CN112029988B - 一种提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高Fe‑Cr‑Mo基阻尼合金阻尼性能的方法，涉及阻尼材料技术领域。本发明对热处理后的Fe‑Cr‑Mo基阻尼合金预加应力，然后在持续施加预加应力的条件下再对Fe‑Cr‑Mo基阻尼合金叠加交变应力。在本发明中，Fe‑Cr‑Mo基阻尼合金在预加应力的条件下叠加交变应力处理后，合金内部的位错组态发生改变，产生更多的平行位错，这种平行的位错组态在振动过程中会来回摆动，在原有铁磁性阻尼基础之上叠加位错阻尼。本发明无需改变合金成分和热处理工艺，只需对Fe‑Cr‑Mo基阻尼合金预加应力条件下进行交变应力处理，即可明显提高Fe‑Cr‑Mo基阻尼合金的阻尼性能，操作简单，便于推广应用。

Description

一种提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的方法
技术领域
本发明涉及阻尼材料技术领域，特别涉及一种提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的方法。
背景技术
振动和噪声污染作为世界三大污染之一，严重影响人们的正常生活以及机械设备的正常运行。尤其是在军事领域，振动和噪声不仅会影响作战单位的隐蔽性，更会降低武器装备的可靠性。例如，核潜艇的舰载声呐对声波有极高的敏感性，而核潜艇在运行过程中产生的自噪声会极大干扰声呐的探测精度。目前减振降噪的方式主要有系统减振降噪、结构减振降噪和材料减振降噪三种，其中材料减振降噪是解决问题最根本的方法。材料减振降噪即采用本身就具有高阻尼性能的阻尼材料作为机械构件、部件，利用阻尼材料将机械振动能转为热能耗散掉的特性进行减振降噪，从振动源头达到减振降噪的目的，且不会增加构件的复杂程度。目前，应用最广泛的阻尼材料是Fe-Cr-Mo基阻尼合金，不但具有高的阻尼性能还兼具良好的力学性能，已经成为目前阻尼材料研究和应用的热点。
现有技术通常需要调整合金成分或者优化热处理工艺才能提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的阻尼性能，其中通过调整合金成分，是通过调整合金元素含量或添加新合金元素来提高合金阻尼性能；优化热处理工艺是通过调整加热温度、保温时间或冷却方式来提高合金阻尼性能。这两种方式对于Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的提高仍然有限。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的方法。本发明无需改变合金成分和热处理工艺，只需对Fe-Cr-Mo基阻尼合金预加应力条件下进行交变应力处理，即可明显提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的阻尼性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的方法，包括以下步骤：
对热处理后的Fe-Cr-Mo基阻尼合金预加应力，然后在持续施加预加应力的条件下再对Fe-Cr-Mo基阻尼合金叠加交变应力。
优选地，所述预加应力包括预加拉应力或压应力。
优选地，所述预加应力的应力值大于0MPa且小于Fe-Cr-Mo基阻尼合金的屈服应力值。
优选地，所述交变应力的应力值为5～100MPa。
优选地，所述交变应力的交变频率为0.1～300Hz。
优选地，所述交变应力的波形包括正弦波、余弦波和方波中的一种或几种。
优选地，所述叠加交变应力的次数为10万次～1000万次。
优选地，所述热处理在真空条件下进行；所述热处理的温度为800～1200℃、保温时间为0.5～2h，所述真空条件的真空度为5×10-3Pa。
优选地，所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金包括以下质量百分含量的元素组分：
Figure BDA0002664879450000021
优选地，所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金还包括以下质量百分含量的元素组分：
Figure BDA0002664879450000022
本发明提供了一种提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的方法，包括以下步骤：对热处理后的Fe-Cr-Mo基阻尼合金预加应力，然后在持续施加预加应力的条件下再对Fe-Cr-Mo基阻尼合金叠加交变应力。在本发明中，Fe-Cr-Mo基阻尼合金在预加应力的条件下叠加交变应力处理后，合金内部的位错组态发生改变，产生更多的平行位错，这种平行的位错组态在振动过程中会来回摆动，在原有铁磁性阻尼基础之上叠加位错阻尼；而未经过预加应力条件下的交变处理的Fe-Cr-Mo基合金仅存在铁磁性阻尼。本发明无需改变合金成分和热处理工艺，即当合金成分确定和热处理工艺确定的情况下，只需对Fe-Cr-Mo基阻尼合金预加应力条件下进行交变应力处理，即可提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的阻尼性能，操作简单，便于推广应用。
实施例结果表明，与未经过预加应力条件下的交变处理的Fe-Cr-Mo基合金相比，本发明将Fe-Cr-Mo基合金在预加应力条件下分别经过10万次、20万次的交变应力处理后，合金的阻尼性能分别提升5.54～34.54％、12.26～37.88％。
附图说明
图1为经实施例1处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能随应变振幅变化曲线；
图2为经对比例1处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能随应变振幅变化曲线；
图3为经实施例2处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能随应变振幅变化曲线；
图4为经对比例2处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能随应变振幅变化曲线；
图5为经实施例3处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能随应变振幅变化曲线；
图6为经对比例3处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能随应变振幅变化曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的方法，包括以下步骤：
对热处理后的Fe-Cr-Mo基阻尼合金预加应力，然后在持续施加预加应力的条件下再对Fe-Cr-Mo基阻尼合金叠加交变应力。
本发明对所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金的具体组成没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的常规成分的Fe-Cr-Mo基阻尼合金即可，即本发明提供的方法直接以现有技术中公开的任意组成的Fe-Cr-Mo基阻尼合金为处理对象。在本发明实施例中，所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金优选包括以下质量百分含量的元素组分：Cr3.0～18.0％；Mo1.0～5.0％；Si(0,4.0％]；Mn(0,4.0％]；Ni(0,8.0％]；Cu(0,3.0％]；Zr(0,1.5％]；Fe余量；所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金还优选包括以下质量百分含量的元素组分：C(0,0.1％]；Nb(0,1.5％]；Ce(0,1.0％]；Hf(0,1.0％]。在本发明中，所述Si(0,4.0％]表示Si的质量含量大于0且小于等于4.0％；所述Mn(0,4.0％]、Ni(0,8.0％]、Cu(0,3.0％]、Zr(0,1.5％]、C(0,0.1％]、Nb(0,1.5％]、Ce(0,1.0％]和Hf(0,1.0％]均为相同的表示方式。本发明对所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金的制备方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的制备方法即可。在本发明实施例中，所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金的制备方法包括以下步骤：
将工业纯铁、金属铬、工业纯钼、结晶硅、电解镍和紫铜加入坩埚中，加料紧实，在真空条件下进行精炼；在所述精炼末期加入海绵锆，所述海绵锆熔化之后，在氩气保护条件下再加入电解锰，所述电解锰熔化之后得到合金液；将所述合金液带电浇铸，冷却后得到Fe-Cr-Mo基阻尼合金。
在本发明中，所述真空条件的真空度优选为2×10-2Pa；所述精炼的温度优选为1600℃，时间优选为15min；所述氩气的压力优选为5×103Pa；所述带电浇铸的温度优选为1550℃。
本发明对所述热处理的条件没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的常规热处理条件即可，即本发明无需改变热处理工艺。在本发明实施例中，所述热处理优选在真空条件下进行热处理，所述热处理的温度优选为800～1200℃，更优选为900℃；所述热处理的保温时间优选为0.5～2h，更优选为1h；所述真空条件的真空度优选为5×10-3Pa。
所述热处理后，本发明将热处理后的Fe-Cr-Mo基阻尼合金进行冷却；本发明对所述冷却的方式没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的冷却方式即可，如随炉冷却、空冷或水冷。
在本发明中，所述预加应力优选包括预加拉应力或压应力；所述预加应力的应力值优选大于0MPa且小于Fe-Cr-Mo基阻尼合金的屈服应力值，所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金的屈服应力值优选为260～400MPa；在本发明实施例中，所述预加应力的应力值更优选为100～300MPa。
在本发明中，所述交变应力的应力值优选为5～100MPa，更优选为8～50MPa；所述交变应力的交变频率优选为0.1～300Hz，更优选为5～10Hz；所述交变应力的波形优选包括正弦波、余弦波和方波中的一种或几种，更优选为正弦波。
在本发明中，所述叠加交变应力的次数优选为10万次～1000万次，更优选为10万～40万次。本发明对施加所述预加应力和交变应力的设备没有特别的要求，能够对合金施加预应力和交变应力的夹持设备均可，在本发明实施例中，优选疲劳试验机。
在本发明中，Fe-Cr-Mo基阻尼合金在预加应力的条件下叠加交变应力处理后，合金内部的位错组态发生改变，产生更多的平行位错，这种平行的位错组态在振动过程中会来回摆动在原有铁磁性阻尼基础之上叠加位错阻尼；而未经过预加应力条件下的交变处理的Fe-Cr-Mo基合金仅存在铁磁性阻尼。本发明无需改变合金成分和热处理工艺，即当合金成分确定和热处理工艺确定的情况下，只需对Fe-Cr-Mo基阻尼合金预加应力条件下进行交变应力处理，即可提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的阻尼性能，操作简单，便于推广应用。
下面结合实施例对本发明提供的提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
Fe-Cr-Mo基合金，该合金的成分按照质量百分比为：84.95％Fe，10.0％Cr，2.5％Mo，0.5％Si，0.5％Mn，1.0％Ni，0.05％Zr，0.5％Cu；该合金的熔炼方法为：将原料工业纯铁、金属铬、工业纯钼、结晶硅、电解镍和紫铜加入坩埚中，加料紧实，抽真空至真空度为2×10-2Pa，在1600℃真空条件下精炼15min；精炼末期，加入海绵锆，然后通入氩气，氩气压力为5×103Pa，再加入电解锰，在氩气保护条件下1600℃继续精炼1min(电解锰熔化)，得到合金液；在1550℃下将合金液带电浇铸，冷却后得到Fe-Cr-Mo基合金。
本实施例将Fe-Cr-Mo基合金在真空度为5×10-3Pa、温度为900℃条件下进行热处理1.0h，然后随炉冷却。
对热处理之后的合金进行预加应力条件下叠加交变应力处理：利用疲劳试验机对合金施加预拉应力，预加拉应力的值为100MPa；在持续施加预加拉应力的条件下，再叠加交变应力，交变应力的值为8MPa；交变频率值为10Hz；交变应力波形为正弦波；预加应力条件下的交变处理次数分别为10万次和20万次。
对处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能进行测试，测试方法为：DMA(动态机械分析仪)采用三点弯曲模式，测试阻尼性能(即内耗Q-1)随应变振幅0～1×10-4的变化，测试条件：室温、频率1Hz、预加应力40MPa。测试结果如图1所示：合金经过10万次预加应力条件下的交变应力处理之后，内耗Q-1可达到0.0476；合金经过20万次预加应力条件下的交变应力处理之后，内耗Q-1可达到0.0577。
对比例1
Fe-Cr-Mo基合金，该合金的成分按照质量百分比为：84.95％Fe，10.0％Cr，2.5％Mo，0.5％Si，0.5％Mn，1.0％Ni，0.05％Zr，0.5％Cu。该合金的熔炼方法为：将原料工业纯铁、金属铬、工业纯钼、结晶硅、电解镍和紫铜加入坩埚中，加料紧实，抽真空至真空度为2×10-2Pa，在1600℃真空条件下精炼15min；精炼末期，加入海绵锆，然后通入氩气，氩气压力为5×103Pa，再加入电解锰，在氩气保护条件下1600℃继续精炼1min(电解锰熔化)，得到合金液；在1550℃下将合金液带电浇铸，冷却后得到Fe-Cr-Mo基合金。
将Fe-Cr-Mo基合金在真空度为5×10-3Pa、温度为900℃条件下进行热处理1.0h，然后随炉冷却。
对热处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能进行测试，测试方法为：DMA(动态机械分析仪)采用三点弯曲模式，测试阻尼性能(即内耗Q-1)随应变振幅0～1×10-4的变化，测试条件：室温、频率1Hz、预加应力40MPa。测试结果如图2所示：合金内耗Q-1值为0.0451。
由实施例1与对比例1比较可知，经过10万次、20万次预加应力条件下的交变应力处理后，Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能分别提升5.54％、27.94％。可见，通过预加应力条件下交变应力处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能显著提升。
实施例2
Fe-Cr-Mo基合金，该合金的成分按照质量百分比为：80.45％Fe，15.0％Cr，2.5％Mo，0.5％Si，0.5％Mn，1.0％Ni，0.05％Zr。该合金的熔炼方法为：将原料工业纯铁、金属铬、工业纯钼、结晶硅、电解镍加入坩埚中，加料紧实，抽真空至真空度为2×10-2Pa，在1600℃真空条件下精炼15min；精炼末期，加入海绵锆，然后通入氩气，氩气压力为5×103Pa，再加入电解锰，在氩气保护条件下1600℃继续精炼1min(电解锰熔化)，得到合金液；在1550℃下将合金液带电浇铸，冷却后得到Fe-Cr-Mo基合金。
Fe-Cr-Mo基合金在真空度为5×10-3Pa、温度为900℃条件下进行热处理1.0h，然后随炉冷却。
对热处理之后的Fe-Cr-Mo基合金进行预加应力条件下叠加交变应力处理，处理方法为：利用疲劳试验机对合金施加预拉应力，预加拉应力的值为100MPa；在持续施加预加拉应力的条件下，再叠加交变应力，交变应力的值为8MPa；交变频率值为10Hz；交变应力波形为正弦波；预加应力条件下的交变处理次数分别为10万次和20万次。
对处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能进行测试，测试方法为：DMA(动态机械分析仪)采用三点弯曲模式，测试阻尼性能(即内耗Q-1)随应变振幅0～1×10-4的变化，测试条件：室温、频率1Hz、预加应力40MPa。测试结果如图3所示：合金经过10万次预加应力条件下的交变应力处理之后，内耗Q-1可达到0.0348；合金经过20万次预加应力条件下的交变处理之后，内耗Q-1可达到0.0357。
对比例2
Fe-Cr-Mo基合金，该合金的成分按照质量百分比为：80.45％Fe，15.0％Cr，2.5％Mo，0.5％Si，0.5％Mn，1.0％Ni，0.05％Zr。该合金的熔炼方法为：将原料工业纯铁、金属铬、工业纯钼、结晶硅和电解镍加入坩埚中，加料紧实，抽真空至真空度为2×10-2Pa，在1600℃真空条件下精炼15min；精炼末期，加入海绵锆，然后通入氩气，氩气压力为5×103Pa，再加入电解锰，在氩气保护条件下1600℃继续精炼1min(电解锰熔化)，得到合金液；在1550℃下将合金液带电浇铸，冷却后得到Fe-Cr-Mo基合金。
将Fe-Cr-Mo基合金在真空度为5×10-3Pa、温度为900℃条件下进行热处理1.0h，然后随炉冷却。
对热处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能进行测试，测试方法为：DMA(动态机械分析仪)采用三点弯曲模式，测试阻尼性能(即内耗Q-1)随应变振幅0～1×10-4的变化，测试条件：室温、频率1Hz、预加应力40MPa。测试结果如图4所示：合金内耗Q-1值为0.0318。
由实施例2与对比例2比较可知，经过10万次、20万次预加应力条件下的交变处理后，Fe-Cr-Mo基合金阻尼性能分别提升9.43％、12.26％。可见，通过预加应力条件下交变应力处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能显著提升。
实施例3
Fe-Cr-Mo基合金，该合金的成分按照质量百分比为：85.40％Fe，11.0％Cr，2.5％Mo，1.0％Ni，0.1％Zr。该合金的熔炼方法为：将原料工业纯铁、金属铬、工业纯钼和电解镍加入坩埚中，加料紧实，抽真空至真空度为2×10-2Pa，在1600℃真空条件下精炼15min；精炼末期，加入海绵锆，在1600℃条件下继续精炼1min(海绵锆熔化)，得到合金液；在1550℃下将合金液带电浇铸，冷却后得到Fe-Cr-Mo基合金。
将Fe-Cr-Mo基合金在真空度为5×10-3Pa、温度为900℃下进行热处理1.0h，然后随炉冷却。
对热处理之后的合金进行预加应力条件下叠加交变应力处理，处理方法为：利用疲劳试验机对合金施加预拉应力，预加拉应力的值为100MPa；在持续施加预加拉应力的条件下，再叠加交变应力，交变应力的值为8MPa；交变频率值为5Hz；交变应力波形为正弦波；预加应力条件下的交变处理次数分别为10万次、20万次和40万次。
对处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能进行测试，测试方法为：DMA(动态机械分析仪)采用三点弯曲模式，测量阻尼性能(即内耗Q-1)随应变振幅0～1×10-4的变化，测试条件：室温、频率1Hz、预加应力40MPa。测试结果如图5所示：合金经过10万次预加应力条件下的交变处理之后，内耗Q-1可达到0.0483；合金经过20万次预加应力条件下的交变处理之后，内耗Q-1可达到0.0495；合金经过40万次预加应力条件下的交变处理之后，内耗Q-1可达到0.0525。
对比例3
Fe-Cr-Mo基合金，该合金的成分按照质量百分比为：85.40％Fe，11.0％Cr，2.5％Mo，1.0％Ni，0.1％Zr。该合金的熔炼方法为：将原料工业纯铁、金属铬、工业纯钼和电解镍加入坩埚中，加料紧实，抽真空至真空度为2×10-2Pa，在1600℃真空条件下精炼15min；精炼末期，加入海绵锆，在1600℃条件下继续精炼1min(海绵锆熔化)，得到合金液；在1550℃下将合金液带电浇铸，冷却后得到Fe-Cr-Mo基合金。
将Fe-Cr-Mo基合金在真空度为5×10-3Pa、温度为900℃下进行热处理1.0h，然后随炉冷却。
对热处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能进行测试，测试方法为：DMA(动态机械分析仪)采用三点弯曲模式，测试阻尼性能(即内耗Q-1)随应变振幅0～1×10-4的变化，测试条件：室温、频率1Hz、预加应力40MPa。测试结果如图6所示：合金内耗Q-1值为0.0359。
由实施例3与对比例3比较可知，经过10万次、20万次、40万次预加应力条件下的交变应力处理后，Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能分别提升34.54％、37.88％、46.24％。可见，通过预加应力条件下交变应力处理后的Fe-Cr-Mo基合金的阻尼性能显著提升。
由以上实施例可以看出，本发明无需改变合金成分和热处理工艺，只需对Fe-Cr-Mo基阻尼合金预加应力条件下进行交变应力处理，即可显著提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的阻尼性能，操作简便。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对热处理后的Fe-Cr-Mo基阻尼合金预加应力，然后在持续施加预加应力的条件下再对Fe-Cr-Mo基阻尼合金叠加交变应力；所述交变应力的波形包括正弦波、余弦波和方波中的一种或几种；所述叠加交变应力的次数为10万次～1000万次；所述预加应力的应力值大于0MPa且小于Fe-Cr-Mo基阻尼合金的屈服应力值；所述交变应力的应力值为5～100MPa；所述交变应力的交变频率为0.1～300Hz。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预加应力包括预加拉应力或压应力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理在真空条件下进行；所述热处理的温度为800～1200℃、保温时间为0.5～2h，所述真空条件的真空度为5×10-3Pa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金包括以下质量百分含量的元素组分：
Figure FDA0003398106070000011
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述Fe-Cr-Mo基阻尼合金还包括以下质量百分含量的元素组分：
Figure FDA0003398106070000012
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