About the influence of zirconium on the damping capacity of Mn – 40 % Cu alloy in the field of amplitude-independent damping

Full Text

Введение

Современная промышленность производит и использует механизмы и машины, характеризующиеся высокими скоростями перемещения. При этом возникают вибрации и шумы, которые понижают надёжность работы оборудования и конструкций, ухудшают условия труда [1–3]. В работе [4] рассматриваются причины возникновения вибраций в электронасосном агрегате космического аппарата и предлагается одним из способов её снижения использование материалов высокого демпфирования. На ракетно-космическом заводе ФГУП «ГКНПц им. М. В. Хруничева» в нескольких цехах отмечается превышение ПДУ по уровням шума на 12–33 дБА и вибрации на 4–8 дБА, что создаётся работой стационарного прессового, кузнечного, клепального, сверлильно-фрезерного станочного оборудования и ручными пневмодрелями, пневмоскобами, пневмошлифовальными машинками [5].

Для защиты от шумов и вибраций широкое применение находят сплавы высокого демпфирования. Сплавы высокого демпфирования на основе Mn – Cu эффективно рассеивают вибрации и шумы при малых (порядка 10^-8–10^-6 относительной деформации) и значительных (порядка 10^-4–10^-3 относительной деформации) амплитудах деформации, имеют хорошие механические свойства и удовлетворительную технологичность. Полагают, что демпфирующая способность сплавов на основе Mn – Cu при малых амплитудах деформации (области амплитудо-независимого демпфирования) обусловлена внутренними напряжениями, вызванными дефектами кристаллического строения, а при значительных амплитудах деформации движением двойников мартенситной гранецентрированной тетрагональной (ГЦТ) фазы, полученной в результате мартенситного ГЦК – ГЦТ превращения [6; 7]. Однако высокая демпфирующая способность сплавов на основе Mn – Cu, полученная оптимальной термообработкой, существенно уменьшается после естественного старения при температуре 293 К при малых и значительных амплитудах деформаций относительного сдвига [7–10].

Эффективным способом, улучшающим физико-механические свойства сплавов, является их легирование [11; 12]. В этой связи целью настоящей работы является исследование влияния 0,5–1,5 % циркония на демпфирующую способность двойного сплава Mn – 40 % Cu в литом состоянии, после литья и старения при температуре 643 К в течение 40 ч, естественного старения при 293 К в течение 7 месяцев.

Методика эксперимента

С целью выяснения влияния легирования цирконием на демпфирующую способность базового сплава Mn – 40 % Cu были взяты его концентрации от 0,5 до 1,5 %. В таблице приведён состав исследуемых сплавов на основе сплава Mn – 40 % Cu.

 

Состав сплавов на основе Mn – Cu 

Сплав	Химический состав по шихте (%, по массе)
	Mn	Cu	Zr
1	60	40	–
2	60	39,5	0,5
3	60	39,3	0,7
4	60	39,0	1,0
5	60	38,8	1,2
6	60	38,5	1,5

 

В качестве шихтового материала использовали электролитический марганец Мр0 и Мр1, катодную медь М0, цирконий в медной лигатуре Cu – 30 % Zr. Марганцевомедные сплавы выплавляли в индукционной печи под слоем криолита. Разливку расплава проводили с температур 1673–1723 К сверху в плоские чугунные изложницы, подогретые до температур 423–473 К и смазанные канифолью. Слитки массой 5 кг фрезеровали и разрезали на образцы размерами (11 × 15 × 117) ± 1 мм. Образцы подвергали старению в муфельной печи при температуре 643 К в течение 0,5–40 ч.

Демпфирующую способность (логарифмический декремент затухания колебаний) изучали при продольных колебаниях образцов на установке «Эластомат» в диапазоне частот 14–17 кГц и амплитуд относительного сдвига 1–3 · 10^-6. Относительное рассеяние ψ (затухание) определяли по формуле (1):

ψ = 2δ · 100 %                                                                                             (1)

где δ – логарифмический декремент.

Ошибка измерения указанным методом составляла 2–4 %.

На рис. 1 представлены зависимости демпфирующей способности двойного сплава Mn – 40 % Cu и сплавов на его основе, легированных 0,5–1,5 % циркония после литья в чугунные изложницы, старения при температуре 643 К в течение 0,5–40 ч и охлаждения на воздухе. Видно, что двойной сплав Mn – 40 % Cu в литом состоянии имеет больший уровень демпфирующей способности (ψ = 3,2 %), чем сплавы, содержащие цирконий (ψ = 2,2–2,7 %).

 

Рис. 1. Зависимости демпфирующей способности, ψ, литых сплавов Mn – Cu от времени старения, τ, при температуре 643 К

Fig. 1. Dependences of the damping capacity, ψ, of the cast Mn – Cu alloys on the aging time, τ, at a temperature of 643 K

 

Старение исследуемых сплавов при 643 К в течение 0,5–1,0 ч повышает их демпфирующую способность до 3–4 %. При этом наибольший уровень демпфирования  (ψ = 4 %) показывает двойной сплав Mn – 40 % Cu. После старения при 673 К в течение 2–2,5 ч в данном сплаве происходит некоторое снижение демпфирующей способности до ψ = 3–3,5 %. При этой же выдержке в легированных цирконием сплавах уровень демпфирования сохраняется таким же, каким был получен после 0,5–1,0 ч выдержки при 643 К. Последующие выдержки при 643 К до 4,5–12 ч снижают уровень демпфирующей способности в сплавах, легированных цирконием.

Дальнейшее старение при 643 К свыше 12,5 ч повышает уровень демпфирующей способности сплава Mn – 40 % Cu до ψ = 4,7 % и сплавов с 0,5, 0,8 и 1 % циркония до ψ = 3,9 %, ψ = 4,2 % и ψ = 3,8 % соответственно. Старение при 643 К в течение 40 ч вызывает снижение демпфирующей способности сплава Mn – 40 % Cu, сплавов с 0,5, 0,8 и 1,2 % циркония. В то же время старение сплавов с 1 и 1,5 % циркония при 643 К в течение 12,5–40 ч не приводит к снижению ранее достигнутого уровня демпфирующей способности (ψ = 3,7 %).

 

Рис. 2. Изменение частоты резонансных колебаний, f, литых сплавов Mn – Cu от времени старения, τ, при температуре 643 К

Fig. 2. Change of the frequency of resonant oscillations, f, of the cast Mn – Cu alloys on the aging time, τ, at a temperature of 643 K

 

На рис. 2 представлены изменения частот резонансных колебаний литых сплавов Mn – 40 % Cu, Mn – 38,5–39,5 % Cu – 0,5–1,5 % Zr. Из рис. 2 видно, что старение сплавов на основе Mn – 40 % Cu при 643 К в течение 0,5–40 ч приводит сначала к некоторому снижению резонансных частот колебаний, а затем к их повышению. При этом минимальные значения частот резонансных колебаний у всех сплавов на основе Mn – Cu наблюдаются после 16 ч старения при 643 К.

На рис. 3 представлены зависимости изменения демпфирующей способности исследуемых сплавов на основе сплава Mn – 40 % Cu при естественном старении на протяжении 7 месяцев. Рис. 3 показывает, что демпфирующая способность литых и состаренных при 643 К в течение 40 ч сплавов снижается при естественном старении на протяжении 7 месяцев в 2–2,6 раза.

     

Рис. 3. Изменение демпфирующей способности, ψ, сплавов Mn – Cu, литых и состаренных при 643 К в течение 40 ч, при естественном старении, τ

Fig. 3. Change of the damping capacity, ψ, of the Mn – Cu alloys, which were cast and aged at 643 K within 40 hours, at natural aging, τ

 

Результаты исследований

Проведённое исследование выявило, что сплавы Mn – 40 % Cu, Mn – 38,5–39,5 % Cu – 0,5–1,5 % Zr, отлитые в чугунные изложницы и затем состаренные при температуре 643 К в течение 0,5–40 ч, показывают разные величины демпфирующей способности. Больший уровень демпфирующей способности ψ = 4–4,7 % получен в литых сплавах, состаренных при температуре 643 К. Демпфирующая способность литых сплавов составила ψ = 2,2–2,7 %. Наблюдается тенденция в уровне демпфирующей способности марганцевомедных сплавов, которая, очевидно, связана с тем, что при охлаждении этих сплавов в чугунных изложницах задерживается расслоение γ-твёрдого раствора Mn – Cu на области, обогащённые и обеднённые марганцем, что в дальнейшем приводит к образованию мартенситной ГЦТ фазы, ответственной за высокое демпфирование в сплавах на основе Mn – Cu [6; 7]. Старение литых сплавов на основе сплава Mn – 40 % Cu при 643 К приводит к большей степени расслоения γ-твёрдого раствора Mn – Cu и соответственно в итоге к большему уровню демпфирующей способности.

Зависимости изменения демпфирующей способности литых сплавов Mn – 40 % Cu, Mn – 38,5–39,5 % Cu – 0,5–1,5 % Zr от времени старения при температуре 643 К (рис. 1) показывают прерывистое (не монотонное) повышение уровня демпфирующей способности. Некоторое снижение демпфирующей способности после 0,5 ч, нескольких часов старения при 643 К не связано с «перестариванием», а, видимо, является следствием неоднородности исследуемых образцов, что характерно для литого состояния сплавов на основе Mn – Cu [7].

Известно, что частота колебаний связана с модулем нормальной упругости, минимум которого в сплавах на основе Mn – Cu предшествует максимуму их демпфирующей способности [7; 8]. Зависимости изменения частоты резонансных колебаний от времени старения при 643 К исследуемых сплавов на основе сплава Mn – 40 % Cu (рис. 2) показывают минимумы, которые предшествуют максимальным уровням демпфирующей способности этих сплавов.

Зависимости изменения демпфирующей способности литых и состаренных при температуре 643 К сплавов Mn – 40 % Cu, Mn – 38,5–39,5 % Cu – 0,5–1,5 % Zr (рис. 3) показывают, что легирование цирконием не способствует существенной стабилизации уровня демпфирующей способности двойного сплава Mn – 40 % Cu.

Заключение

Проведённое исследование влияния легирования цирконием на демпфирующую способность сплава Mn – 40 % Cu показало, что 0,5–1,5 % циркония не повышает уровень демпфирующей способности данного сплава в литом состоянии, а также в литом и состаренном при температуре 643 К в течение 40 ч состоянии и не способствует существенному сохранению высокого демпфирования при естественном старении в области малых амплитуд деформаций 10^–6–10^–5 относительного сдвига – области амплитудно-независимого деформирования. Высокая демпфирующая способность литых и состаренных при 643 К в  течение 40 ч сплавов Mn – 40 % Cu, Mn – 38,5–39,5 % Cu – 0,5–1,5 % Zr после естественного старения при 293 К в течение 7 месяцев снижается в 2,0–2,6 раза.

About the authors

Sergey B. Naumov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: naumovsb@sibsau.ru

Cand. Sc., Associate Professor of the Department of Composite Materials and Wood Science

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

Svetlana V. Ginne

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: svetlanaginneh@rambler.ru

Cand. Sc., Associate Professor of the Department of Composite Materials and Wood Science

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

References

Supplementary files