黃 林，李金柳，李國超，郝江江，胥永剛

(西南交通大學材料先進技術(shù)教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

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Fe含量對Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex合金阻尼性能的影響

黃 林，李金柳，李國超，郝江江，胥永剛

(西南交通大學材料先進技術(shù)教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

研究了Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex合金的阻尼性能的變化規(guī)律，借助X射線衍射儀分析了時效態(tài)合金的衍射圖譜，并利用圖解外推法分析計算了合金的晶格常數(shù)及Fe原子所引起的晶格畸變，采用光學顯微鏡觀察其金相組織，借助多功能內(nèi)耗儀分析了合金的阻尼性能及馬氏體轉(zhuǎn)變溫度。結(jié)果表明，F(xiàn)e元素的加入導致合金晶粒細化；且固溶的Fe原子引起的晶格畸變會增加調(diào)幅分解的阻力，阻礙富Mn區(qū)的形成，導致馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，阻尼性能下降。

Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex合金； 阻尼性能； Fe含量； 晶格畸變； 馬氏體轉(zhuǎn)變

1 引 言

隨著近代工業(yè)高速發(fā)展，振動噪音問題日益突出，不僅對人們的身心健康有很大危害，而且還嚴重影響軌道交通和電子軍事設(shè)備的服役穩(wěn)定性與壽命[1-3]。因此，研發(fā)高阻尼合金對于解決減振降噪問題具有重要意義[4-5]。在各類阻尼材料中，Mn-Cu合金作為孿晶型阻尼合金，因其兼具有優(yōu)良的阻尼性能與力學性能而被廣泛應用[6-8]。

實用型中錳合金的Mn含量一般在40%～60%之間，添加Al和Fe等元素可提高合金的力學性能與加工性能。但其Ms點遠低于室溫，需要在亞穩(wěn)互溶區(qū)內(nèi)進行時效處理，使之發(fā)生調(diào)幅分解，形成富Mn區(qū)，進而在室溫下獲得高阻尼[9-10]。

微合金化對提高合金的機械性能有積極作用。蘇桂橋等[11]認為Fe幾乎完全固溶于Mn-Cu合金，能提高合金的強韌性。方正春等[12]認為，F(xiàn)e能使合金細化，明顯提高合金的沖擊韌性。但是，針對Fe元素對合金相變過程的影響仍存在一定的爭議。一些學者[13]認為，F(xiàn)e元素可以成為應力誘發(fā)馬氏體胚核，從而增加合金中大量的ε馬氏體數(shù)量。同時Fe還可促進Mn合金的調(diào)幅分解，產(chǎn)生富Mn或貧Mn區(qū)，提高合金的減振性能。但蘇貴橋[11]認為添加的Fe元素引起的過度晶格畸變會阻礙孿晶的運動，對阻尼性能有不利的影響。顯然Fe元素在調(diào)幅分解中的行為及其對馬氏體相變的影響還有待進一步研究和探討。鑒于此，本文試圖在Mn50.35Cu48.1Al1.55合金基礎(chǔ)上，分析Fe含量對阻尼性能的影響規(guī)律，并探討其對合金組織調(diào)幅分解和馬氏體相變的影響機制。

2 實 驗

實驗以電解Mn(99.9%)、電解Cu(99.9%)、純Al和純Fe為原料，并通過ZG-25型真空中頻感應電爐在氬氣保護環(huán)境下獲得鑄錠，尺寸為φ100mm×200mm，成分(采用JSM-6490LV型SEM能譜儀區(qū)域掃描得到)見表1所示。鑄錠經(jīng)750℃、24h擴散退火后，鍛造成20mm厚的板材并線切割成100mm×10mm×10mm的塊狀試樣。利用SX2-10-13可控硅電爐對這些試樣進行固溶處理及時效處理。阻尼性能測試試樣采用線切割方法獲得，其尺寸為φ1.5mm×80mm。

實驗采用了多功能內(nèi)耗儀分析合金的馬氏體轉(zhuǎn)變點(經(jīng)220℃降溫至20℃)與阻尼性能，執(zhí)行標準為GB/T13665-2007。采用OLYMPUS顯微鏡分析了合金的微觀組織。分析時，試樣先進行機械拋光，再利用丙二醇、磷酸和酒精混合溶液電解拋光。電解拋光的陽極電流密度0.1～0.3A/cm2，拋光時間為10min。利用X.pertPro-MPD型X射線衍射儀對熱處理態(tài)試

樣進行物相結(jié)構(gòu)分析。工作電壓40V，加速電流40mA，衍射角(2θ)范圍：30°～90°，Cu靶(λα=0.154598nm，λβ=0.139225nm)。

表1 合金的化學成分(質(zhì)量百分數(shù))

3 結(jié)果與分析

3.1 微觀組織

圖1是不同熱加工狀態(tài)下合金的微觀組織?？梢姡瑫r效態(tài)鑄造組織仍舊保留了明顯的樹枝晶特征(圖a)。而經(jīng)均勻化與熱鍛處理，合金組織呈細小等軸晶粒形態(tài)(圖b)。圖(c，d，e)為不同F(xiàn)e含量的試樣相同的熱處理狀態(tài)的微觀組織?？梢姡現(xiàn)e元素含量越高，合金晶粒尺寸也越小。這與文獻[12]報道相一致。這種變化很可能與一些含F(xiàn)e的金屬間化合物析出有關(guān)。這些析出物阻礙了回復再結(jié)晶晶粒的長大。

3.2 馬氏體轉(zhuǎn)變點

圖2是上述三種固溶時效態(tài)合金相對模量與溫度的關(guān)系曲線。可見，在降溫過程中，合金相對模量的顯著變化發(fā)生在20℃到150℃之間，并在某一溫度出現(xiàn)極小值。文獻[14-15]認為，這一極小值對應的溫度相當于孿晶馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度(Ms點)，即Mn-Cu合金發(fā)生了由面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)向面心正方結(jié)構(gòu)(fct)的組織轉(zhuǎn)變?；谶@一規(guī)律，1號和2號合金的Ms分別是66.5℃和41℃，而3號合金Ms溫度則應低于20℃。上述現(xiàn)象表明，隨Fe元素含量的增加，固溶時效態(tài)合金的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低，導致組織中馬氏體量減少。但是，由于Mn-Cu合金的相變滯熱效應，升溫過程中存在的模量最低點與上述的Ms點并未重合。這一現(xiàn)象已被文獻[16-17]所證實。

圖2 相對彈性模量與溫度關(guān)系圖Fig.2 Relation between relative modulus and temperature

3.3 XRD圖譜

為了進一步分析Fe含量變化對晶格常數(shù)的影響，實驗采用了Cu靶的kα和kβ特征射線對三種固溶時效態(tài)合金進行了X射線衍射分析。圖3是三種合金的XRD圖譜?？梢姡辖鹬饕搔孟鄻?gòu)成，其對應的晶面衍射峰為(111)、(200)、(220)、(311)等。文獻[14-15,18]認為，γ相在時效冷卻過程中發(fā)生fcc-fct結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導致(220)晶面衍射峰分裂為(220)fct和(202)fct兩條特征衍射峰。而在我們的實驗中，上述分裂現(xiàn)象并不明顯(見圖4)。但是與不含F(xiàn)e的試樣(1號試樣)相比，2號和3號試樣(111)晶面衍射峰相對強度較高而(220)晶面衍射峰相對強度較小。這表明1號合金形成的馬氏體量較多，而2號和3號合金的馬氏體量較少。這與1號合金Ms點較2號和3號高的變化規(guī)律相一致(圖2)。

圖3 Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex時效合金的XRD(30°～90°)圖譜Fig.3 XRD patterns of Mn50.35-Cu(48.1-x)-Al1.55-Fex aged alloys

圖4是圖3中三種合金XRD圖譜的局部放大圖?？梢姡捎贔e含量的增加，(220)晶面的衍射角發(fā)生了右移現(xiàn)象。為揭示上述變化的規(guī)律，我們采用圖解外推法對晶體晶格常數(shù)和畸變度進行了定量分析。以2#合金為例，將圖3中的一系列晶面衍射峰對應的衍射角代入式(1)、(2)及(3)中，經(jīng)過如圖5所示的擬合計算，可依次得到晶格常數(shù)a及晶格畸變度ε。

圖4 Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex時效合金的XRD(62°～74°)圖譜Fig.4 XRD (62°-74°) patterns of Mn50.35-Cu(48.1-x)-Al1.55-Fex aged alloys

2dsinθ=λ

(1)

圖5 晶格常數(shù)的擬合曲線(2#合金)Fig.5 Fitting curve of lattice constant(the 2# alloy)

(2)

(3)

式中，d為晶面間距，θ為衍射角，λ為X射線波長，h、k、l為晶面參數(shù)，Δd為晶格畸變引起的晶面間距變化。

按照上述方法，三種合金的計算結(jié)果如表2。由表2可見，隨著Fe含量的增加，晶格常數(shù)a值逐漸減小，而晶格畸變度也不斷增加。文獻[19]認為，溶質(zhì)原子的富區(qū)與貧區(qū)之間濃度逐漸變化的梯度能與晶格畸變能決定了調(diào)幅分解發(fā)生的難易程度。因此，固溶的Fe元素引起的晶格畸變所產(chǎn)生的應變能，增加了合金調(diào)幅分解的阻力，延緩了富Mn區(qū)和富Cu區(qū)的形成，降低合金馬氏體轉(zhuǎn)變點溫度(見圖2)，并最終使合金組織的fcc-fct轉(zhuǎn)變更加困難。

表2 合金的晶格常數(shù)與晶格畸變

3.4 阻尼性能

圖6是三種時效態(tài)合金的阻尼性能變化曲線?？梢?，雖然三種合金的阻尼性能隨應變的變化規(guī)律與以往的報道一致，但是Fe元素的增加導致了合金整體阻尼性能下降。以扭轉(zhuǎn)應變幅值為1000×10-6的情況為例，3號比1號合金的內(nèi)耗降低了53%。

圖6 合金阻尼性能與扭轉(zhuǎn)應變的關(guān)系Fig.6 Relation between damping capacity (tanφ) and torsional strain of the alloys

圖7是三種合金阻尼性能隨時效溫度變化曲線(時效時間：1小時，扭轉(zhuǎn)應變：1000×10-6)。可以看出，1號合金在時效溫度為430℃時，阻尼值最高；而2號和3號合金則在460℃和480℃時阻尼才達到最高。根據(jù)調(diào)幅分解理論，時效溫度越高，原子的擴散能力越強，發(fā)生富Mn區(qū)與富Cu區(qū)的偏聚越快[18]。在圖7中，1號合金的阻尼峰值對應的時效溫度明顯低于2號和3號合金。這表明，F(xiàn)e元素加入阻滯了調(diào)幅分解的進行，并導致了合金馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低(見圖2)，形成馬氏體數(shù)量的減少，阻尼性能下降。

圖7 合金阻尼性能與時效溫度的關(guān)系Fig.7 Relation between damping capacity (tanφ) and aging temperature of the alloys

4 結(jié) 論

1.經(jīng)固溶時效熱處理合金， Fe元素含量越高，其晶粒尺寸越小。

2.合金的晶格常數(shù)隨著固溶的Fe元素含量的增加而減小。由于晶格畸變度增加，調(diào)幅分解的應變能增加，從而阻礙富Mn區(qū)的形成。

3.Fe的加入延緩了合金時效過程中調(diào)幅分解進程，導致合金馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，形成馬氏體的量減少，阻尼性能下降。

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Effect of Fe Content on Damping Capacity of Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55FexAlloys

HUANG Lin， LI Jinliu， LI Guochao， HAO Jiangjiang， XU Yonggang

(Key Laboratory of Adbanced Technologies of Materials, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The damping capacity of Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fexalloys and their martensitic transformation temperatures (Ms) were studied by the inverted torsion pendulum. The value of latticelattice constantconstant was calculated by graphical-extrapolation method. The lattice distortiondistortion due to Fe addition was also analyzed by XRD. The metallographicmetallographic structurestructure was observed by the optical microscope. The results show that the grains are finer by adding Fe in the alloys. The solid-dissolved Fe atoms cause the excessive lattice distortion which increase the resistance of spinodal decomposition, and retard the formation of rich-Mn area, resulting in the decrease of Ms and then the decrease of damping capacity.

Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fexalloys； damping capacity； Fe content； lattice distortion； Martensitic transformation

1673-2812(2017)02-0284-05

2015-11-24；

2016-01-18

國家自然科學基金資助項目(11172248)

黃 林(1991-)，碩士研究生。研究方向：阻尼合金。E-mail: 244350983@qq.com。

胥永剛，教授。E-mail: yonggang2002@163.com。

TG145

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.023