloys[J]. Metallography, 1981, 14(4): 329-334.

[13] McDonald L, Perkins J. The “Quiet” alloys[J]. Machine Design, 1978, 50(3): 202-206.