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

Высокая демпфирующая способность марганцевомед­ ных сплавов обусловлена тетрагоналыностью решетки (фоновое демпфирование) и наличием легкоподвижных упругих двойников (аімплитуднозависимое демпфирова­ ние), образующейся в результате термической обработки. Переход кубической модификации исходного у-твердого раствора в тетрагональную происходит при закалке (сплавы 'С 80—95% Мп) или іпосле закалки и последую­ щего старения (сплавы о 60—80% Мп) по мартенситному механизму.

Существенным недостатком сплавов этого типа явля­ ется уменьшение демпфирующей способности при повы­ шении температур до области обратного мартенситного превращения. Можно, однако, предполагать, что при разработке высокодемпфирующих сплавов на марганцевомедной основе путем легирования удастся сущест­ венно повысить критическую температуру обратного пе­

рехода.

Ввиду большого запаса в нашей стране марганцевых руд и развития мощной марганцевой металлургии мар­ ганцевомедные сплавы являются весьма перспективными материалами для широкого внедрения в промышлен­ ность.

Сплавы с термоупругим мартенситом

К этим материалам относится большая группа спла­ вов систем Си—А1—Ni, Си—Zn—Sn, Си—Zn—Si, In— Tl, Ni—Ti и др. Общим для них является обратимое пе­ ремещение когерентных границ мартенситной и исход­ ной материнской фаз при циклическом нагружении в области температур сосуществования обеих фаз [56— 59].

Наибольший интерес для промышленности ів настоя­ щее время представляют, на наш взгляд, сплавы систем Си—Al—Ni. и Ni—Ті.

Алюминиевые бронзы с термоупругим мартенситом содержат 10—13% А1 и 2—4% Ni. Наряду с высокой демпфирующей способностью сплавы характеризуются хорошим комплексом механических свойств. Так, оплавы с 10— 13% А1 и 3,34% Ni непосредственно после закалки с 950°С в воду имели ав~440 Мн/м2 (45 кГ/мм2); о0,2~ «*245 Мн/м2(25 кГ/мм2); б= 4ч-5% при относительном

затухании в области повышенных амплитуд около 50%• После старения при 300° С, 1 ч предел прочности повы­ сился до 780—830 МнІм2(80—85 кГ/мм2), а предел теку­ чести—до 685—735 Мн/м2(70—75 кГ/мм2) при относи­ тельно небольшом уменьшении демпфирующей способ­ ности (ф =30—35%).

Рентгеноструктурный анализ и металлографические исследования высокодѳмпфирующих алюминиевых бронз

матричной фаз и упругого дзойникования в кристаллах мартенситной фазы. Благодаря этому в алюминиевых бронзах температурная область высокого демпфирова­ ния ограничивается температурой М„ — температурой начала мартенситного превращения при охлаждении. При температурах ниже Мк демпфирующая способность не уменьшается.

Высокодемпфирующие двойные сплавы Ni—Ті (ниП тиноли)) содержат 46,6—50% Ті, остальное никель.

Подобно марганцевомедным сплавам нитиноли ха­ рактеризуются высоким демпфированием как при ма­ лых (ф> = 5— 10%), так и при значительных амплитудах (ф=20—30%). Область высокого демпфирования нитинолей находится ,в интервале температур от 10—30° С до (—100) — (— 150)° С.

Наряду с высокой демпфирующей способностью ни­ тиноли характеризуются большой коррозионной стой­ костью, особенно в морской воде, повышенной проч­ ностью, удовлетворительной твердостью и значительной пластичностью. Например, сплав с 46,5% Ті после за­

83000 Мнім2.(8300 кГ/мм2) .

Сплавы с резко выраженной гетерогенной структурой

К этой группе сплавов относятся чугуны, свинцовис­ тые бронзы и сплавы AI—Zn. Эти сплавы характеризу­ ются гетерогенной структурой, состоящей из относитель­ но прочной матрицы и мягких пластичных включений избыточной фазы. При циклическом нагружении основ­ ная часть структуры (матрица) испытывает только уіп-

ругую деформацию, включения же деформируются плас­ тически. Последнее и вызывает в этих сплавах 'высокое рассеяние энергии.

Чугуны относятся к наиболее распространенным и старым конструкционным материалам высокого демп­ фирования. Демпфирующая способность чугуна, сравни­ тельно с другими сплавами .высокого демпфирования относительно невелика. Относительное демпфирование при малых амплитудах не превышает 1—2%, а при зна­ чительных— лежит в пределах 2—7%, причем большим демпфированием будут обладать чугуны с пластинчатым

жанием свинца наблюдается практически линейная зави­ симость, во всяком случае вплоть до 20% содержания последнего. При этом можно считать, что каждый про­ цент свинца увеличивает демпфирующую способность примерно на 1%.

Алюминиевоцинковые сплавы содержат 15—20% Zn. Они характеризуются относительно большим демпфиро­ ванием, высокой пластичностью и малой прочностью. Пэка нашли ограниченное .применение для изготовления ненагруженных оконных рам, а также в качестве демп­ фирующего .прокладочного материала вместо более де­ фицитного цинка.

3. ВЛИЯНИЕ НА ЭФФЕКТ ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛИ И КОНСТРУКЦИИ

Эффективность гашения колебаний в деталях машин и конструкциях за счет демпфирующей способности ма­ териала будет в значительной мере зависеть от распре­ деления в них напряжений и условий эксплуатации |4; 5; 13; 14; 55; 60, с. 194—200].

Закономерность изменения демпфирующей способ­ ности от амплитуды напряжений, характерная для выб­

где R — наружный радиус стержня;

т — напряжение в сечении с радиусом г;

Откуда функция объемных напряжений будет иметь вид .

График, приведенный на рис. 4, весьма ясно показы­ вает относительную роль демпфирующей способности при

чатой формы, работающий на кру­ чение [13]

низких и высоких напряжениях для различных деталей машин. При построении этого графика величину макси­ мального напряжения принимали равной 280 Мн/м2 (28 кГ/мм2) . Область малых напряжений назначалась в диапазоне до 70 Мн/м2 (7 кГ/мм2), область больших на­ пряжений— от 210 Мн/м2 (21 кГ/мм2) до 280 Мн/м2 (28 кГ/мм2) .

Из графика следует, что например, для турбинной ло­ патки высокая демпфирующая способность при боль­ ших напряжениях не играет существенной роли, так как лишь 0,5% общего объема лопатки находится в области больших напряжений, а 75% объема — в области малых напряжений. Основную роль для лопаток турбин игра­ ет демпфирующая способность при малых и средних на­ пряжениях.

формация в таком теле является однозначной функцией напряжения и совпадает с ним по фазе. Отсутствие упру­ гих несовершенств в идеальном твердом теле определяет, кроме того и нулевое внутреннее трение или демпфиро­ вание.

В реальных твердых телах связь между силой, дей­ ствующей «а тело, и деформацией — неоднозначна, по­ следняя всегда в той или иной степени отстает по фазе от напряжения.

Функциональная связь между напряжением и дефор­ мацией в реальных твердых телах выражается диффе­ ренциальными уравнениями различного порядка. Твер­ дое тело, в котором соотношение между напряжением и деформацией линейно относительно напряжения дефор­ мации, и их первых производных, носит название стан­ дартного линейного твердого тела

где Те '— постоянная, равна времени релаксации напря­ жения при условии постоянства деформации; ха— постоянная, равная времени релаксации дефор­ мации при условии постоянства напряжения;

Мц — константа, соответствующая релаксированному модулю упругости, равному конечному значе­ нию отношения напряжения к деформации, достигаемому после окончания процессов ре­ лаксации.

Эксперименты показали, что реальные твердые тела при малых амплитудах напряжения, соответствующих относительной деформации ІО-8—10~6, обычно ведут себя как стандартное линейное тело. При увеличении ампли­ туд взаимосвязь между напряжением и деформацией становится более сложной и твердое тело оказывается не­ линейным.

Отклонение поведения реальных твердых тел (как стандартных линейных, так и нелинейных) при прило­ жении к ним нагрузки от закона Гука является следст­ вием проявления различных упругих несовершенств, ко­ торые обычно и являются причиной демпфирования.

Характеристики демпфирования измеряют чаще всего на нестандартной аппаратуре и по оригинальной мето­ дике.

Рассмотрим основные характеристики демпфирующей способности твердых тел, методы их определения и вза­ имосвязь.

Характеристики демпфирующей способности

Для количественной оценки демпфирующей способно­ сти металлов используют различные размерные, а так­ же безразмерные параметры: абсолютное затухание, относительное затухание, тангенс угла отставания по фа­ зе деформации от приложенного напряжения (или тан­ генс угла потерь), логарифмический декремент колеба­ ний, добротность.

Абсолютное затухание б представляет собой энергию, поглощаемую в необратимой форме единицей объема материала за один цикл нагружения при заданной ам­ плитуде напряжения. Величина б имеет размерность

.напряжения. Абсолютное затухание зависит от ампли­ туды напряжений в стандартном линейном, а также в не­ линейном твердых телах. Ввиду сравнительно большой трудности определения, абсолютное затухание как мера внутреннего трения используется редко.

Относительное затухание ф является отношением аб­ солютного затухания Ф к потенциальной энергии едини­ цы объема материала накопленной образцам в момент достижения максимального напряжения в начале данно­ го цикла:

Это отношение называется также коэффициентом рассеяния, удельной демпфирующей способностью, удельным рассеянием. Величина ф безразмерна. Отно­ сительное затухание, как и все последующие безразмер­ ные характеристики демпфирования, не зависит от ам­ плитуды напряжений для стандартного линейного твер­ дого тела и зависит — для нелинейного твердого тела.

іПри определении относительного рассеяния энергии обычно вычисляют его усредненное значение по прибли­ женным формулам, например,

Часто для подсчета (относительного затухания поль­ зуются эмпирической формулой Нортона [63] :

AofAn эта разница резко возрастает. Ввиду этого форму­ ла Нортона может быть использована только при уровне относительного затухания в пределах до 10%.

Для расчета относительного затухания с большим уровнем затухания нами рекомендуется следующая эм­

Значения относительного затухания, рассчитанные по предлагаемой формуле более близки к каноническим, чем полученные по формуле Нортона, причем с уменьше­ нием п точность расчетов повышается. Формула значи­ тельно упрощается при п — 2. В этом случае

не имеют четкого физического смысла, соответствующе­ го основной формуле (31).