Лекция 6. Общая характеристика и механизмы высокого демпфирования. Амплитудно-зависимое и амплитудно-независимое демпфирование. Основные группы сплавов высокого демпфирования
Тенденция к увеличению скоростей современных машин и механизмов приводит к неизбежному росту вредных вибраций и шумов, повышению опасности разрушения деталей при прохождении колебаний системы через резонанс вследствие обычной и акустической усталости, понижению надежности работы механизмов и ухудшению условий труда. Борьба с вибрациями и шумами является в настоящее время одной из актуальных проблем, важной практически для всех отраслей народного хозяйства и в первую очередь, для машино-строения, приборостроения и судостроения.
Эффективным, а в ряде случаев и единственно приемлемым спосо6ом уменьшения вредных вибраций и шумов, снижающим резонансные пиковые напряжения, является использование для деталей машин и конструкций, работающих в динамическом режиме, сплавов с большим внутренним трением, так называемых сплавов высокого демпфирования. Для них характерно относительное рассеяние энергии в диапазоне рабочих амплитуд более чем 1 %, т. е. не меньше, чем в таком высоко демпфирующем материале, как серый чугун. Демпфирующая способность (от нем. – гаситель) - это свойство материалов демпфировать (гасить) механические колебания деформируемого твердого тела, необратимо рассеивая часть энергии деформирования.
Демпфирование (внутреннее трение), обусловлено следующими причинами:
- релаксационными процессами, такое демпфирование не зависит от уровня амплитуд колебаний и характеризуется зависимостью с экстремумом от температуры и частоты колебаний;
- нерелаксационными процессами, этот вид демпфирования не зависит от частоты колебаний в достаточно широком для практики диапазоне, но зависит от величин амплитуд колебаний. Амплитудно-зависимое или микропластическое внутреннее трение наилучшим образом характеризует степень надежности конструкций и деталей машин, испытывающих вибрационные нагрузки.
Преимуществами гашения колебаний с помощью сплавов высокого демпфирования являются простота (отпадает надобность в специальных, порою довольно сложных виброгасящих устройствах), практическая независимость эффекта демпфирования от частоты и, как правило, более широкая, чем у высоко демпфирующих пластмасс, область рабочих температур.
Амплитудно-независимое демпфирование (фон).Амплитyдно-независимое демпфи-рование или фон обусловлено фононовым рассeянием энергии вследствие взаимодействия фононов друг с другом, а также с электронами и различными несовершенствами (дефектами) кристаллической решетки (вакансии, межузельные и примесные атомы, дислокации). Фон демпфирования тем выше, чем больше вызываемая интегральным действием несовершенств строения общая метастабильность состояния сплава. Все релаксационные процессы, приводящие к снижению метастабильности, уменьшают фон. Дефекты любого типа, искажающие кристаллическую решетку и вызывающие внутренние напряжения, увеличивают фон, а взаимодействие дефектов, сопровождающееся стабилизацией структуры, снижает его.
Процессы стабилизации обусловлены, в частности, взаимодействием дислокаций между собой, их закреплением точечными дефектами, частичной аннигиляцией и другими явлениями, понижающими общий уровень свободной энергии системы. Повышенный за счет дефектов фон демпфирования нестабилен, и при вылеживания при 20°С в первые часы большая его часть снижается. При этом влияния на величину фона размеров зерна не выявлено.
Стабильного повышения фона демпфирования в сплавах можно добиться только в случае получения достаточно устойчивой в условиях эксплуатации метастастабильной структуры, образующейся, например, в результате превращения мартенситного типа. Однако, даже при естественном старении мартенсита вследствие релаксации внутренних напряжений, образования сегрегаций и общего уменьшения метаста6ильности уровень фона резко снижается. Более перспективными являются сплавы, тетрагональность решетки которых обусловлена другими причинами, например антиферромагнетизмом, и поэтому оказывающимися более стабильными.
Амплитудно-зависимое демпфирование. Амплитудно-зависимое демпфирование при значительных aмплитудах обусловлено, в первую очередь, перемещением имеющихся или генерируемыx легко подвижных дефектов типа дислокаций и двойников, а в сплавах с гетерофазной структурой, представляющей собой твердую матрицу с включениями «мягкой» фазы, пластической деформацией «мягкой» фазы при упругом поведении основы.
До амплитуд напряжений, близких к пределу (порогу) упругости, дислокационное демпфирование связано в основном только с обратимыми перемещениями дислокаций и по уровню невелико (относительное затухание не превышает 0,1-0,2%). Только тогда, когда перемещение дислокаций приводит к появлению микропластических деформаций и необратимо изменяется исходная дислокационная структура сплавов, демпфирование может возрасти до нескольких процентов. Генерирование дислокаций и их связывание в устойчивые системы приводит к увеличению демпфирующей способности во всем диапазоне амплитуд, начиная с самых малых. Однако, это увеличение нестабильно и практически полностью снимается после естественного старения, закрепляющего дислокации.
Основной вклад при разработке сплавов высокого демпфирования вносят подвижные «поверхностные» дефекты: упругие двойники, границы мартенситных кристаллов при обратимых мapтенситных превращениях (термоупругость), границы доменов в ферромагнетиках и антиферромагнетиках. Демпфирование, вызванное перемещением этих дефектов, во-первых, в связи с тем, что это перемещение может охватывать значительный объем металла, должно быть большим, во-вторых, вследствие обратимости этого движения оно не приводит к усталостному разрушению металла.
Основные механизмы рассеяния энергии:
- упругое двойникование,
- перемещение границ магнитных доменов,
- обратимое мартенситное превращение
Упругое двойникование заключается в возникновении и росте двойников при приложении нагрузки и полном или частичном их исчезновении при снятии нагрузки,. Упругое двойникование является одним из механизмов пластической деформации, так называемой «обратимой пластической деформацией». При ее развитии в условиях циклического нагружения должно наблюдаться значительное рассеяние энергии.
Вклад в нео6ратимое рассеяние энергии в ферромагнетиках при приложении к ним циклических нагрузок вносят следующие три эффекта: магнитомеханический гистерезис (основной - рассеяние энергии примерно на два порядка выше, чем в остальных), макровихревые и микровихревые токи. Магнитомеханический гистерезис связан функционально с магнитострикционным эффектом и перемещением границ доменов при приложении механических напряжений. Этот гистерезис особенно велик в ферромагнетиках с большой магнитострикцией и высокой проницаемостью в слабых полях.
В сплавах с обратимым мартенситным превращением при охлаждении, начиная от температуры Мн и до Мк происходит увеличение количества упругих кристаллов мартенситной фазы, а при последующем нагреве до температур обратного перехода – уменьшение последних. Образующиеся при мартенситном превращении упругие кристаллы мартенсита вызывают в окружающей матрице напряжения и искажения кристаллической решетки, которые оказывают заметное влияние на демпфирующую способность сплава. Перемещение границ упругих кристаллов мартенсита при приложении нагрузки аналогично упругому двойникованию, хотя и отличается от последнего протеканием фазового превращения, тогда :как при упругом двойниковании изменяется лишь ориентация областей кристаллов одной и тай же фазы. Перемещение когерентной межфазовой границы и протекающий одновременно процесс фазового превращения сопровождаются значительным рассеянием энергии, что обеспечивает сплаву высокие демпфирующие свойства.
В настоящее время все применяемые в промышленности сплавы высокого демпфирования по составу и механизму демпфирования можно разделить на следующие шесть групп: 1) сплавы с магнитомеханическим демпфированием на основе железа; 2) сплавы с магнитомеханическим демпфированием на основе никеля и кобальта; 3) упруго-двойникующиеся сплавы на основе магния; 4) упруго-двойникующиеся марганцево-медные сплавы; 5) сплавы с термоупругим мартенситом;
6) сплавы с резко выраженной гетерогенной структурой.
Сплавы с магнитомеханическим демпфированием на основе железа. К сплавам этой группы относятся хромистые стали 1Х13 и 2Х13, а также стали15Х11МФ, l5Х12ВМФ, lХ12В2МФ, 1Х12В4МФ. Их демпфирующая способность примерно на порядок величины выше демпфирующей способности аустенитных нержавеющих сталей. Амплитудная зависимость демпфирующей способности характеризуется малым фоном и средней величиной относительного рассеяния (1–5 %) при значительных амплитудах.
Эти стали применяют после закалки с 950–1050 °С в масле и отпуска при 600–750 °С с охлаждением на воздухе. В таком состоянии они имеют повышенную прочность в сочетании с удовлетворительной пластичностью до температур порядка 350–400 °С (стали 1Х13 и 2Х13) и 550–580 °С (сталь lХ12В4МФ) при хорошей коррозионной стойкости. При более высоких температурах их прочность резко падает.
Из сталей данного типа изготавливают цельнокованые роторы, диски и лопатки турбин с рабочей температурой – для наиболее легированных жаропрочных сортов этих сталей (типа 1Х12В4МФ) до 550–580 °С, а менее легированных (типа lX13–2Х13) до 350–400 °С при сроке службы 10000 ч.
Сплавы с магнитомеханическим затуханием на основе никеля и кобальта. Относительно малая жаропрочность ферритных хромистых сталей и их небольшая коррозионная стойкость привели к необходимости создания турбинных сплавов высокого демпфирования на не железной основе.
В результате фундаментальных исследований систем Ni-Fe, Со-Fе, Ni-Co-Fe, Ni-Co была разработаны промышленные сплавы на основе кобальта и никеля. Они характеризуются высокой пластичностью, что позволяет обрабатывать их до очень высоких степеней деформации. Для прокатки оптимальная деформация составляет 30 %, а максимальная может достигать 70-90 % без предварительной смягчающей обработки. Одним из лучших сплавов этого типа является сплав НИВКО, содержащий около 72 % Со, 23 % Ni и некоторое количество титана, алюминия и других элементов, введенных для упрочнения за счет дисперсионного твердения.
На рисунке 6.1 приведена микроструктура такого сплава в различных состояниях. В литом состоянии она характеризуется значительной неоднородностью, обусловленной дендритной ликвацией (рисунок 6.1а). В результате гомогенизирующего отжига при 1000 °С в течение 10 часов она полностью не устраняется (рисунок 6.1б) и только после ковки при повышенных температурах сплав становится однородным по составу (рисунок 6.1в). Для усиления демпфирующих свойств и развития процессов дисперсионного твердения он подвергается закалке и отпуску (рисунок 6.1г,д,е).
В процессе старения преимущественно по границам зерен выделяются частицы интерметаллических соединений типа (Co, Ti), (Co, Ni) Al, (NI,Co)3 AlTi и др. Такая резкая локализация распада высокотемпературной фазы объясняется большей скоростью диффузии по границам зерен по сравнению с объемом зерна. После прокатки на 30 %, последующей закалки (рисунок 6.1ж,з) и отпуска при 650 °С удается получить высокую степень однородности структуры (рисунок 6.1з) и свойств.
![]() | ![]() | ![]() |
![]() | ![]() | ![]() |
![]() | ![]() | ![]() |
Рисунок 6.1 – Микроструктура сплава НИВКО 63 |
На рисунке 6.2 приведена демпфирующая способность сплава НИВКО-10, которая в несколько раз выше, чем ферритных хромистых сталей при более высоких значениях прочности и жаропрочности. Для сравнения приведены данные по ряду других сплавов. Некоторые механические свойства сплава НИВКО-10 и для сравнения стали 1Х13 приведены в таблице 6.1. Максимальным демпфированием обладают сплавы с содержанием кобальта 58-63 % после закалки и отпуска. После термомеханической обработки их демпфирующая способность снижается.
![]() | Рисунок 6.2 – Амплитудная зависимость демпфирующей способности некоторых сплавов высокого демпфирования: 1 – сталь 1Х13; 2 – сплав НИВКО-10; 3 - серый чугун СЧ24-44; 4 – сплав нитиноль (45,5% Ti, остальное никель); 5 – алюминиевоникелевая бронза (14,5 % Аl; 3,4 % Ni, остальное медь); 6 – марганцевомедный сплав (75 % Мn; 25 % Сu); 7 – сплав Mg + 0,4 % Zr в литом состоянии |
Таблица 6.1 - Механические свойства ферромагнитных сплавов
Сплав | tисп, °С | σВ, МН/м2 (кгс/мм2) | σ0,2, МН/м2 (кгс/мм2) | δ, % |
НИВКО-10 НИВКО-10 | 1120 (112) 700 (70) | 770 (77) 560 (56) | ||
Сталь 1Х13 | 700 (70) 84 (8,4) | 560 (56) 630 (63) |
В последние годы разработан новый высокотемпературный дисперсионно упрочняемый сплав высокого демпфирования на основе никеля с добавкой 2,5 % оксида тория. Важной особенностью сплава является значительное повышение демпфирующей способности с ростом температуры. Так, если при комнатной температуре демпфирующая способность сплава ψ = 10 %, то при 200 °С она составляет 15 %, а при 500 °С – 36 %.