книги из ГПНТБ / Фавстов Ю.К. Сплавы с высокими демпфирующими свойствами

темы в области уменьшения силы от Яг до О (участок ЕО

показал, что зависимость относительного рассеяния энергии от амплитуды имеет вид кривой с максимумом. При уменьшении амплитуды силы нагружения Р0 до бесконечно малых величин относительное рассеяние стремится к нулю. Исследование влияния параметров п

тельного рассеяния и смещает его в сторону іменьших ам­ плитуд. Несколько неожиданным оказалось влияние коэффициента трения k. Его увеличение лишь смещает максимум в сторону малых амплитуд и не влияет на ве­ личину максимума. Интенсивность роста относительного рассеяния с увеличением амплитуды в области от О до Якр при этом возрастает.

В реальных твердых телах важным аргументом функ­ ции демпфирования является количество (плотность) подвижных дефектов, обусловливающих рассеяние энер­ гии. Если за /меру подвижности в рассматриваемой мо­ дели принять коэффициент трения k, то неподвижными будут считаться дефекты с коэффициентом трения, рав­ ном 1. Пусть в твердом теле находится N потенциально подвижных дефектов, имеющих усредненный коэффици-

епт трения k. Если мы предположим, что распределение подвижных дефектов по параметру k является гауссов­ ским, то относительная доля действительно подвижных дефектов, т. е. дефектов, имеющих коэффициент трения іменьше 1, будет определиться интегралом вероятности Ф(/). При этом вполне корректно принять, что

3 а

где а — среднее квадратичное отклонение коэффициента трения от принятого его усредненного значения.

Уравнение (22) с учетом интеграла вероятности при­ мет вид

Рис. 2. Амплитудная зависимость относительного рас­ сеяния энергии для механической модели твердого тела (см. рис. 1) при параметрах n=2;q =\, ат = 0,4 и раз­

личных значениях коэффициента трения к, указанных на каждой кривой

пнтомехапический гистерезис, макровихревые и микро­ вихревые токи. Превалирующим из этих трех эффектов является магнитомеханический гистерезис. Вызванное им рассеяние энергии примерно на два порядка выше рассеяния энергии, обусловленного макро- и микрових­ ревыми токами.

Демпфирование, вызванное магнитомеханическим гистерезисом, не зависит от частоты, по крайней мере, до частот порядка 300 кгц. При более высоких частотах демпфирование снижается, причем заметное в техничес­ ком отношении снижение наблюдается только при часто­ тах порядка 7 Мгц [ 13].

’Магнитомеханический гистерезис связан функцио­ нально с магнитострикционным эффектам и перемеще­ нием границ доменов при приложении механических напряжений. Этот гистерезис особенно велик в ферро­ магнетиках с большой імагнитострикцией и высокой про­ ницаемостью в слабых полях.

С ростом амплитуды напряжений магпнтомеханическое демпфирование сначала до некоторой критической амплитуды растет примерно линейно, затем темп роста заметно снижается и, в некоторых случаях, пройдя через

механического демпфирования довольно велика. В отож­ женных сталях она достигает напряжений порядка не­ скольких кГ/мм2, а в термически упрочненных сталях и никелевокобальтовых сплавах нескольких десятков

кГ/мм2.

При приложении к ферромагнетику магнитного поля или внешней статической нагрузки уровень демпфирова­ ния может значительно измениться. Закономерность это­ го изменения зависит от величины напряженности маг­ нитного поля, напряжения при статическом нагружении,

атакже от природы и структуры самого ферромагнетика.

Внекоторых случаях с увеличением напряженности на­ лагаемого магнитного поля или величины статически приложенной нагрузки демпфирование во всем диапазо­

не амплитуд монотонно убывает, а иногда сначала рез­ ко возрастает, затем проходит через максимум и только после этого уменьшается [13; 29, с. 314—317; 37, с. 1051— 1056; 38]. Исчерпывающего объяснения такого двойст­ венного поведения ферромагнетиков пока не найдено.

Описанная закономерность влияния наложения маг­ нитного ноля или статически приложенной нагрузки па магнитоупругое демпфирование может быть качествен­ но довольно наглядно объяснена с помощью предложен­ ной нами модели твердого тела.

Наложение магнитного поля или статически прило­ женной нагрузки приводит в ферромагнетике к двум конкурирующим явлениям по отношению к демпфирую­ щей способности: во-первых, к уменьшению подвижности границ магнитных доменов (это соответствует росту коэффициента трения k в описанной модели твердого тела) и, іво-вторых, к уменьшению числа границ, способ­ ных к перемещению, так как часть ранее подвижных границ закрепляется [уменьшается абсолютная величи­ на интеграла вероятности, см. формулу (23), определяю­ щая рассеяние энергии в модели твердого тела]. Пре­

ницами доменов (т. е. при малом исходном значении k) наложение магнитного поля должно привести к повыше­ нию относительного рассеяния энергии; в магнитотвер­ дых материала« (т. е. при среднем и высоком значениях k) наложение магнитного толя должно привести к моно­ тонному уменьшению демпфирующей способности.

Демпфирование, обусловленное перемещением границ доменов, наблюдается и в некоторых антиферромагне­ тиках, например в хроме и окиси кобальта [39, 40]. Оно проявляется в резко выраженной амплитудной зависи­ мости при температурах ниже точки Нееля. Как и для ферромагнетиков, демпфирующая способность при ма­ лых амплитудах в антиферромагнетиках крайне незначи­ тельна.

В сплавах с обратимым мартенситным превращением при охлаждении, начиная от температуры Мп и до Мк происходит увеличение количества упругих кристаллов мартенситной фазы, а при последующем нагреве до тем­

шетки, которые оказывают заметное влияние на кинети-

ку процесса. Они -могут как способствовать, так и пре­ пятствовать росту новой фазы. Напряжения, созданные внешними силами, действуют аналогично внутренним. Специально поставленные эксперименты на ß-латуни и алюминиево-никелевой бронзе показали, что при нагру­ жении и разгрузке сплавов, находящихся в температур­ ном интервале мартенситного превращения, протекают процессы увеличения или уменьшения кристаллов мар­ тенситной фазы [41].

-Перемещение границ упругих кристаллов мартенсита при приложении нагрузки аналогично упругому двойникованию, хотя и отличается от последнего протеканием фазового превращения, тогда как при упругом двойникован'ии изменяется лишь ориентация областей кристаллов одной и той же фазы.

Перемещение когерентной межфазовой границы и протекающий одновременно процесс фазового превраще­ ния сопровождаются значительным рассеянием энергии, что обеспечивает сплаву высокие демпфирующие -свой­ ства.

Характерным для сплавов этого типа является су­ ществование максимума демпфирования на -кривой тем­ пературной зависимости последнего. При температурах выше Мп и ниже Мк демпфирование имеет низкое зна­ чение. Это затрудняет использование сплавов с термоуп­ ругим мартенситом в широком диапазоне температур. Однако если температурный интервал Мн—Мк доста­ точно велик, например -составляет 400° С, этот механизм высокого демпфирования может быть использован для достаточно большой -номенклатуры деталей.

Из сказанного выше следует, что для создания спла­ вов с высоким фоновым демпфированием следует до­ биваться получения устойчивой в условиях эксплуатации -мета-стабиль-ной -структуры, а при разработке сплавов с высоким демпфированием в амплитуднозависимой об­

чениями, (в которых легко развиваются процессы пласти­ ческой деформации.

2. ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ СПЛАВОВ ВЫСОКОГ О ДЕМПФИРОВАНИЯ

■Внастоящее время все применяемые в промышлен­ ности сплавы высокого демпфирования по составу и ме­ ханизму демпфирования можно соответственно разде­ лить на следующие шесть групп: 1) сплавы с магнитомеханическим демпфированием на основе железа; 2) сплавы с магнитоімеханическиім демпфированием «а основе никеля п кобальта; 3) упругодвойникующиеоя сплавы на основе магния; 4) упругодвойникующиеся маргандевоімедные сплавы; 5) сплавы с термоупругам мартенситом; 6) сплавы с резко выраженной гетероген­ ной структурой.

Сплавы с магнитомеханическим демпфированием на основе железа

I----

1 К сплавам этой группы относятся уже давно извест­ ные хромистые стали 1X13 и 2X13, а также стали 15X11МФ, 15Х12ВМФ, 1Х12В2МФ, 1Х12В4МФ [42, 43]. Демпфирующая способность этих сталей примерно на по­ рядок величины выше демпфирующей способности аусте-

( нитных нержавеющих сталей. Амплитудная зависимость “Демпфирующей способности характеризуется малым фо­ ном и средней величиной относительного рассеяния (1—

5%) при значительных амплитудах.

НЭти стали обычно применяют после закалки с 950— 1050° С в масле и отпуска на 600—750° С с охлаждением

/ Из сталей данного типа изготавливают цельнокова­ ные роторы, диски и.лопатки турбин с рабочей темпера­ турой— для наиболее легированных жаропрочных сор­ тов этих сталей (типа 1Х12В4МФ) до 550—580° С, а ме­ нее легированных (типа 1X13—2X13) до 350—400° С при

службы 10000 ч.

Сплавы с магнитомеханическим затуханием на основе никеля и кобальта

Относительно малая жаропрочность ферритных хро­ мистых сталей и их небольшая коррозионная стойкость привела к необходимости создания турбинных сплавов (высокого демпфирования на нежелезной основе.

В результате фундаментальных исследований систем Ni—Fe, Со—Fe, Ni—Со—Fe, Ni—Со была разработана гамма промышленных сплавов на основе кобальта и никеля [13, 42, 44, 45]. Одним из лучших сплавов этого типа является сплав типа НИВКО-10, содержащий око­ ло 72°/0 Со, 23% Ni и некоторое количество титана, алю- ім и н и я и других элементов, введенных для упрочнения за счет дисперсионного твердения. Как видно из рис. 3,

демпфирующая способность сплава НИВКО-10 в не­ сколько раз выше, чем ферритных хромистых сталей при

В последние годы разработан новый высокотемпе­ ратурный дисперсионно упрочняемый сплав высокого демпфирования на основе никеля с добавкой 2,5% оки­ си тория. Важной особенностью сплава является значи­ тельное повышение демпфирующей способности с ростом температуры. Так, если при комнатной температуре демпфирующая способность сплава ф= 10%, то при 200° С оно составляет 15°/0, а при 500° С—36% [46].

Упругодвойникующиеся сплавы на основе магния

Чистый магний относится к металлам с очень высо­ ким демпфированием, однако низкие механические свой­ ства магния не позволяют использовать его в такам ви­ де в качестве конструкционного материала.

Исследования сплавов на основе магния показали, что примерно такими же демпфирующими свойствами и вместе с этим в два — три раза большей прочностью об­ ладают сплавы магния с 0,4—0,6% Zr. Для магниевых сплавов характерны низкий фон и резкое повышение демпфирующей способности при увеличении амплитуды

(рис. 2).

Высокая демпфирующая способность магниевых сплавав объясняется процессами упругого двойникования по плоскости базиса гексагональной кристалличе­ ской решетки. Демпфирующая способность этпх сплавов практически не зависит от термической обработки и от­ личается большой стабильностью во времени.

■Магниевые сплавы имеют наименьшую для промыш­ ленных сплавов плотность и благодаря хорошему соче­ танию большого затухания и высокой удельной проч­ ности представляют значительный интерес для многих отраслей техники [47—49].

Механические свойства чистого магния и сплава Mg+0,6% Zr в литом состоянии приведены в табл. 2,

Упругодвойникующиеся сплавы Мп — Си

Сплавы Мп—Си привлекают к себе особое внимание исследователей и производственников благодаря уни­ кальному сочетанию высокой демпфирующей способно­ сти с хорошими прочностными характеристиками [9; 50; 51, с.19—39; 52; 53].