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图▲

图1 Cu-11Al-8Mn的金相组织 Fig.1 Metallograph of Cu-11Al-8Mn alloy

图2 Cu-10.5Al-6Mn的金相组织 Fig.2 Metallograph of Cu-10.5Al-6Mn alloy

图3 Cu-11Al-8Mn合金随载荷变化的自由衰减曲线 Fig.3 Free-decaying oscillations of Cu-11Al-8Mn alloy under different input stress amplitude (a)—4.05 MPa; (b)—9.10 MPa; (c)—20.25 MPa; (d)—40.51 MPa

图4 Cu-10.5Al-6Mn合金随载荷变化的自由衰减曲线 Fig.4 Free-decaying oscillations of Cu-10.5Al-6Mn alloy under different input stress amplitude (a)—4.05 MPa; (b)—9.10 MPa; (c)—20.25 MPa; (d)—40.51 MPa

图5 Cu-10.5Al-6Mn和Cu-11Al-8Mn 合金阻尼性能与应力振幅的关系曲线 Fig.5 Stress-amplitude dependence of daming property of Cu-10.5Al-6Mn and Cu-11Al-8Mn alloys

表▲

表1 合金成分, 相变点及阻尼性能 Table 1 Composition, phase transformation temperature and damping capacity ofalloys studied(Stress amplitude: 4.05 MPa)

中国有色金属学报

中国有色金属学报 2004,(02),194-198 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.02.008

CuAlMn形状记忆合金的高阻尼特性

郑成琪程晓农

江苏大学材料科学与工程学院,江苏大学材料科学与工程学院镇江212013 ,镇江212013

摘要：

用悬臂梁弯曲共振法研究了新型CuAlMn系形状记忆合金在马氏体态和母相态的阻尼特性。研究结果表明:室温马氏体态Cu 10.5%Al 6%Mn(质量分数)和室温母相态Cu 11%Al 8%Mn形状记忆合金在表面应变振幅为4.05MPa时,都具有很高的阻尼性能,内耗Q-1接近0.1;两种形态的CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能都随应力振幅增加而下降,且母相态合金阻尼性能下降速度更快。

关键词：

高阻尼金属;形状记忆合金;阻尼性能;CuAlMn合金;

中图分类号： TG139.6

作者简介：郑成琪(1971),男,讲师,博士研究生.;

收稿日期：2003-04-28

High-damping capacity of CuAlMn shape memory alloys

Abstract：

The damping properties of CuAlMn shape-memory alloys both in martensite and parent phase were investigated using cantilever resonant-bar technique. It is found that Cu-10.5%Al-6%Mn and Cu-11%Al-8%Mn(mass fraction) shape memory alloys exhibit high damping capacity both in martensite and parent phase, with internal friction (Q^-1) approximately as high as 10^-1 when the applied stress amplitude is 4.05 MPa. The damping capacity decreases with increasing surface stress amplitude in either martensite or parent phase, while it decreases faster in alloy with parent phase.

Keyword：

high-damping metals; shape memory alloys; damping capacity; CuAlMn alloys;

Received： 2003-04-28

阻尼金属由于其优良的力学性能和较高的减振能力, 且抗振频率宽, 可以直接作为结构材料使用, 因而成为减振降噪的首选材料之一。开发功能结构一体化的高阻尼金属, 在保证较好力学性能的基础上提高其阻尼性能, 可使其具有更为广泛的工程应用前景 ^[1,2] 。

形状记忆合金具有3大功能特性: 形状记忆效应、伪弹性和高阻尼特性, 前两者已经得到较深研究, 而高阻尼特性的研究则相对滞后 ^[3,4,5] 。欧盟委员会资助的 “Manside Project”是世界上开发形状记忆合金高阻尼特性的最大专项研究 ^[6] , 主要承担该项目的比利时、意大利和德国近年来开始研究NiTi, CuZnAl和CuAlBe的阻尼特性 ^[6,7,8] 。因而形状记忆合金高阻尼特性的研究和开发也越来越受到重视 ^[9,10] 。

新型CuAlMn系形状记忆合金 ^[11,12] , 由于其良好的热稳定性和优良的力学性能, 近年来正受到越来越多研究者的关注, 成为铜基形状记忆合金的又一研究热点, 然而对其阻尼性能的研究迄今还没有报道。本文作者开发了CuAlMn系形状记忆合金的高阻尼应用, 研究了室温组织和应变振幅对阻尼性能的影响, 以进一步探究形状记忆合金的阻尼机理。

1 实验

1.1 试样制备

用中频感应电炉Al₂O₃坩埚在氩气保护下熔炼了3组不同成分的合金, 合金名义成分见表1。金属型热模浇注, 铸锭尺寸d 40 mm×230 mm, 切割浇冒口后车削去除表面氧化皮, 线切割取样, DSC试样尺寸为2 mm×2 mm×2 mm, 阻尼试样尺寸为170 mm×10 mm×1 mm。试样热处理工艺为: 850 ℃固溶处理3 min, 室温水淬, 180 ℃时效20 min后空冷。金相试样腐蚀剂为: 10 g FeCl₃+25 mL HCl+100 mL H₂O。相变点测试采用NETZSCH DSC204差热分析仪, 变温速率10 ℃/min。

1.2 阻尼性能测试

用自由衰减法测量试样的阻尼性能。测试设备采用悬臂梁共振装置 ^[13,14] , 加载方式为自由端砝码定量加载, 试验中分别测试了0.098, 0.176, 0.490和0.980 N 4种不同载荷下的阻尼性能。阻尼性能用对数衰减率δ可表示为

$δ = \frac{1}{n} \ln (a_{0} / a_{n}) (1)$

式中 a₀是初始振幅; a_n是n个周期后的振幅; n是a₀和a_n之间的周期数。

表征材料阻尼最常用的参数是Q^-1(内耗)和C_SD(Specific damping capacity), 当阻尼较小时(Q^-1?1时) ^[2] , δ与Q^-1和C_SD的关系为

$Q^{- 1} = \frac{δ}{π} = \frac{C_{S D}}{2 π} (2)$

对于高阻尼金属(Hidamets), 一般定义其Q^-1≥10^-2, 其精确表达式为

$Q^{- 1} = \frac{δ}{π} (1 - \frac{δ}{2 π} + \dots) (3)$

当Q^-1=10^-2时, 式(2)的误差约0.5%, 当Q^-1=10^-1时, 式(2)的误差约为5%。实验中阻尼性能参数之间的换算按式(2)进行。

2 结果及讨论

2.1室温组织与阻尼性能的关系

表1给出了根据CuAlMn系形状记忆合金和普通Cu-12Al二元合金的一阶振型计算的阻尼性能测试结果, Cu-12Al二元合金的阻尼能力仅为Q^-1=1.07×10^-2, 而CuAlMn系形状记忆合金(Cu-10.5Al-6Mn和Cu-11Al-8Mn)的阻尼能力比Cu-12Al合金几乎高出一个数量级, 达到Q^-1≈10^-1, 试验结果证实了CuAlMn系形状记忆合金的高阻尼特性。

通常认为: 形状记忆合金在马氏体态具有高阻尼特性, 而母相态合金的阻尼能力很差。但本试验发现: 单一母相和单一马氏体态都有可能获得高阻尼性能。 Cu-11Al-8Mn合金具有单一母相组织, 其金相组织如图1所示, 其阻尼能力高达Q^-1=9.97×10^-2, 甚至超过单一马氏体态的Cu-10.5Al-6Mn合金, 其金相组织如图2所示。对于这一试验结果可以认为, 形状记忆合金的耗能机制主要包括3个方面: 界面切变滑移、马氏体变体和孪晶再取向以及应力诱发马氏体相变。单一马氏体态Cu-10.5Al-6Mn的耗能机制是界面切变滑移, 马氏体变体和挛晶再取向; 单一母相态Cu-11Al-8Mn合金的耗能机制很可能是应力诱发马氏体相变。母相态具有高阻尼的条件是外加应力振幅大于诱发马氏体相变的临界应力。

图1 Cu-11Al-8Mn的金相组织 Fig.1 Metallograph of Cu-11Al-8Mn alloy

表1 合金成分, 相变点及阻尼性能 Table 1 Composition, phase transformation temperature and damping capacity ofalloys studied(Stress amplitude: 4.05 MPa)

Specimen	w(Cu)/%	w(Al)/%	w(Mn)/%	M_s/℃	δ/%	Q^-1/10^-2	Specific damping capacity/%
Cu-12Al	88.0	12.0	0		3.36	1.07	6.72
Cu-10.5Al-6Mn	83.5	10.5	6.0	107.0	30.72	9.78	61.44
Cu-11Al-8Mn	81.0	11.0	8.0	-33.2	31.32	9.97	62.64

图2 Cu-10.5Al-6Mn的金相组织 Fig.2 Metallograph of Cu-10.5Al-6Mn alloy

2.2应力振幅对室温阻尼性能的影响

通过改变砝码质量, 测试了4种不同表面应力下材料的阻尼性能, 图3, 4所示分别是Cu-11Al-8Mn和Cu-10.5Al-6Mn合金在不同表面应力振幅下的自由衰减曲线。悬臂梁试样固定端的最大表面应力可以按式(4)计算:

$σ = \frac{F L h}{2 Ι_{x}} (4)$

式中 F是悬挂砝码而产生的力; L是悬臂梁长度; h是悬臂梁厚度; I_x是惯性矩。

一般认为孪晶型阻尼合金的阻尼能力随应力振幅增加而增加, 而本实验中对CuAlMn系形状记忆合金的试验结果却正好相反。在测试范围内(试样最大表面应力为4.05~40.51 MPa), CuAlMn系形状记忆合金的阻尼性能随应力振幅增加而下降, 且母相态阻尼性能随应力振幅增加而下降的速度较快。由图3, 4可见: 随着表面应力振幅增加, Cu-11Al-8Mn和Cu-10.5Al-6Mn试样的振幅衰减速度都变慢, 阻尼性能下降。图5所示是Cu-11Al-8Mn合金和Cu-10.5Al-6Mn合金的阻尼性能(Q^-1)随应力振幅变化的对比曲线。从图5可以看到: 当应力振幅很小时, Cu-11Al-8Mn和Cu-10.5Al-6Mn合金的阻尼性能相当; 但是当应力振幅较大时, Cu-11Al-8Mn合金的阻尼性能远小于Cu-10.5Al-6Mn

图3 Cu-11Al-8Mn合金随载荷变化的自由衰减曲线 Fig.3 Free-decaying oscillations of Cu-11Al-8Mn alloy under different input stress amplitude (a)—4.05 MPa; (b)—9.10 MPa; (c)—20.25 MPa; (d)—40.51 MPa

图4 Cu-10.5Al-6Mn合金随载荷变化的自由衰减曲线 Fig.4 Free-decaying oscillations of Cu-10.5Al-6Mn alloy under different input stress amplitude (a)—4.05 MPa; (b)—9.10 MPa; (c)—20.25 MPa; (d)—40.51 MPa

图5 Cu-10.5Al-6Mn和Cu-11Al-8Mn 合金阻尼性能与应力振幅的关系曲线 Fig.5 Stress-amplitude dependence of daming property of Cu-10.5Al-6Mn and Cu-11Al-8Mn alloys

合金的。

阻尼性能随应力振幅增加而下降的原因可以用能量的观点来初步解释, 比阻尼能力可表示为: C_SD=ΔW/W(ΔW是振动一个周期衰减的能量, W是振动一周总能量), 随着应力振幅增加, 虽然界面切变滑移行程增加或应力诱发马氏体数量增多, 一个振动周期内的耗能ΔW会有所增加, 但是振动一周的总能量W也在增加, 阻尼能力C_SD的变化要看二者综合作用的结果。对于单一马氏体态的Cu-10.5Al-6Mn合金, 主要耗能机制是: 热弹性马氏体孪晶界面在交变外力作用下发生切变滑移, 产生非弹性应变而使应力松驰, 从而将外加机械能耗散; 当应力振幅增大时, 界面切变滑移的难度也会随之增加, 与振动总能量W相比, 耗能ΔW的增速较慢, 所以阻尼性能随应力振幅增加而下降。对于单一母相态的Cu-11Al-8Mn合金的主要耗能机制是应力诱发马氏体相变, 随着应力振幅增加, 虽然应力诱发马氏体数量和尺寸有所增加, 但是应力诱发马氏体相变的阻力会急剧增大, 随应力增加诱发生成的新马氏体数量逐步减少, 应力诱发马氏体相变耗能机制受阻, 从而使阻尼性能下降比单一马氏体态的Cu-10.5Al-6Mn合金更为显著。