Full Text

Введение Одними из значимых свойств материалов являются демпфирующие свойства, которые дают возможность судить о материале как о поглотителе вредных вибраций и шума. К таким материалам относятся, например, серые чугуны [1], сплавы железа с содержанием таких элементов, как Si [2-4], Al [5-7], Cr [8-11], Mn [12-14], сплавы цветных металлов, например Mg-Zr [15, 16], Cu-Mn [17, 18], другие сплавы, в том числе многокомпонентные [19-21]. Высокодемпфирующие сплавы классифицируют по механизмам внутреннего трения. Согласно работе [22], выделяется четыре основных механизма рассеивания энергии колебаний, один из которых - механизм магнитомеханической природы. Большая эффективность рассеивания энергии механических колебаний в сплавах с таким механизмом обусловлена сопутствующей колебаниям циклической перестройкой доменной структуры. При этом следует отметить, что поглощение энергии механических колебаний за счет механизма магнитомеханического затухания является очень чувствительным по отношению к различным способам обработки, которые изменяют фазовый состав, структуру, а также физические и механические свойства материала [4, 23]. Для варьирования демпфирующих свойств, кроме изменения химического состава сплавов, в большинстве случаев используют общеизвестные способы термической обработки. Однако сплавы с магнитомеханической природой внутреннего трения можно подвергать воздействию перспективного по отношению к демпфирующей способности способа обработки - термомагнитной обработки (ТМагО), т.е. одновременному воздействию температурой и магнитным полем [24]. Обработка магнитным полем при одновременном температурном воздействии на вышеуказанные сплавы не вызывает существенного изменения механических свойств, однако приводит к значительным изменениям магнитных свойств и, как следствие, к изменению их демпфирующей способности. В работах [25, 26] показано, что и последующая после предварительного отжига ТМагО двухкомпонентных сплавов может привести как к повышению демпфирующей способности (на рис. 1 сплав Fe-15,4%Cr), так и после относительно небольшого повышения к ее снижению (на рис. 1 сплавы Fe-4%Al, Fe-6%Al). Пример рис. 1 показывает, что демпфирующую способность сплавов, в которых основной механизм внутреннего трения - магнитомеханической природы, можно изменять за счет подбора режима термомагнитной обработки. Рис. 1. Влияние температуры ТМагО на максимум логарифмического декремента на его амплитудной зависимости сплавов Fe, предварительно отожженных при температуре 1200 ºC [25, 26] Целью работы является изучение влияния температуры термомагнитной обработки на демпфирующие, магнитные свойства и структуру сплавов Fe-Cr-Al. Материалы и методика эксперимента Материалами исследования являются сплавы Fe-Cr-Al с различным содержанием компонентов (табл. 1). По содержанию хрома исследуемые сплавы условно разбиты на три группы: 1 - сплавы с большим содержанием хрома (19,9%Cr); 2 - сплав со средним содержанием хрома (10,3%Cr); 3 - сплавы с относительно малым содержанием хрома (5,2%Cr). Сплавы подвергали предварительному двойному отжигу (см. работу [27]) при температурах 1150 и 850 °С. ТМагО осуществляли на установке, разработанной в ВятГУ [28], в вакууме при напряженности переменного магнитного поля Н = 4 А/см. Демпфирующие свойства (амплитудную зависимость внутреннего трения) определяли на обратном крутильном маятнике ВятГУ [29]. Размеры рабочей части образцов: диаметр 5 мм, длина 30 мм. Частота колебаний 20-25 Гц. В качестве основной характеристики использовали логарифмический декремент δ. Рентгеноструктурный анализ проводили с использованием установки дифрактометр Shimadzu XRD-7000. Коэрцитивную силу измеряли по методике, описанной в работе [30]. Результаты и их анализ Результаты раннее проведенных исследований показывают (см. рис. 1), что ТМагО сплава Fe-15,4%Cr при температурах выше 630 °C приводит Таблица 1 Химический состав сплавов, мас. % Сплав Cr Al C Остальные примеси (Si, Ni, Cu, P, S, Mn) Fe-5,2%Cr-2,7%Al 5,20 2,70 0,02 0,701 Fe-5,2%Cr-3,8%Al 5,20 3,80 0,02 0,723 Fe-10,3%Cr-0,45%Al 10,30 0,45 0,07 0,738 Fe-19,9%Cr-0,4%Al 19,90 0,40 0,05 0,761 Fe-19,9%Cr-1,8%Al 19,90 1,80 0,05 0,741 Рис. 2. Влияние температуры ТМагО на максимум логарифмического декремента на его амплитудной зависимости и ширину рентгеновской линии (211) α1 сплавов Fe-Cr-Al с различным содержанием Al: а - зависимость максимума логарифмического декремента от температуры ТМагО сплава Fe-19,9%Cr-0,4%Al; б - зависимость ширины рентгеновской линии (211) α1 от температуры ТМагО сплава Fe-19,9%Cr-0,4%Al; в - зависимость максимума логарифмического декремента от температуры ТМагО сплава Fe-19,9%Cr-1,8%Al; г - зависимость ширины рентгеновской линии (211) α1 от температуры ТМагО сплава Fe-19,9%Cr-1,8%Al Таблица 2 Влияние температуры ТМагО на коэрцитивную силу Hc (А/см) сплавов Fe-Cr-Al с различным содержанием Al Сплав Исходное состояние После ТМагО 700 °C После ТМагО 840 °C Fe-19,9%Cr-0,4%Al 335,6 302,8 321,3 Fe-19,9%Cr-1,8%Al 144,9 196,2 203,3 к существенному росту демпфирующей способности. В данном сплаве это может быть связано с рассасыванием при воздействии магнитного поля и достаточно высоких температур сегрегаций атомов хрома, которые образовались при предварительном отжиге и которые затрудняли перестройку доменной структуры при циклических колебаниях. ТМагО при температурах около 450 °C сплавов Fe-4%Al и Fe-6%Al немного повышает их демпфирующую способность, а дальнейшее увеличение температуры ТМагО ведет к ее снижению. Следует отметить, что в данных сплавах может протекать процесс выделения фазы типа Fe3Al, что, вероятно, и привело при воздействии указанного в работе [25] режима ТМагО к снижению демпфирующей способности этих сплавов выше 450 °C. Данные рис. 2 и табл. 2 позволяют проанализировать соответствие демпфирующей способности высокохромистых сплавов с характеристиками кристаллической структуры: шириной рентгеновской линии и коэрцитивной силой - при увеличении температуры ТМагО. Наилучшее соответствие демпфирующей способности наблюдается с коэрцитивной силой, являющейся характеристикой совершенства кристаллической структуры. Причем этот результат соответствует данным G.W. Smith и J.R. Birchak, приведенным в работе [31]: δm ~ 1/ Hc. Соответствие же демпфирующей способности с шириной рентгеновской линии неоднозначно, причиной чего является различное содержание Al. Анализ влияния химического состава на демпфирующую способность при ТМагО показывает, что высокохромистый с малым содержанием Al сплав Fe-19,9%Cr-0,4%Al обнаруживает схожую с двойным сплавом Fe-Cr зависимость, а высокохромистый с повышенным содержанием Al сплав Fe-19,9%Cr-1,8%Al - схожую с двойными сплавами Fe-Al зависимость (см. рис. 1, 2). Из рис. 3 видно, что сплавы с более низким содержанием хрома: Fe-5,2%Cr-2,7%Al и Fe-5,2%Cr-3,8%Al - имеют после предварительного отжига более высокую демпфирующую способность по сравнению с высокохромистыми сплавами, из-за меньшего содержания в них углерода (см. табл. 1), т.е. карбидов. Форма графиков зависимости δm = f (tТМагО) имеет сходство: для сплавов Fe-19,9%Cr-0,4%Al и Fe-5,2%Cr-2,7%Al в том, что имеется существенное повышение демпфирующей способности в интервале температур ТМагО 500-700 °C; для сплавов Fe-19,9%Cr-1,8%Al и Fe-5,2%Cr-3,8%Al в том, что имеется относительно небольшой максимум демпфирующей способности в области 400-500 °C. Для сплава с промежуточным содержанием хрома Fe-10,3%Cr-0,45%Al уровень демпфирующей способности на ее зависимости от температуры ТМагО относительно невысок (рис. 4), что объясняется повышенным содержанием в сплаве углерода (см. табл. 1), т.е. карбидов. По этой причине изменение демпфирующей способности в зависимости от температуры ТМагО незначительно, а изменение коэрцитивной силы при изменении температуры ТМагО находится в пределах ошибки эксперимента, т.е. пренебрежимо мало. Понижение демпфирующей способности выше температуры ТМагО 700 °C, как и для сплава Fe-19,9%Cr-0,4%Al (см. рис. 2), связано с образованием карбидов из-за повышенного содержания в этих сплавах углерода (см. табл. 1). Не исключено, что в понижение демпфирующей способности сплава Fe-10,3%Cr-0,45%Al вносит свой вклад и α«γ-превращение, протекающее при ТМагО 800 °C. В табл. 3 путем выборки из рис. 1-4 сведены данные о максимальных величинах демпфирующей способности на зависимости δm = f (tТМагО) и о соответствующих им температурах ТМагО для сплавов Fe с Cr, Al. Из табл. 3 видно, что для сплавов, в которых определяющую роль в формировании максимальной демпфирующей способности при ТМагО оказывает Al, температура, ей соответствующая, находится в пределах 400-500 °C (сплавы 2, 3, 5, 8). Для сплавов, в которых определяющую роль в формировании максимальной демпфирующей способности при ТМагО оказывает Cr, температура, ей соответствующая, находится в пределах 700-850 °C (сплавы 1, 4, 6, 7). Рис. 3. Влияние температуры ТМагО на максимум логарифмического декремента на его амплитудной зависимости сплавов Fe-Cr-Al с различным содержанием Al Рис. 4. Влияние температуры ТМагО на максимум логарифмического декремента на его амплитудной зависимости сплава Fe-10,3%Cr-0,45%Al Таблица 3 Максимальная демпфирующая способность на зависимости δm = f (tТМагО) и соответствующая ей температура ТМагО для сплавов Fe № п/п Сплав δm t, °C 1 Fe-15,4%Cr 0,42 850 2 Fe-4%Al 0,31 450 3 Fe-6%Al 0,47 450 4 Fe-5,2%Cr-2,7%Al 0,33 850 5 Fe-5,2%Cr-3,8%Al 0,25 500 6 Fe-10,3%Cr-0,45%Al 0,16 700 7 Fe-19,9%Cr-0,4%Al 0,47 700 8 Fe-19,9%Cr-1,8%Al 0,17 400 Величина внутреннего трения магнитомеханической природы в конечном итоге зависит от состояния магнитокристаллической структуры, в частности от величины зерен, магнитных доменов, плотности энергии доменных границ. Крупнодоменной структуре соответствует более высокое магнитомеханическое затухание, чем мелкодоменной, так как она более восприимчива к перестройке при циклических колебаниях [32, 33]. Величина магнитных доменов «способность доменной структуры к перестройке» при циклических колебаниях зависит от количества примесных фаз, например карбидов, дефектов кристаллической структуры, например границ зерен. Ввиду этого при анализе зависимости δm = f (tТМагО) для исследуемых сплавов необходимо учитывать следующее. Изменение температуры ТМагО сплава с углеродом может инициировать как образование, так и растворение карбидов. От содержания углерода в сплаве зависит уровень зависимости δm = f (tТМагО) по демпфирующей способности. Изменение температуры ТМагО сплава с повышенным содержанием хрома может инициировать как образование, так и растворение сегрегаций атомов хрома. Изменение температуры ТМагО сплава с повышенным содержанием алюминия может инициировать как образование, так и растворение фазы типа Fe3Al. В трехкомпонентных сплавах Fe-Cr-Al возможно наложение упомянутых процессов друг на друга. Необходимо также учитывать то, что перечисленным структурным процессам сопутствует изменение химического состава феррита, от чего зависит плотность энергии доменных границ. В заключение следует отметить, что для получения более всесторонних знаний о соответствии структурного состояния сплавов Fe-Cr-Al полученным результатам по влиянию режима термомагнитной обработки на демпфирующие и магнитные свойства необходимы дополнительные исследования. Выводы 1. Термомагнитная обработка сплавов Fe-Cr-Al может приводить как к повышению, так и к снижению их демпфирующей способности, что зависит от температуры термомагнитной обработки. 2. Максимальной демпфирующей способности при термомагнитной обработке для сплавов, в которых определяющую роль в ее формировании оказывает Cr, соответствуют температуры, находящиеся в пределах 700-850 °C, а для сплавов, в которых определяющую роль в ее формировании оказывает Al, - 400-500 °C. 3. При анализе демпфирующих и магнитных свойств сплавов Fe-Cr-Al, получаемых в результате термомагнитной обработки, необходимо учитывать процессы, влияющие на формирование магнитокристаллической структуры: процессы α«γ-превращения, образования и растворения карбидов, сегрегаций атомов хрома, фазы типа Fe3Al. Необходимо также учитывать возможность наложения упомянутых процессов друг на друга, что, в свою очередь, зависит от химического состава сплава.

About the authors

M. A Melchakov

Vyatka State University

A. I Scvortsov

Vyatka State University

References

Statistics

Views

Abstract - 72

PDF (Russian) - 37

Refbacks

• There are currently no refbacks.