Марганцевомедные сплавы высокого демпфирования

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

1 Сплавы высокого демпфирования……………………………………………….4

2 Марганцевомедные сплавы высокого демпфирования………………………...6

3 Физико-механические свойства марганцевомедных сплавов………………….9

4 Стабильность высокой демпфирующей способности…………………………11

Заключение…………………………………………………………………………13

Список  использованной литературы……………………………………………...15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Усиливающаяся тенденция к увеличению скоростей  современных машин и механизмов приводит к неизбежному росту вредных вибраций и шумов, повышению опасности разрушения деталей при прохождении колебаний системы через резонанс вследствие обычной и акустической усталости, понижению надежности работы механизмов и ухудшению условий труда. 
Борьба с вибрациями и шумами является в настоящее время одной из актуальных проблем, важной практически для всех отраслей народного хозяйства и в первую очередь, для машиностроения, приборостроения и судостроения. 
Эффективным, а в ряде случаев и единственно приемлемым способам уменьшения вредных вибраций и шумов, препятствия их распространению и снижения резонансных пиковых напряжений, является использование для деталей машин и конструкций, работающих в динамическом режиме, сплавов с большим внутренним трением, так называемых сплавов высокого демпфирования.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сплавы  высокого демпфирования

Принято различать демпфирование ((внутреннее трение), обусловленное релаксационными  процессами, независимое от уровня амплитуд колебаний и характеризуемое  зависимостью с экстремумом от температуры и частоты колебаний; и демпфирование, вызванное нерелаксационными процессами, независимое от частоты колебаний в достаточно широком для практики диапазоне последних и зависимое от величин амплитуд колебаний. Обычно в сплавах при повышенных амплитудах одновременно проявляются оба вида внутреннего трения, но с различной интенсивностью; так как в сплавах высокого демпфирования основную роль играет нерелаксационное демпфирование, в дальнейшем будем рассматривать только его. 
Нерелаксационное демпфирование отличается от релаксационного или от амплитуднонезависимого демпфирования как (по своему (механизму, так и по техническому значению при решении инженерных задач. Релаксационное внутреннее трение в последнее время стало тонким инструментом в руках исследователей, занятых изучением структурных превращений в металлах и сплавах в результате различных внешних воздействий. Нерелаксационное внутреннее трение, обусловливающее демпфирующие свойства металлов, величину демпфирования или степень рассеяния энергии, сообщенной телу извне в результате приложения знакопеременной нагрузки, является сейчас важным самостоятельным свойством материала. 
Демпфирующую способность материалов необходимо учитывать при проектировании многих деталей узлов и механизм о, работающих в сложных вибрационных условиях, наряду с такими общепринятыми характеристиками, как пределы прочности, текучести, выносливости и т. д. При прочих равных условиях деталь из сплава, обладающего высоким демпфированием, окажется более надежной при значительной вибрационной нагрузке и ударе, чем та же деталь, изготовленная из сплава, не обладающего этим свойствам. Благодаря высокому внутреннему трению свободные колебания конструкций быстро затухают, значительно снижаются амплитуды вынужденных колебаний в резонансном режиме, резко снижаются напряжения от импульсов и ударов в конструкциях с большим числом степеней свободы и происходит выравнивание динамических напряжений в местах их концентраций. Чем больше внутреннее трение в конструкции, тем она надежнее в работе при динамических воздействиях. 
По мнению многих исследователей, амплитуднозависимое или микропластическое внутреннее трение наилучшим образом характеризует степень надежности конструкций и деталей машин, испытывающих вибрационные нагрузки. Сплавы высокого демпфирования при условии, что они обладают удовлетворительным комплексом других физико-механических характеристик следует рекомендовать для изготовления большой номенклатуры деталей, работающих в режиме циклического нагружения во многих отраслях промышленности. Преимуществами гашения колебаний с помощью сплавов высокого демпфирования являются простота (отпадает надобность в специальных, порою довольно сложных виброгасящих устройствах), практическая независимость эффекта демпфирования от частоты и, как правило, более широкая, чем у пластмасс, область рабочих температур. 
Использование сплавов для изготовления станин и других корпусных деталей значительно повышает вибростойкость и надежность работы станков или другого оборудования, снижает общий уровень шумов . 
Большое преимущество перед сложными демпферными устройствами в подвесках, амортизаторах и т. п. имеют (различного типа пружины, изготовленные из сплавов высокого демпфирования. 
Дальнейшее улучшение качества обрабатываемой поверхности и повышение скорости резания возможно «при применении резцов с державками из сплавов высокого демпфирования. 
В результате использования сплавов высокого демпфирования для изготовления колес и шестерен значительно снижаются шумы и вибрация в различных зубчатых /передачах, причем наибольший эффект отмечается в передачах Новикова. Практика эксплуатации шестерен из марганцевомедного сплава с содержанием 65—66% Мn и 1—1,5% РЬ показала также их хорошую износостойкость и удовлетворительную коррозионную стойкость . 
Исключительно большую роль сплавы высокого демпфирования играют в развитии современного турбостроения, где их применяют для изготовления лопаток. Благодаря разработанным в последнее время ставам высокого демпфирования на никелевой основе стало возможным повышение температуры пара на первых ступенях до 600—700оС и увеличение длины лопаток на последних ступенях до одного метра . 
Как показали наши эксперименты, проведенные в заводских условиях, некоторые корпусные детали генераторов, изготовленные из марганцевомедного сплава высокого демпфирования, излучают в 5—6 раз меньше энергии колебаний, чем идентичные крышки из стали Отмечено , что использование сплавов высокого демпфирования для отдельных деталей отбойных молотков снизило общий шум «а 8 дб и полностью устранило «звон» с частотой 80000 гц. Изготовление из сплавов высокого демпфирования некоторых деталей текстильных машин значительно уменьшило шум в ткацких цехах 
Демпфирующая способность имеет важное значение для материалов, применяемых для изготовления коленчатых валов двигателей внутренного сгорания. Специальные исследования установили, что в коленчатых валах при переходе через резонанс 60—65% энергии рассеивается за счет демпфирующей способности материала валов и только 35—40% за счет конструкционного демпфирования (трение в подшипниках, поршневом узле и т.д ) 

Марганцевомедные  сплавы высокого демпфирования

 Сплавы  этой системы получили широкое применение в качестве материалов, обладающих высокой демпфирующей способностью, эффектами памяти формы и элинварности в климатическом интервале температур. Практическое использование в качестве вибропоглощающих находят сплавы с содержанием марганца от 60 до 85 % (например, Г75Д25, Г70Д30, Г65Д35, Г60Д40, Г72Д23Н5 и др.), имеющие после соответствующей термической обработки структуру мартенсита с относительно устойчивой гранецентрированной тетрагональной решетко. Для деформированных двойных марганцевомедных сплавов оптимальными режимами термической обработки, обеспечивающими высокий уровень демпфирующей способности, являются: закалка с820°С, охлаждение в воде и отпуск при 400°С, 10 ч (или при 450°С, 3 ч). Для литых сплавов продолжительность отпуска в 2 -3 раза меньше . Достигаемый уровень демпфирования ψ_д= 30 —50 % при амплитуде деформации 0,75 •10^-3. Демпфирующая способность порошковых Мn —Сu сплавов значительно выше, чем у литых того же состава .

  Источниками рассеяния энергии в марганцевомедных сплавах являются процессы обратимого двойникования, обратимого смещения границ между матричной и мартенситной фазами в области температур мартенситного превращения и границ антиферромагнитных доменов в мартенсите. Поэтому при температурах выше температур интервала обратного мартенситного превращения (100— 200°С), при которых тетрагональная гранецентрированная решетка трансформируется в кубическую гранецентрированную, демпфирующая способность сплавов значительно снижается. Фазовый переход сопровождается аномальными изменениями объема образцов и их упругих характеристик .

    Воздействие циклических касательных  напряжений наиболее эффективно. При независимых колебаниях рассеяние энергии зависит от соотношений амплитуд и частот составляющих колебаний(рис 1).

Рис.1. Демпфирующая способность сплавов Mn-Cu после закалки при крутильных колебаниях с различными амплитудами. 

Авторы  работы утверждают, что во всех случаях варьирования амплитудой сопутствующего колебания или наложения Статических напряжений изменение рассеяния энергии литого сплава Мn — Сu менее значительное, чем деформированного. Более высокий уровень затухания в литых сплавах объясняют их химической неоднородностью (в сплаве Г75Д5 содержание Мn в осях дендритов составляет 85—90 %, в междендритных областях 55—60 %. В зонах, обогащенных марганцем, в процессе литья протекает мартенситное превращение. В поле знакопеременных циклических нагрузок в этих областях реализуется обратимое перемещение двойниковых границ в возникших мартенситных кристаллах, а также двойниковых границ между мартенситом и исходной матрицей.

  Воздействие легирующих элементов на демпфирующие свойства Мn —Сu сплавов зависит от их взаимодействия с основными компонентами  —растворяются ли они в 7-фазе или образуют новые фазы. В первом случае их влияние невелико, во втором —более существенно. Образование твердых и хрупких интерметаллидных включений снижает способность сплава рассеивать энергию приложенных колебаний. Свинец, находясь в свободном состоянии, способствует росту демпфирующей способности сплавов, увеличивает их износостойкость и улучшает обрабатываемость резанием (Г66ДЗЗС, Г64Д32С4, Г70Д20Н2, 5Ж2С).

 Анализ  результатов многочисленных исследований свойств и структуры Мп — Сu сплавов показывает, что они обладают большой склонностью к концентрационному расслоению твердого раствора, не подавляемому даже при закалке из гомогенной 7-области. В сплавах, содержащих более 45 % Мn, имеет место наложение двух конкурирующих процессов: обогащения марганцем областей, обедненных им в процессе охлаждения от температуры нагрева под закалку до значений ниже предела растворимости в 7-твердом растворе, и процесса расслоения матричного твердого раствора с образованием обогащенных и обедненных марганцем областей. При термической или термоциклической  обработках демпфирующих сплавов системы Мn —Сu (45—75 % Мn) должны быть оптимизированы время гомогенизации и режимы заключительной термической обработки. 

 Физико-механические свойства марганцевомедных сплавов

 При использовании марганцевомедных сплавов  в качестве конструкционного мтаериала, кроме главного их свойства-уровня демпфирующей способности, большое  значение имеют механические свойства:временное сопротивление разрыву, предел текучести, усталостная прочность, твердость, характеристики пластичности, модуль нормальной упругости.

 Абсолютные  значения этих параметров в значительной степени зависят от состава сплавов, предыстории их получения, а также термической и механической обработок.

 В закаленном состоянии  марганцевомедных сплавы с содержанием от 40 до 90% Mn, как с кубической гранецентрированной решеткой, так и претерпевшие мартенситное превращение, характеризуются относительно низкой твердостью (HV 140-150) небольшими значениями временного сопротивления (350-400 МПа) и предела текучести(180-220 МПа). Указанные свойства сравнительно слабо зависят от химического состава сплавов. Разница в свойствах сплавов, содержащих от 40 до 80% Mn ,не превышает различия в свойствах сплавов одного и того же состава, но разных плавок.

 Модуль  сдвига закаленных марганцевомедных сплавов  находится в пределах 45-60ГПа. Он выше в сплавах с кубической гранецентрированной  решеткой (после закалки) и ниже в сплавах, у которых частично произошло мартенситное превращение. В практике детали из марганцевомедных сплавов могут быть сопрягаемы со сталью, поэтому следует обращать внимание на то, что модуль нормальной упругости этих сплавов в 1,5-2 раза меньше,чем у стали.

 При отпуске марганцевомедных сплавов  вначале проходят процессы расслоения, а затем диффузионного распада  с выделением дисперсных частиц α-марганца. Оба процесса приводят к повышению  прочности и снижению пластичности.

 На  кинетику процессов отпуска большое влияние оказывают прдыстория получения о обработки сплавов, а также режим окончательной термической обработки. Однако абсолютные значения характеристик прочности и пластичности зависят от их химического состава весьма сильно. Так в сплаве с 90% Mn твердость после отпуска при 450⁰ С в течении 30ч равна HV 430, тогда как в сплаве с содержанием 60% Mn она не превышает HV 200. В то же время с повышением содержания марганца пластичность сплавов резко снижается .Так, если образцы из сплава с содержанием 75% Mn при растяжении разрушатся с образованием шейки после любой продолжительности отпуска при 450⁰ С ,то образцы из сплава с 80% Мn уже после 20-ч отпуска при той же температуре разрушатся хрупко без образования шейки.появление хрупкости в сплавах с повышенным содержанием марганца наблюдается после отпуска, продолжительность которого больше необходимой для достижения максимального демпфирования.

 Сплавы  с содержанием от 40 до 90 % Mn после термической обработки на максимум демпфирующей способности обладают приблизительно одинаковым комплексом механических свойств: σ_в =500-550 МПа, σ_т =250-300 МПа, δ=18-25%.

 Интересной  особенностью марганцевомедных сплавов  является довольно значительная зависимость  модуля нормальной упругости от режима термической обработки. Его относительное изменение при отпуске 30-40 % максимум демпфирования, второй –повышенным механическим свойствам при удовлетворительной демпфирующей способности. Последний режим отличается от первого только несколько большей продолжительностью отпуска.

 Прочностные характеристики при кратковременных  статических испытаниях на  растяжение могут быть повышены после термической  обработки в несколько раз, усталостная  же прочность меняется очень мало.

 Независимость усталостной прочности от структуры  можно предположительно объяснить превалирующим вличнием матричной фазы(γ-твердого раствора)4количество, дисперсность и распределение включений α-марганца,сильно влияющих на упрочнение сплавов, в этом случае мало сказываются. 

 Стабильность  высокой демпфирующей способности

 Высокий уровень демпфирующей способности  марганцевомедных сплавов, полученный в результате термической обработки, с течением времени даже при обычном  вылеживании при 20⁰С значительно снижается для всех уровней амплитуд колебаний. Наиболее сильное падение наблюдается при малых амплитудах,т.е. в амплитудно-независимой области.

 По-видимому ,изменение демпфирования во времени  обусловлено стабилизацией подвижных  двумерных дефектов вследствие образования  в области этих дефектов сегрегаций из примесных атомов, вероятнее всего, атомов внедрения. Это ведет к снижению амплитудонезависимого демпфирования и уменьшению общей метастабильности вследствие частичной релаксации внутренних напряжений, что определяет снижение уровня фона,т.е. понижает амплитудонезависимое демпфирование.

 Подавление  этих процессов старения ,снижающих  демпфирующую способность, возможно путем  получения сплавов , чистых по примесям , или созданием структурно устойчивой к старению при относительно небольших температурах эксплуатации марганцевомедных сплавов, вследствие значительного повышения стоимости производства при использовании особо чистых сплавов первый способ не представляется перспективным. Второй способ заключается в получении твердого раствора (мартенсита с минимальной степенью его пересыщения примесными атомами путем сегрегации в области температур выше мартенситного превращения. Это достигается медленным охлаждением от высоких температур литых сплавов, используемых без закалки, или применением возможно более низкой температуры отпуска и введением дополнительного (после закалки и отпуска) искусственного старения при температуре 150-200 ⁰С.

 Влияние внешних усилий на демпфирующие свойства марганцевомедных сплавов характеризуется  наличием экстремуму. Вначале при  возникновении относительно небольших напряжений демпфирующие свойства с их ростом увеличиваются, затем достигают максимума и при дальнейшем повышении напряжения уменьшаются. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение