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 М_н и до М_к 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 %.