金屬橡膠力學特性的熱處理工藝影響

劉寶龍 馬艷紅 張大義 洪 杰

(北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京100191)

金屬橡膠是一種具有較強環境適用性的金屬類功能性結構阻尼材料，由于具有類似橡膠阻尼材料的宏觀力學性質，又是全金屬制品而得名.與普通金屬相比具有高彈性、高阻尼、低密度、孔隙度可控等優點并且易于根據結構設計的需要制成特定的形狀;同時又具備普通橡膠阻尼材料所不具備的耐高低溫特性.

金屬橡膠完全由金屬絲材制備而成，其制備工藝包含金屬螺旋絲的卷制、編織以及模壓成型等多道工序.在這些工藝過程中，金屬橡膠內部的金屬絲螺旋卷存在著彈塑性變形和殘余應力，從而對金屬橡膠的宏觀力學性能(如金屬橡膠構件的剛度、阻尼特性)產生影響.隨著金屬橡膠應用范圍的拓寬，尤其在不同溫度條件下的推廣應用，這一影響日益受到研究者的關注［1－4］.

金屬橡膠的宏觀力學性能由其內部的金屬絲螺旋卷組織結構決定:其剛度由金屬絲螺旋卷自身的壓縮變形以及金屬絲螺旋卷間的相互擠壓產生;阻尼由相互接觸的金屬絲螺旋卷間的干摩擦耗能產生［5－6］.金屬絲螺旋卷作為金屬橡膠微元體結構歷經的工藝過程與彈簧具有相似性，借鑒彈簧的去應力退火工藝［7］對冷態模壓后的金屬橡膠進行熱處理，有利于消除模壓成型后的殘余應力，穩定金屬橡膠的組織和尺寸，并使其在高溫條件下獲得穩定的剛度和阻尼性能.

本文以GH4169絲材制備的金屬橡膠為對象，通過試驗對比研究了熱處理工藝對金屬橡膠在不同安裝約束條件、不同工作溫度時的剛度、阻尼特性的影響規律，為應用于高溫環境的金屬橡膠構件設計提供依據.

1 金屬橡膠靜態遲滯特性

金屬橡膠構件受載時，內部金屬絲螺旋卷之間產生相對滑動，接觸表面具有很大的摩擦力.加載過程中，載荷P由螺旋卷的彈性力和摩擦力平衡，相當于減小了載荷的作用，摩擦力阻礙變形的增加，即增大了金屬橡膠剛度.卸載過程中，摩擦力阻滯了螺旋卷的彈性變形的恢復，相當于減小了恢復作用力，使得金屬橡膠的剛度減小.

如圖1所示，金屬橡膠構件在一個加載和卸載循環中的遲滯特性曲線為OMNO，如果不考慮摩擦力的作用，加載曲線與卸載曲線將重合為OC.從遲滯特性曲線可以看出，面積OMNO部分即為加載和卸載循環中由摩擦力轉化為熱能所消耗的功.

圖1 金屬橡膠阻尼材料的遲滯回線

圖1中P1和P2分別為遲滯回線的加載曲線和卸載曲線;F為摩擦力;L為回線的中線;A為變形幅值;P為載荷;X為位移.

由遲滯回線可知:構件的平均剛度:

構件的損耗因子:

式中，ΔW為遲滯回線包圍面積，表示單個加載-卸載循環內耗散的能量;U為回線中線與橫軸圍成的面積，表示變形過程中最大彈性勢能.

2 金屬橡膠準靜態試驗

為了對比研究去應力退火工藝對金屬橡膠在常溫和高溫環境下工作時的剛度和阻尼性能，本文對熱處理前后的金屬橡膠進行20～500℃溫度范圍內的準靜態試驗，此外在試驗中分別考慮金屬橡膠自由狀態和預緊安裝兩種初始安裝條件的影響.

準靜態試驗在配裝有保溫箱的電子蠕變試驗機上進行，如圖2所示，加載速率為0.5 mm/min.保溫箱的溫度通過溫控儀進行設置，實際溫度通過熱電偶測得.

圖2 金屬橡膠準靜態試驗系統

金屬橡膠試驗件工藝參數如表1所示，其中d，D，H分別為絲徑、螺旋徑和金屬橡膠初始高度，ρ－為相對密度(即金屬橡膠和金屬絲材密度之比)，“Y”表示該試件經過熱處理，“N”則表示未經過熱處理.熱處理工藝為去應力退火，具體為:高溫爐內將試驗件在1/6 h內由室溫20℃加熱到600℃，保持600℃恒溫1h后空冷.試驗件成型面截面尺寸均為20 mm×20 mm，高度如表1中所列.

表1 金屬橡膠試驗件工藝參數表

3 自由狀態下的力學性能

自由狀態是指金屬橡膠試件在加載及非加載方向均無初始預壓縮，從而保證試件在加載方向的壓縮變形以及與其正交的橫向變形均無約束.選用表1中1#和2#試驗件進行自由狀態下的力學性能試驗，考核分別處于常溫和高溫工作環境中時，熱處理工藝對自由狀態下金屬橡膠力學性能的影響規律.

3.1 常溫環境力學性能

常溫環境下的力學性能試驗在室溫為20℃條件下進行.如圖3所示為1#，2#試驗件常溫環境下的剛度曲線，可見經過去應力退火處理的1#試驗件，由于冷態成型工藝后金屬絲材內部的殘余應力在熱處理中消除，進入屈服階段的金屬絲螺旋卷恢復到彈性階段，因而其剛度明顯大于未經退火處理的2#試驗件.此外熱處理后1#試驗件剛度“硬特性”(即剛度隨變形量增加而增大)也比2#試驗件更顯著，從而導致1#，2#試驗件的剛度比K1/K2隨變形量增大而增大，如圖4所示.由圖4可見變形為0.18 mm 時的 K1/K2約為1.6，當變形增大到1.8 mm時，K1/K2則增加到約2.6.

圖3 1#，2#試驗件常溫剛度曲線(自由狀態)

圖4 1#，2#試驗件剛度比(自由狀態)

與之相反的是，熱處理對于金屬絲螺旋卷的干摩擦耗能影響很小，因此金屬橡膠試驗件的阻尼性能在熱處理前后變化不大.以變形量為2 mm下的試驗結果為例，1#，2#試驗件的損耗因子分別為0.221和0.227，變化幅度僅3%，考慮到試驗誤差可以認為去應力退火對金屬橡膠常溫、自由狀態下的損耗因子幾乎沒有影響.

3.2 高溫環境力學性能

未經去應力退火處理的金屬橡膠試驗件在高溫環境、自由狀態下工作時，由于發生宏觀幾何尺寸的變化，導致其相對密度改變，因而不具備穩定的剛度和阻尼性能.因此高溫環境下的力學性能試驗選用表1中1#試驗件進行，從室溫20℃開始以100℃為間隔一直加熱到500℃，對比其在不同溫度下的剛度、阻尼性能.

如圖5所示為1#試驗件不同溫度下的剛度曲線，可見經過去應力退火的1#金屬橡膠試驗件在變形量小于1 mm(即應變量小于5%)范圍內具有穩定的剛度性能，工作溫度對其影響很小可以忽略不計;在變形大于1 mm范圍內，剛度隨工作溫度的升高而增大，說明工作溫度對金屬橡膠剛度的硬特性的影響較為明顯.

圖5 1#試驗件不同溫度下剛度曲線(自由狀態)

圖6 1#試驗件不同工作溫度下損耗因子(自由狀態)

1#試驗件在不同工作溫度下的損耗因子如圖6所示，可見損耗因子隨溫度升高略有減小，其中500℃時的損耗因子比室溫時減小約7%;考慮到試驗誤差的影響，可以認為經過去應力退火處理的金屬橡膠的阻尼性能幾乎不隨工作溫度的變化而變化，意味著其在高溫環境下工作時具有穩定的阻尼性能.

4 預壓縮狀態下的力學性能

金屬橡膠在實際安裝中往往具有一定的初始預壓縮量以保證其在工作中具有穩定的剛度.為了研究熱處理工藝對安裝狀態下金屬橡膠力學性能的影響，選用3#和4#試驗件在初始預壓縮1mm條件下進行準靜態試驗.

4.1 常溫環境力學性能

3#和4#試驗件在常溫下的剛度曲線如圖7所示，可見在預壓縮狀態下4#試驗件在準靜態試驗的變形范圍內具有穩定的剛度，而經過去應力退火處理的3#試驗件則表現出明顯的剛度硬特性，從而導致3#，4#試驗件的剛度比K3/K4隨變形量增大而增大，變形為 0.18 mm時的 K3/K4約為2.3，當變形增大到1.8mm 時，K3/K4則增加到約4.5.對比自由狀態下的試驗結果可見，二者具有類似的規律.

圖7 3#，4#試驗件常溫剛度曲線(預壓縮狀態)

去應力退火工藝對阻尼性能的影響很小.以變形量為2 mm下的試驗結果為例，3#、4#試驗件的損耗因子分別為0.213和0.227，考慮到試驗誤差可以認為去應力退火對金屬橡膠常溫、預壓縮狀態下的損耗因子沒有影響.

4.2 高溫環境力學性能

3#和4#試驗件在初始預壓縮1mm條件下，間隔100℃進行準靜態試驗得到的剛度曲線分別如圖8、圖9所示.由圖8可見，對于經過去應力退火的3#試驗件，在金屬絲螺旋卷熱膨脹受約束導致的內應力作用下，金屬橡膠的剛度隨著溫度升高而增大;并且隨著溫度升高，金屬橡膠試件在較大變形時的剛度硬特性增強，硬特性段增加.

對比未經去應力退火處理的4#試驗件可見，其在不高于200℃的溫度范圍內，剛度幾乎不隨溫度的升高而變化;當溫度大于300℃后，剛度隨溫度升高而迅速增大，同時硬特性段增加.

由圖10所示對應于2mm靜態變形幅值時3#和4#金屬橡膠試驗件的損耗因子隨溫度變化曲線可見，經過去應力退火處理的3#試驗件在高溫環境下具備更穩定的阻尼性能，損耗因子基本保持在約0.21以上，變化幅度不超過10%;而未經去應力退火處理的4#試驗件在溫度高于300℃時的阻尼性能略有衰減，損耗因子從20℃時的0.21減小到500℃的0.19，但是變化幅度也不足10%.

圖8 3#試驗件不同溫度下剛度曲線(預壓縮狀態)

圖9 4#試驗件不同溫度下剛度曲線(預壓縮狀態)

圖10 3#，4#試驗件不同溫度下損耗因子(預壓縮狀態)

5 結論

本文通過對比試驗研究了去應力退火對GH4169絲材制備的金屬橡膠在不同約束條件下的力學特性的影響規律，研究結果表明:①去應力退火對金屬橡膠構件的剛度影響明顯，而對阻尼幾乎沒有影響;②經過退火處理的金屬橡膠構件，其剛度在自由狀態下隨溫度的變化規律受變形影響:小變形時幾乎不隨溫度改變，大變形(應變大于5%)時隨溫度升高而增大;在預壓縮狀態時，由于熱膨脹內應力的作用，金屬橡膠剛度隨著溫度的升高而增大;損耗因子在自由狀態和預壓縮狀態均保持穩定，在20～500℃溫度范圍內的變化率不超過10%;③未經熱處理的金屬橡膠構件在工作溫度高于200℃時，由于退火效應的出現，剛度明顯增大并伴隨阻尼性能衰減，如果處于自由狀態則將同時發生成型方向高度的小幅增長.因此，應用于高溫環境的金屬橡膠阻尼構件為了獲得穩定的力學性能，有必要進行合理的熱處理.

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