автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Легирование сплавов марганец-медь с целью повышения их демпфирующей способности в разных условиях эксплуатации



/

'о?

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИБИРСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

НАУМОВ Сергей Борисович

ЛЕГИРОВАНИЕ СПЛАВОВ МАРГАНЕЦ-МЕДЬ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ДЕМПФИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ В РАЗНЫХ

УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.02.01 - «Материаловедение (машиностроение)»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

ч

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Биронт B.C. доктор технических наук, '' ^ ¿//¿^ профессор Розенберг В. М.

КРАСНОЯРСК-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................................4

Глава 1. Сплавы на основе системы марганец-медь..........................................10

1.1. Демпфирование и механизмы рассеяния энергии в металлах

и сплавах......................................................................................................10

1.2. Структурные превращения и демпфирующая способность сплавов системы марганец-медь..............................................................................12

1.3. Механические и упругие свойства марганцевомедных сплавов...........22

1.4. Заключение и задачи исследования..........................................................23

Глава 2. Получение, обработка и методы исследования

сплавов марганец-медь.............................................................................25

2.1. Методы исследования демпфирующей способности (ДС) марганцевомедных сплавов..........................................................27

2.1.1. Резонансный метод.....................................................................................27

2.1.2. Метод свободных затухающих колебаний...............................................29

2.2. Методы изучения структуры сплавов марганец-медь............................31

2.2.1. Световая микроскопия................................................................................31

2.2.2. Электронная микроскопия.........................................................................31

2.2.3. Рентгеноструктурный анализ.....................................................................32

2.2.4. Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА).........................................32

2.3. Методы определения температур фазовых превращений в марганцевомедных сплавах.......................................................................33

2.3.1. Температурная зависимость демпфирующей способности...................33

2.3.2. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и магнитная восприимчивость.........................................................................................33

2.3.3. Электросопротивление...............................................................................34

2.3.4. Дилатометрический анализ........................................................................34

2.3.5. Калориметрический анализ........................................................................34

2.4. Испытания механических и упругих свойств сплавов марганец-медь. 35 Глава 3.Исследование влияния легирующих элементов на демпфирующую

способность и структуру марганцевомедных сплавов.........................37

3.1. Амплитуднонезависимое демпфирование двойных и легированных марганцевомедных сплавов.......................................................................38

3.2. Амплитуднозависимое демпфирование марганцевомедных сплавов... 67 Глава 4. Стабильность демпфирующей способности марганцевомедных

сплавов во времени эксплуатации........................................................... 96

4.1. Влияние легирования и видов обработки на стабильность

демпфирующей способности марганцевомедных сплавов во времени в области амплитуднонезависимого демпфирования................................96

4.2. Влияние легирования и видов обработки на стабильность

демпфирующей способности марганцевомедных сплавов во времени в

области амплитуднозависимого демпфирования..................................128

Глава 5.Влияние легирующих элементов на температуру фазовых

превращений и механические свойства марганцевомедных сплавов 143

5.1. Температуры фазовых превращений в марганцевомедных сплавах... 143

5.2. Механические свойства двойных и легированных

марганцевомедных сплавов.....................................................................162

Заключение..........................................................................................................168

Список использованной литературы.................................................................171

Приложения.........................................................................................................189

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Современное производство характеризуется высокими скоростями перемещений, частотами колебаний деталей механизмов и машин. При этом возникают вибрации и шумы. Вибрации и шумы понижают надежность работы оборудования и конструкций [1], ухудшают условия труда и приводят к стойким профессиональным заболеваниям обслуживающего персонала [2, 3].

В технике для снижения вибрации и шума применяют марганцевомедные сплавы с высоким внутренним трением или демпфированием. Демпфирующая способность этих сплавов на 1-2 порядка выше, чем у сталей, промышленных алюминиевых, медных и титановых сплавов, в несколько раз больше, чем у чугунов [4, 5].

Однако, применение марганцевомедных сплавов в области связи, радиотехнике, микроэлектронике и ЭВМ, точной механике, сдерживается отсутствием исследований демпфирующей способности сплавов марганец-медь при малых уровнях нагружений, в области амплитуднонезависимого демпфирования.

Существенными недостатками марганцевомедных сплавов являются нестабильность (снижение) демпфирующей способности в процессе эксплуатации или при вылеживании и узкий температурный интервал использования сплавов.

Эффективным способом, улучшающим свойства сплавов черных и цветных металлов, является легирование. Результаты работ разных исследователей о влиянии одного и того же легирующего элемента на структурные превращения, демпфирующую способность и механические свойства марганцевомедных сплавов характеризуются неоднозначностью, а иногда и противоречивостью.

Поэтому предпринятое исследование влияния легирования на кристаллическую и магнитную структуру, демпфирующую способность и механические свойства марганцевомедных сплавов представляется актуальным в научном плане и практическом отношении.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с госбюджетной НиР по теме: «Изыскание сплава на основе медь-марганец с повышенными демпфирующими характеристиками» № Гос. per. 01823039685 по плану Минцветмета СССР.

Цель работы и задачи исследований.

Целью настоящей работы являлось повышение демпфирующей способности сплавов марганец-медь в разных условиях эксплуатации за счет легирования. Для реализации поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Изучение закономерностей влияния легирования разными элементами на структуру и уровень демпфирующей способности сплавов марганец-медь в областях амплитуднонезависимого и амплитуднозависимого демпфирования.

2. Установление влияния легирующих элементов и видов обработки на стабильность демпфирующей способности марганцевомедных сплавов во времени вылеживания при 20 °С (естественном старении) и механизма стабилизации демпфирования.

3. Провести исследование влияния легирующих элементов на температуры мартенситного и магнитных фазовых превращений и механические свойства сплавов марганец-медь.

Методика исследований.

Экспериментальные исследования проведены на двойных сплавах меди с 45-85% марганца, сплавах меди с 50 и 60% марганца легированных разными элементами и их отдельными сочетаниями в концентрациях до 10%. При изучении структуры и температур фазовых превращений

марганцевомедных сплавов применяли световую и электронную микроскопию, рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы, методы электронного парамагнитного резонанса, магнитной восприимчивости, дилатометрии, электросопротивления и калориметрии.

Демпфирующую способность сплавов марганец-медь определяли методом свободных затухающих колебаний при амплитудах деформации (относительного сдвига) (2-5)-10"6 и (0,1-1,1)-10"3 при 20 °С, и области температур от 0 °С до +200 °С. Механические свойства сплавов исследовали при комнатной температуре.

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

изучено влияние легирования на амплитуднонезависимое демпфирование марганцевомедных сплавов и показано, что разные элементы не оказывают существенного влияния на демпфирующую способность двойных марганцевомедных сплавов в области амплитуднонезависимого демпфирования.

показано, что включения титана, ванадия, интерметаллидные фазы марганца с цирконием, хромом, уменьшают, а легирующие элементы германий и галлий, ускоряющие распад у-твердого раствора марганец-медь, увеличивают демпфирующую способность марганцевомедных сплавов в области амплитуднозависимого демпфирования.

установлено, что легирующие элементы титан, ванадий, цирконий, хром замедляют уменьшение и стабилизируют величину высокой демпфирующей способности марганцевомедных сплавов во времени вылеживания при 20 °С (естественном старении) в областях амплитуднонезависимого и амплитуднозависимого демпфирования и предложен механизм стабилизации демпфирующей способности сплавов марганец-медь этими элементами.

выяснено, что дополнительные виды обработки: гомогенизационный отжиг, термоциклирование, обработка холодом, искусственное старение не способствуют сохранению высокой демпфирующей способности марганцевомедных сплавов во времени естественного старения.

методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) исследованы температуры магнитных переходов двойных и легированных марганцевомедных сплавов. Установлено, что антиферромагнетизм областей обогащенных марганцем связан с мартенситным превращением сплавов меди с 45-80% марганца.

Практическая ценность.

1. Результаты исследований влияния легирования на демпфирующую способность марганцевомедных сплавов позволяют рекомендовать конкретные легирующие элементы в качестве добавок способных существенным образом повысить уровень и стабильность демпфирования сплавов на основе системы марганец-медь применяемых в настоящее время в промышленности.

2. Изучение изменений демпфирующей способности марганцевомедных сплавов во времени при разных температурах и амплитудах деформации позволило установить температурные и амплитудные границы интервалов стабильного демпфирования сплавов марганец-медь, уточнить области применения разработанных сплавов.

Реализация результатов работы.

1. Результаты и рекомендации выполненной работы используются в П\Я А-3700 г. Санкт-Петербург.

2. На основе проведенных исследований разработаны легированные марганцевомедные сплавы с высокой ( а. с. №1290724), высокой и стабильной во времени эксплуатации (а. с. №1144403) демпфирующей способностью.

3. Сплав с высокой и стабильной во времени демпфирующей способностью опробован на АО «Сибтяжмаш» г. Красноярск, передан для использования в ПО «Турбостроение» г. Санкт-Петербург и внедрен на предприятии УП -288\3 г. Красноярск.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Теоретические основы легирования сплавов системы Мп-Си, согласно которым легирующие элементы, ускоряющие распад у-твердых растворов марганец-медь, повышают уровень демпфирующей способности марганцевомедных сплавов в области амплитуднозависимого демпфирования.

2. Положение о том, что легирующие элементы, обладающие высоким химическим сродством к примесным элементам внедрения углероду и азоту, повышают стабильность демпфирующей способности марганцевомедных сплавов во времени вылеживания при 20 °С (естественном старении).

3. Новое представление о механизме демпфирования в сплавах марганец-медь, в соответствии с которым мартенситное превращение в сплавах меди с 45-80% марганца связано с магнитным упорядочением атомов марганца и легирующих элементов.

Апробация работы.

Результаты работы доложены: на IV Межобластной научно-технической конференции «Демпфирующие металлические материалы» (г. Киров, 1984г.), XIV и XV Республиканских конференциях «Рассеяние энергии при колебаниях механических систем» (г. Чернигов, 1986г., г. Киев, 1989г.), Всесоюзной научно-практической конференции «Использование и восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона» (г. Красноярск, 1992г.), Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 1994г.), научно-практической конференции КГТА «Проблемы химико-лесного комплекса» (г. Красноярск, 1995г.), научно-практической конференции КГТУ (г. Красноярск, 1998г.).

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в одиннадцати печатных работах, получено два авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений, изложена на 190 страницах, включает 59 рисунков, 5 таблиц и библиографию в количестве 183 наименований.

ГЛАВА 1. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ МАРГАНЕЦ-МЕДЬ

1.1. Демпфирование и механизмы рассеяния энергии в металлах и сплавах.

Механическая энергия колеблющегося твердого тела очень быстро превращается в тепло, даже если тело полностью изолировано от окружающей среды. Для характеристики потерь энергии при затухании колебаний распространен термин «демпфирующая способность» (ДС), то есть способность самого материала гасить механические колебания, возбуждаемые внешними силами. Существует многообразие методик и величин для оценки и определения ДС металлических материалов [6, 7].

В технике широко употребительными являются следующие относительные безразмерные характеристики демпфирования:

коэффициент поглощения или величина относительного рассеяния энергии ц/, под которым понимается отношение энергии, рассеиваемой за один цикл установившихся колебаний Д\¥, к амплитудному значению потенциальной энергии упругой системы

ЦТ > (2-1)

логарифмический декремент колебаний 8\

где Ао - начальная амплитуда колебаний,

Ап - амплитуда п-ного колебания, и величина обратная механической добротности С) - коэффициент внутреннего трения О"1:

О-'-1--Г-

При исследовании конструкционных сплавов характеристику демпфирования и методику ее определения выбирают, главным образом, в зависимости от амплитуды деформации и вида напряженного состояния образца [5, 8].

Зависимость демпфирования от амплитуды деформации, в общем случае, характеризуется тремя участками [1]:

участком незначительного роста демпфирования в области малых

о /•

амплитуд (порядка 10" - 10" ) относительной деформации, так называемого амплитуднонезависимого демпфирования (АНД);

участком приблизительно линейного роста демпфирования при увеличении амплитуды деформации - амплитуднозависимое демпфирование (АЗД); участком, малозависимым от амплитуды деформации.

Высокое АНД обусловлено различными внутренними несовершенствами (дефектами кристаллического строения), а его уровень определяется их плотностью, распределением и характером взаимодействия [9-15]. Скопления этих несовершенств создают локальные пики микронапряжений, которые, являясь сопротивлениями для проходящих в сплаве упругих волн напряжений, вызывают при взаимодействии с последними рассеяние энергии. В области малых амплитуд напряжений рассеяние энергии, практически, не зависит от величины относительной деформации и характеризуется экстремальными зависимостями от частоты и температуры.

Дефекты любого типа, искажающие кристаллическую решетку и вызывающие внутренние напряжения, увеличивают АНД. Уменьшение плотности дефектов и стабилизация субструктуры снижают уровень внутренних напряжений и соответственно АНД.

Исследования АЗД [16-22] показали, что значительное рассеяние энергии при больших амплитудах напряжений обусловлено перемещением легкоподвижных линейных и поверхностных дефектов: дислокаций,

двойников и магнитных доменов, а также вследствие микропластических деформаций более мягких фаз в сплавах с гетерогенной структурой.

К легкоподвижным двумерным дефектам, которые могут быть причиной высокого уровня демпфирования и не приводят к усталостным повреждениям сплавов, относятся границы упругих двойников и доменов, когерентные границы мартенситных кристаллов и межфазные когерентные границы при обратимых мартенситных превращениях.

1.2. Структурные превращения и демпфирующая способность сплавов системы марганец-медь.

Согласно современной диаграмме состояния медь-марганец приведенной на рис. 1.1 [23, 40], медь образует с у-марганцем неограниченный твердый раствор, имеющий гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Этот раствор стабилен при содержании марганца до 22% во всей области температур - от комнатной до температуры плавления, а при большем содержании марганца - только в области повышенных температур. Растворимость меди в ос- и Р- модификациях марганца по данным большинства исследователей [24-25] крайне незначительна. Из диаграммы состояния видно, что в марганцевомедных сплавах с содержанием марганца свыше 45% при низких температурах имеется гранецентрированная тетрагональная (ГЦТ) фаза. В тоже время, по условиям равновесия, в этих сплавах при комнатной температуре должны быть только две фазы: ГЦК и а-м�