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CuAlMn形状记忆合金的晶体结构和阻尼性能研究

郑成琪  
【摘要】:由于CuAlMn形状记忆合金具备优良的力学性能和功能特性,能够基本满足功能/结构一体化阻尼材料的要求,因此我们选择CuAlMn形状记忆合金作为我们的研究对象。本文从阻尼机理,母相晶体结构,马氏体晶体结构,阻尼性能等四个方面对CuAlMn形状记忆合金进行了较为系统的研究。 1.阻尼机理研究方面:首先通过对材料形变特性的解析,建立了线性动滞后阻尼的定量模型,得到了描述动滞后阻尼的两个重要宏观参量:驰豫强度和驰豫时间,并从宏观角度分析了影响阻尼性能的因素及提高阻尼性能的途径。其次,通过对阻尼微观机制的剖析,提出:阻尼来源于微观的缺陷,原子或其他物理基元顺应外加应力的微观有序运动,而这种微观有序运动必然同时导致微观无序运动(即热运动)的加剧,因而伴随机械能部分转变为热能的不可逆能量耗散。第三,提高铜基合金阻尼性能的有效途径主要是充分发挥界面阻尼和相变阻尼机制的作用。 2.母相结构研究方面:对于具有四个亚点阵位置的A-B-C三元合金,我们提出了表征其有序度的四个参数SBmn,SCmn,SBnn,SCnn。在对有序度参数进行合理简化的基础上,模拟了CuAl11Mn9合金L21,D03,B2和A2结构母相的XRD衍射谱。DO3结构母相XRD衍射的特点是:无论有序度如何变化,(111)和(002)晶面的衍射强度之比均为恒值,I(111)/I(002)≈1.92;L21结构母相XRD衍射的特点:(111)和(002)晶面的衍射强度之比不是常数,且I(111)/I(002)≤1.18;B2结构母相XRD衍射的特点:(111),(113)和(133)等次近邻衍射峰结构消光。将实验衍射谱与模拟衍射谱进行对比,测定Cu-Ak11Mn9合金铸态试样的母相结构为(80%DO3+20%L21)。热处理对母相结构的影响是:淬火冷却速度减慢,DO3结构比例下降;低温时效温度升高,DO3结构比例下降;低温时效时间延长,L21结构的最近邻和次近邻有序度升高。 3.马氏体结构研究方面:通过引入两个影响因子x(电子浓度影响因子)和μ(配位数影响因子)计算原子在实际合金中的有效半径,以此为基础并根据马氏体结构模型,利用不等径钢球密堆的原理,首次提出了计算马氏体晶格常数的两种算法:一是完全利用原子半径计算马氏体晶格常数;二是利用母相晶格常数和层间偏移量s计算马氏体晶格常数。模拟了常见马氏体结构的XRD衍射谱,通过将实验衍射谱与模拟衍射谱进行对比的方法,确定了铸态Cu-Al10.5-Mn6和Cu-Al11-Mn6合金都是以4H马氏体为主体的多类型马氏体混合结构。热处理对马氏体有序度的影响显著,随着淬火冷却速度降低或时效时间延长,马氏体有序度升高。 4. CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能研究方面:运用跟踪滤波技术,采用悬臂梁弯曲共振装置测试了表面应力振幅4.05-40.5Mpa范围内CuAlMn形状记忆合金在一阶共振频率和二阶共振频率下的室温阻尼性能。研究结果表明,CuAlMn形状记忆合金在单一马氏体态和母相态都有可能具有高阻尼特性,最大表面应力振幅为4.05Mpa时,内耗Q-1最高可以达到10-1数量级。阻尼机制与合金的显微组织和相结构密切相关,马氏体相的高阻尼能力归因于马氏体挛晶变体在应力作用下的再取向,而母相的高阻尼能力来源于应力诱发马氏体相变。CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能总体上表现为随表面应力振幅增加而下降的趋势,在临界应力以下,母相态合金的阻尼性能下降速度明显快于马氏体态合金,超过临界应力以后,阻尼性能下降趋于平缓而且与组织相关性很小。CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能随频率升高而下降,有较强的频率依赖性,尤其是两相区合金的频率效应最为显著,而添加合金元素Ni能够改善高频特性。


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