固溶處理對Fe-Cr-Mo阻尼合金內耗影響的研究

姜大連，劉　穎，呂金喜，趙修臣，林文露，李　紅

(1.江蘇振華泵業制造有限公司，江蘇 泰州，225500；2.北京理工大學 材料學院，北京100081)

?

固溶處理對Fe-Cr-Mo阻尼合金內耗影響的研究

姜大連1，劉穎2，呂金喜1，趙修臣2，林文露1，李紅2

(1.江蘇振華泵業制造有限公司，江蘇 泰州，225500；2.北京理工大學 材料學院，北京100081)

摘要：研究了固溶處理溫度對新型鐵磁型Fe-Cr-Mo阻尼合金內耗的影響。結果表明，經加熱Fe-Cr-Mo合金到900～1 200 ℃保溫1 h，并隨爐冷固溶處理后，合金內耗隨應變幅值的增大呈現先增加后減小的規律，且在900～1 100 ℃固溶處理溫度范圍內，內耗對應變幅值的敏感性隨固溶溫度升高而增大。經1 100 ℃固溶處理的合金，因其晶粒較大，第二相顆粒較少，殘余內應力較小，并形成了有利于提升內耗的大尺寸、寬疇壁的片狀磁疇，故而具有最高的內耗峰值。

關鍵詞：阻尼合金；內耗；固溶處理

單一鐵素體相的新型鐵磁型Fe-Cr-Mo阻尼合金具有成本低、耐蝕性能好、阻尼性能受頻率影響小及使用溫度較高等優點，具有廣泛的應用前景[1-3]。Fe-Cr-Mo阻尼合金對機械能的衰減是通過合金基體中磁疇壁的不可逆移動耗能而實現的，其阻尼性能高低可用內耗(Q-1)的大小表示，而內耗的大小取決于合金中磁疇的結構以及磁疇壁不可逆移動的阻力。本文主要研究了固溶處理溫度對Fe-Cr-Mo阻尼合金晶粒大小、基體中第二相數量、殘余內應力和磁疇結構的影響，以及對合金內耗的影響。

1試驗用合金及試驗方法

試驗所用Fe-Cr-Mo阻尼合金由真空感應爐熔煉，并經鍛造后空冷。其合金的成分見表1。

表1　Fe-Cr-Mo阻尼合金的成分(質量分數)　(%)

將Fe-Cr-Mo合金加工成10 mm×10 mm×1.0 mm的片狀試樣，在真空管式爐中分別將試樣加熱至900、1 000 、1 100和1 200 ℃，保溫1 h后隨爐冷以進行固溶處理。利用磁力顯微鏡觀察合金中的磁疇結構，利用動態熱機械儀測試試樣的內耗。

2試驗結果

2.1固溶溫度對晶粒大小和基體中第二相數量的影響

圖1給出了Fe-Cr-Mo合金分別在900、1 000 、1 100和1 200 ℃固溶處理后的晶粒大小。由圖1可知，在900～1 100 ℃內，合金的晶粒隨固溶溫度升高明顯長大，而當固溶溫度從1 100 ℃升至1 200 ℃時，晶粒長大不明顯。

圖1　Fe-Cr-Mo合金經不同溫度固溶處理后的顯微組織

圖2給出了用掃描電鏡所觀察的Fe-Cr-Mo合金經不同溫度固溶處理后顯微組織中的第二相。由圖2可知，在不同溫度固溶處理的合金顯微組織中，沿晶界均存在析出的第二相。當固溶溫度為900 ℃時，合金晶粒內存在較多的顆粒狀第二相。隨著固溶溫度升高，晶內的第二相顆粒逐漸減少，當固溶溫度為1 100和1 200 ℃時，晶內的第二相已很少。由第二相能譜分析結果(見圖3和表2)可以看出，第二相應為Cr的碳化物。

圖2　　　Fe-Cr-Mo合金經不同溫度固溶處理后　　　顯微組織中的第二相

圖3　固溶處理后合金中第二相能譜分析

(%)

2.2固溶溫度對Fe-Cr-Mo合金中殘余應力的影響

鐵磁型阻尼合金的內耗與殘余內應力有密切關系，而殘余應力大小與其加工工藝密切相關[4]，因此，對經固溶處理后合金中的殘余應力進行了測試。每個試樣測試3個點(見圖4)，取3次測試結果的平均值作為試樣的內應力。

圖4　固溶處理后合金試樣殘余應力測試點

表3給出了不同固溶處理溫度下合金中的殘余應力。由表3可知，所測殘余應力均為壓應力，且隨著固溶溫度的升高，合金中殘余壓應力會下降。

表3　經不同固溶處理溫度后合金中殘余應力

2.3固溶溫度對Fe-Cr-Mo合金磁疇結構的影響

圖5給出了由磁力顯微鏡測得的Fe-Cr-Mo合金分別經900、1 000、1 100和1 200 ℃固溶處理后的磁疇結構。圖5中亮區和暗區分別表示磁矩反向的磁疇，而明暗漸進區大小則表示磁疇壁厚度。由圖5可知，鍛態合金和經900和1 200 ℃固溶處理的合金呈現為樹枝狀疇，且磁疇邊緣的明暗對比度較大，明暗漸進區域范圍較窄，說明合金的磁疇壁厚度較小。當固溶溫度為1 100 ℃時，合金中出現了尺寸較大的片形疇，且磁疇明暗漸進區域范圍較寬，表明磁疇壁較厚。

圖5　Fe-Cr-Mo合金經不同溫度固溶處理后的磁疇結構

2.4固溶溫度對Fe-Cr-Mo合金內耗的影響

圖6給出了Fe-Cr-Mo合金原始態和分別經過900、1 000、1 100和1 200 ℃保溫1 h后，爐冷固溶處理的內耗(Q-1)隨周期應變幅值增大的變化曲線。由圖6可知，在900～1 200 ℃內，經固溶處理的阻尼合金內耗呈現如下特點：1)各固溶溫度處理的阻尼合金內耗在試驗的應變幅值變化范圍內都高于原始態合金，且內耗隨應變幅值增大都呈現出先增大后減小的規律；2)隨著固溶溫度升高，內耗對應變幅值變化的敏感性先增強后減弱，即在900～1 100 ℃內，隨固溶溫度升高，內耗隨應變幅值變化出現的峰值逐漸增高，超過1 100 ℃之后，內耗隨應變幅值變化出現的峰值又降低。在各試樣中，原始態合金的內耗峰值最小，只有0.011；當固溶溫度為1 100 ℃時，內耗峰值最大(>0.13)。

圖6　固溶溫度對Fe-Cr-Mo合金阻尼性能的影響

3試驗結果分析

各固溶溫度處理的合金內耗隨應變幅值增大呈現先增大后減小的規律，原因是內耗大小與應變導致的產生不可逆移動的磁疇數量以及磁疇壁移動的程度有關。當應變幅值較小時，隨著應變幅值增加，產生不可逆移動的磁疇數量逐漸增多，磁疇壁的位移也逐漸增大，因此，合金表現為內耗增大；當應變幅值達到某臨界值時，產生不可逆移動的磁疇數量達到最多，疇壁的位移也最大，即產生不可逆移動的磁疇數量和磁疇壁位移幅度達到飽和，磁疇壁不可逆移動所消耗的能量達到極值；當應變幅值超過臨界值時，隨著應變幅值繼續增加，合金承受的應變能繼續增大，而內耗作為產生不可逆移動磁疇壁消耗的能量與供疇壁移動總能量之比表現為內耗隨應變幅值增大而減小。

根據相關理論[5]，鐵磁性材料的內耗是一系列微觀機制共同作用的結果，其中晶界、析出相、殘余應力和溶質原子影響最大。

晶界對磁疇壁的移動具有阻礙作用。晶粒越大，晶界總面積越少，對磁疇壁移動的阻礙作用越小。第二相對磁疇壁有釘扎作用，因此將阻礙磁疇壁的移動。殘余應力主要是通過改變磁彈性能和磁疇壁能而影響內耗。根據鐵磁學原理，磁彈性能可表示為：

(1)

式中，Eσ為磁彈性能；λs為飽和磁致伸縮系數；σi為內應力；θ為磁化矢量與應力間夾角。從式1可知，當λs和θ一定時，Eσ主要受σi控制。較大的殘余應力會導致磁彈性能較大，在材料中形成能壘，磁疇壁受能壘制約只能停留在能量相對較低的區域，難以移動，故而能夠降低內耗。

此外，殘余應力與磁疇壁厚度有以下關系：

(2)

式中，δ為磁疇壁的厚度；σi為材料中的殘余應力；A為交換積分常數；K1為磁晶各向異性常數。根據式2，殘余應力越大，則磁疇壁厚度越小，而磁疇壁厚度與磁疇壁能有如下關系[6-7]：

(3)

式中，γw為磁疇壁能；E為彈性模量；δw為磁疇壁厚度。由式3可知，磁疇壁厚度越大，則磁疇壁能越高，磁疇壁移動時消耗的能量越多，內耗就越大。

由上述討論可知，殘余應力較小時，一方面使磁彈性能較小，從而減小對磁疇壁移動的阻礙；另一方面使磁疇壁能增大，進而升高合金的內耗。

在900～1 100 ℃內對Fe-Cr-Mo合金進行固溶處理，隨著固溶溫度升高，合金中的晶粒尺寸逐漸增大，第二相顆粒數量逐漸減少，故而有利于提升合金的內耗。此外，在900和1 000 ℃進行固溶處理時，由于殘余內應力較大，合金中磁疇呈現出磁疇尺寸和磁疇壁厚度都較小的樹枝狀疇，從而使得磁疇移動阻力較大，且移動時耗能較少。而在1 100 ℃進行固溶處理時，殘余內應力較小，合金中呈現出磁疇尺寸較大且磁疇壁較厚的片形疇，其有利于磁疇壁的移動，且移動時耗能較高。由于上述原因，使得Fe-Cr-Mo合金的內耗隨著固溶溫度的升高而增大，并在1 100 ℃固溶處理時，幾乎在整個應變幅值變化范圍內達到最大。

對于1 200 ℃固溶處理時，合金內耗較的顯著下降，分析認為較高的固溶溫度導致過多的第二相分解，使溶入基體中的固溶原子數量增大，較多的固溶原子不但對疇壁有強烈的釘扎作用，且導致樹枝狀磁疇的出現，從而使經1 200 ℃固溶處理后的合金內耗顯著降低。

4結語

綜上所述，可以得出下述結論。

1)Fe-Cr-Mo合金經加熱至900～1 200 ℃保溫1 h，并隨爐冷固溶處理后，合金內耗隨應變幅值的增大呈現先增加后減小的規律，且在900～1 100 ℃固溶處理溫度范圍內，內耗對應變幅值的敏感性隨固溶溫度升高而增大。

2)經1 100 ℃固溶處理的Fe-Cr-Mo合金，因其晶粒較大，第二相顆粒較少，殘余內應力較小，并形成了有利于提升內耗的大尺寸、寬疇壁的片狀磁疇，故具有最高的內耗峰值。

參考文獻

[1] 王敬豐,魏文文,潘復生,等.金屬阻尼材料研究的新進展及發展方向[J].材料導報，2009,23(7):15-19.

[2] 胡小鋒,劉樹偉,李秀艷,等.應力對FeCrMoCu合金阻尼性能的影響[J].材料研究學，2013,27(3):225-230.

[3] 許志剛,孫仙奇,唐鵬，等.合金元素對Fe-Al-Cu合金的組織與性能的影響[J].材料研究學，2005,20(6): 16-20.

[4] 佘晶,張愛華.回轉體金屬板料漸進成形制件殘余應力研究[J].新技術新工藝，2013(1):40-44.

[5] Pulino-sagradi D,Sagradi M, Karimi A, et al. Martin. Damping capacity of Fe-Cr-X high-damping alloys and its dependence on magnetic domain[J]. Scripta Materialia,1998,39(2):131-138.

[6] 王衛國.Fe-Cr-Al-Si合金阻尼性能及阻尼機制的研究[D].成都: 中國核動力研究設計院, 1998.

[7] Cullity B D. Introduction to magnetic materials [M]. CA, Menlo Park: Addison-Wesley, 1972.

責任編輯馬彤

Research of the Effect of Solution Treatment on Internal Friction of Fe-Cr-Mo Damping Alloy

JIANG Dalian1， LIUYing2， LYU Jinxi1， ZHAO Xiuchen2， LIN Wenlu1， LI Hong2

(1.Jiangsu Zhenhua Pump Manufacturing Co., Ltd.， Taizhou 225500, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract：The effect of solution treatment on internal friction of novel Fe-Cr-Mo damping alloy is studied, and the results show that in the solution treatment temperature range of 900 to 1 200 ℃, the internal friction of the damping alloy increases, and then decreases with strain increasing. Meanwhile, the sensitivity of internal friction increases with the temperature increasing in the solution treatment temperature range of 900 to 1 100 ℃. The damping alloy, with lager crystalline grain, low second phase and small residual stress, is obtained resulting from the solution treatment temperature of 1 100 ℃, and the damping alloy exhibited high internal friction values, due to the formation of flake-like magnetic domains with large size and wide domain wall, which are beneficial for improving the internal friction.

Key words:damping alloy， internal friction， solution treatment

收稿日期：2015-06-15

作者簡介：姜大連(1976-)，男，工程師，主要從事船用水泵研制與開發等方面的研究。

中圖分類號：TG 135.7

文獻標志碼:A