О влиянии циркония на демпфирующую способность сплава Mn – 40 % Cu в области амплитудно-независимого демпфирования

Полный текст

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.

Об авторах

Сергей Борисович Наумов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: naumovsb@sibsau.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры технологии композиционных материалов и древесиноведения

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31

Светлана Викторовна Гиннэ

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: svetlanaginneh@rambler.ru

кандидат педагогических наук, доцент кафедры технологии композиционных материалов и древесиноведения

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы