鐵基阻尼合金的研究現狀及發展趨勢

王樹森，趙剛，劉璇，李大航，周洪慶，高若涵（.海軍駐鞍鋼軍事代表室，遼寧鞍山4009；.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山4009）

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鐵基阻尼合金的研究現狀及發展趨勢

王樹森1，趙剛2，劉璇2，李大航2，周洪慶2，高若涵2
（1.海軍駐鞍鋼軍事代表室，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：鐵基阻尼合金具有良好的阻尼性能、力學性能和加工性能，在船舶減振降噪中可發揮重要作用。對鐵磁類、層錯類、復相類鐵基阻尼合金的阻尼性能和力學性能進行了介紹，分析了3類鐵基阻尼合金的阻尼機理，并對鐵基阻尼合金的發展趨勢，尤其在艦船方向的應用進行了展望。

關鍵詞：鐵基阻尼合金；阻尼機理；發展趨勢

王樹森，碩士，工程師，2010年畢業于海軍工程大學艦船材料專業。E-mail：446757808@qq.com

船舶噪音是影響船舶舒適性的重要因素。在船舶上通常采用多種手段進行減振降噪，如消聲瓦、減振降噪橡膠、浮筏減振等多種方法，但是，由于木材、橡膠、塑料和高分子材料的強度和韌性不足，不能作為船舶的主體材料，其減振頻率和使用溫度受限，材料易于老化。而Mg-Al、Mn-Cu、Ni-Ti等阻尼合金具有較好的阻尼效果，但存在結構強度低、焊接性差、對溫度敏感和加工性不足等問題。相比于前兩類阻尼材料，鐵基阻尼合金具有阻尼溫度范圍寬、阻尼性能好、力學性能良好、焊接加工性能好等多方面的優勢，因此具有廣闊的發展前景和應用范圍。本文主要闡述鐵基阻尼合金的研究現狀和阻尼機理，并對鐵基阻尼合金的發展趨勢進行了展望。

1　鐵基阻尼合金研究現狀

鐵基阻尼合金主要分為鐵磁類阻尼合金、層錯類阻尼合金和復相類阻尼合金。

1.1鐵磁類阻尼合金

鐵磁類阻尼合金主要依靠磁疇壁的不可逆移動產生磁致伸縮，將振動能轉化為熱能，如Fe-Cr系阻尼合金。由于鋼中的第二相會阻礙磁疇壁的移動，在冶煉軋制中通過奧氏體化形成單一的晶粒，避免晶界、夾雜物、析出相影響磁疇壁移動，減小晶界的面積，增大晶粒尺寸。磁致伸縮除與鐵基阻尼合金的內部組織和相有關外，還與鋼的矯頑力、彈性模量變量有關，矯頑力阻礙磁致伸縮的進行，而彈性模量變量則與磁致伸縮的大小成正比。日本的Hakaru Masumoto等人對Fe-Cr阻尼合金的阻尼性能展開研究，研究不同含量的Cr對合金阻尼性能的影響。當Cr含量為15％時，經高溫退火后得到最佳阻尼性能，阻尼值的另一個波峰出現在Cr含量為20％時，此時阻尼合金為淬火態，日本在Fe-12Cr鋼的基礎上研制成功了Silentalloy系列Fe-Cr-Al和Fe-Cr-Mo鐵基阻尼合金［1-2］。美國海軍研究院研發了Vacrosil-010阻尼合金，該阻尼合金具有優越的減振降噪特性，制造的艦艇齒輪箱基座可使噪聲降低10dB［3］。瑞士的Ch.Azcoitia等人研究了Fe-Cr-Mo和Fe-Cr-Al阻尼合金的阻尼性能，優化了Mo、Al的添加量及熱處理工藝。Ch.Azcoitia認為Fe-Cr系合金中加入一定量的Mo，能顯著提高鋼的阻尼性能，以2％～3％為最佳加入量，當加入量超過4％時，阻尼性能開始下降。這是由于Mo能提高磁疇壁移動能力，而磁疇壁的移動能力直接影響到鋼的阻尼性能的優劣［4-5］。

1.2層錯類阻尼合金

層錯類阻尼合金主要通過層錯滑移的彈性形變將振動能轉化為內能，層錯類阻尼合金應用較為廣泛的是Fe-Mn阻尼合金。Fe-Mn阻尼合金的阻尼值低于Fe-Cr阻尼合金，但強度較高。如韓國的Seung-Han Baik對Fe-Mn阻尼合金進行了研究，當Mn含量為17％時，阻尼性能最好，δ可達0.15，并且此時阻尼合金具有良好的力學性能，抗拉強度可達700 MPa以上，伸長率也達到38％，進行噪聲測試，相比鑄鐵降低噪聲達5dB，具有明顯的降噪效果［6-7］。日本的Takahiro Sawaguchi等人在此基礎上研究了Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.5Nb阻尼合金的阻尼性能。通過形成的NbC顆粒促進馬氏體轉變，形成納米級片狀馬氏體。其阻尼值受頻率影響較大，在頻率較低時（0.1Hz），阻尼性能較好，隨溫度變化在-30℃和220℃出現阻尼波峰，但是頻率較高時（1Hz，10Hz），阻尼值較低，并且隨溫度變化不大［8］。四川大學于學勇等人對Fe-17.5Mn、Fe-14Mn-5Ni、Fe-14Mn-0.2C阻尼合金熱處理工藝進行了優化，對比不同的熱處理工藝，即爐冷、空冷、水冷對阻尼性能的影響，發現空冷后得到最佳的阻尼性能。并研究了熱處理后進一步冷處理的作用，其阻尼值隨冷處理溫度的變化出現波峰，在-196℃冷處理時阻尼性能最好。其中Fe-14Mn-5Ni經800℃固溶，綜合性能最好，對數衰減率δ高達0.115，抗拉強度達到650MPa，伸長率達到19％［9-10］。

1.3復相類阻尼合金

復相類阻尼合金一般存在著在2相或2相以上的組織，在循環應力的作用下，強度較高的基體相會發生彈性變形，強度較低的第二相發生塑性變形使振動能耗散。復相型阻尼合金的阻尼性能既與母相基體有關，又與第二相的形態存在密切的聯系。如灰鑄鐵和其它復相類阻尼合金。灰鑄鐵由于在內部組織中存在石墨，通過石墨減振作用吸收能量，阻尼性能隨應變幅的增大而提高，灰鑄鐵具有鑄造簡單、價格低廉和易于生產等特點，通常采用提高碳當量的方法獲得高阻尼值。但是，由于鑄鐵及復相類阻尼合金強度不足，并且相比其他鐵基阻尼合金，阻尼性能偏低，僅為Fe-Cr系鐵基阻尼合金的1/3，甚至于更低。因此在鐵基阻尼合金研究方面，發展較為緩慢。

2　鐵基阻尼合金的阻尼機理

2.1鐵磁類鐵基阻尼合金機理

在鐵磁類鐵基阻尼合金中，原子通過相互作用產生磁矩，相同方向上的磁距排列起來形成磁疇。在周期應力的作用下，鐵基阻尼合金中的磁疇邊界會發生移動，使應力應變曲線上產生應變滯后于應力的現象，在循環外力作用下，產生內耗，形成阻尼效果［11］。鐵磁類鐵基阻尼合金的阻尼性能取決于磁疇邊界數量和磁疇邊界移動能力2個主要因素。該類鐵基阻尼合金主要包括Fe-Cr系、Fe-Al系鐵基阻尼合金等。鐵磁類鐵基阻尼合金的性能隨應變幅的增大而迅速提高并在某一處達到極大值，然后呈下降趨勢［12］。

2.2層錯類鐵基阻尼合金機理

Fe-Mn鐵基阻尼合金的阻尼機理源于阻尼源界面的運動，主要包括四種界面：①ε/ε馬氏體界面。②ε馬氏體中的層錯界面。③γ奧氏體中的層錯界面。④γ/ε界面［12］。由于ε馬氏體是密排六方結構，具有層錯能低的特點，當振動方向與六邊形方向垂直時，在應力的作用下位錯線會克服雜質原子或空位的釘扎而進行運動，當外加應力很小時，弱釘扎點間的位錯線沿應力方向變形，為彈性形變，當外加應力到達一個臨界值時，變形的位錯線擺脫釘扎，位錯應變增加而應力保持不變，發生層錯移動，當應力減小時，位錯線重新回到原始位置被釘扎，在此過程中將振動能轉化為內能，產生阻尼效果。

2.3復相類鐵基阻尼合金的阻尼機理

復相類鐵基阻尼合金一般存在著在2相或2相以上的組織，在循環應力的作用下，強度較高的基體相會發生彈性變形，較軟的第二相發生塑性變形使振動能耗散。復相類鐵基阻尼合金的阻尼性能既與基體有關，又與第二相的形態存在密切的聯系。灰口鑄鐵就是具有這種阻尼機理的典型合金。灰鑄鐵在振動應力作用下，石墨片尖端周圍的基體中，由于應力集中產生微塑性變形，消耗部分振動能，起著減小振動的阻尼作用。同時，由于基體的微塑性變形，使石墨片兩側附近的基體發生相對運動，帶動石墨片內部層間粘滯性流動，使得數量不多的石墨片可以消耗較多的振動能而起到阻尼作用［13］。鑄鐵的阻尼作用是由基體微塑性變形和石墨片內部層間粘滯性流動引起的阻尼作用組成，這兩部分阻尼作用是互相聯系的。此外，其他復相鐵基阻尼合金也具有復相阻尼機理。

3　鐵基阻尼合金展望

由于在海洋上使用的特殊需求，鐵基阻尼合金不僅需要具備良好的阻尼性能，而且需要具備良好的力學性能和耐海水腐蝕能力，滿足艦船的強度要求，適應海洋環境的影響。同時，由于船舶建造技術的發展進步，鐵基阻尼合金需要具備良好的焊接和冷加工性能工藝，以滿足船舶建造設計要求。

3.1具備良好的阻尼效果和力學性能

隨著現代冶金技術的發展，通過采取精煉技術降低鐵基阻尼合金中的雜質含量，應用先進的軋制技術，適量添加合金元素，鐵基阻尼合金的阻尼性能將得到大幅提高，同時鐵基阻尼合金也將具備更好的力學性能，能進一步滿足船舶建造的需求。

3.2具備較好的耐海水、大氣腐蝕的性能

船舶的工作環境是海洋，海水是一種復雜的多種鹽類的平衡溶液，具有較高的腐蝕性。鐵基阻尼合金多用于設備基座、艙底等位置，這些部分濕度和鹽度較高，處于干濕交替部分，易于腐蝕，同時設備檢修更換難度大，因此鐵基阻尼合金需要具備良好的耐蝕性，才能在船舶建造領域得到更好的應用。

3.3具備較好的焊接和加工性能

船舶是一個大型的焊接和加工結構件，焊接和加工是船舶建造必不可少的工藝。焊接過程是金屬重新熔化、重新凝固的過程，它與通過精煉、軋制、熱處理等的母材是完全不同的，通常焊縫獲得的都是較粗大的組織結構，而母材是具有良好綜合性能的調質組織，二者有較大差異。所以鐵基阻尼合金必須具有良好的焊接和加工性能才能更好的在船舶建造中發揮重要作用。

4　結語

減振降噪是當前船舶的發展趨勢，鐵基阻尼合金可以在不改變船舶原有設計的基礎上，顯著降低船舶的振動和噪聲，提高船舶的舒適度。未來，隨著現代精煉技術的發展和鐵基阻尼合金的開發研究，鐵基阻尼合金的阻尼性能和綜合性能將得到更好的提升，將在船舶減振降噪中發揮更為重要的作用。

參考文獻

［1］畢殿清.鐵基阻尼合金的阻尼特性與磁性［J］.鋼鐵研究學報.1994（6）：3-5.

［2］周正存，嚴勇鍵，楊洪.鐵磁合金阻尼機理研究［J］.蘇州市職業大學學報.2009.20（1）：1-4.

［3］岡本篤樹.防音防振鋼板制造法：日本，特昭53-6222［P］.1976-07-07.

［4］高村昌華.高減振性合金：日本，特昭52-15415［P］.1975-07-29.

［5］John Francis O'Toole Jr.An investigation of the damping properties of Vacrosil-010［D］.America，1980.

［6］Karimi A，Azcoitia Ch.Relationships between magnetomechanicaldamping andmagnetic properties of Fe-Cr（Al，Mo）alloys［J］.Journalof Magnetismand MagneticMaterials，2000（215）：601-603.

［7］Azcotia Ch，Karimi A.Magnetomechanical damping in Fe-Cr alloysand effect of Al and Mo addition［J］.Alloys And Compounds，2003（310）：160-164.

［8］Baik Seung -han，Kima Jung -chul，Young -kook.Fe -Mn Martensiticalloys for control of noise and vibration in engineering applications［J］.Material Science & Engineering，2006 （438）：1101-1106.

［9］Baik Seung -Han，Hwasung -Gun.High damping Fe -Mn martensiticalloys for engineering applications［J］.Nuclear Engineering andDesign，2000（198）：241-252.

［10］Takahiro Sawaguchi，Takehiko Kikuchi .Internal friction of anFe-28Mn-6Si-5Cr-0.5NbC shape memory alloy［J］.Materials Scienceand Engineering，2006（438）：796-799.

［11］于學勇，李寧.熱處理工藝對Fe-14.04Mn-0.22C阻尼合金組織和性能的影響［J］.機械工程材料，2004，28（11）：7-9.

［12］于學勇，李寧，胥用剛.固溶處理溫度對Fe-14Mn-0.22C減振合金阻尼性能的影響［J］.四川大學學報（工程科學版），2003，35.

［13］林仁榮.Fe-Cr-Al基合金的阻尼性能［D］.沈陽：中國科學院金屬研究所，2005.

（編輯袁曉青）

修回日期：2016-03-24

Research Status and Development Trend of Fe-based Damping Alloys

Wang Shusen1，Zhao Gang2，Liu Xuan2，Li Dahang2，Zhou Hongqing2，Gao Ruohan2
（1.Military Representative Office of PLA Navy in Angang，Anshan 114009，Liaoning，China；2.Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

Abstract:The Fe-based damping alloys have favorable damping capacity，mechanical property and processability，so they can play an important role in vibration and noise reduction for shipbuilding.The damping capacity and mechanical property of such Fe-based damping alloys as ferromagnetic type alloy，stacking fault type alloy and complex phase type alloy were introduced and then the damping mechanism of these three types of Fe-based damping alloys were analyzed.The development trend of Fe-based damping alloys was prospected，especially the application trend of the alloys onto the shipbuilding.

Key words:Fe-based damping alloys；damping mechanism；development trend

中圖分類號：TG535

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）03-0011-04