金属橡胶力学特性的热处理工艺影响

刘宝龙 马艳红 张大义 洪 杰

(北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京100191)

金属橡胶是一种具有较强环境适用性的金属类功能性结构阻尼材料，由于具有类似橡胶阻尼材料的宏观力学性质，又是全金属制品而得名.与普通金属相比具有高弹性、高阻尼、低密度、孔隙度可控等优点并且易于根据结构设计的需要制成特定的形状;同时又具备普通橡胶阻尼材料所不具备的耐高低温特性.

金属橡胶完全由金属丝材制备而成，其制备工艺包含金属螺旋丝的卷制、编织以及模压成型等多道工序.在这些工艺过程中，金属橡胶内部的金属丝螺旋卷存在着弹塑性变形和残余应力，从而对金属橡胶的宏观力学性能(如金属橡胶构件的刚度、阻尼特性)产生影响.随着金属橡胶应用范围的拓宽，尤其在不同温度条件下的推广应用，这一影响日益受到研究者的关注［1－4］.

金属橡胶的宏观力学性能由其内部的金属丝螺旋卷组织结构决定:其刚度由金属丝螺旋卷自身的压缩变形以及金属丝螺旋卷间的相互挤压产生;阻尼由相互接触的金属丝螺旋卷间的干摩擦耗能产生［5－6］.金属丝螺旋卷作为金属橡胶微元体结构历经的工艺过程与弹簧具有相似性，借鉴弹簧的去应力退火工艺［7］对冷态模压后的金属橡胶进行热处理，有利于消除模压成型后的残余应力，稳定金属橡胶的组织和尺寸，并使其在高温条件下获得稳定的刚度和阻尼性能.

本文以GH4169丝材制备的金属橡胶为对象，通过试验对比研究了热处理工艺对金属橡胶在不同安装约束条件、不同工作温度时的刚度、阻尼特性的影响规律，为应用于高温环境的金属橡胶构件设计提供依据.

1 金属橡胶静态迟滞特性

金属橡胶构件受载时，内部金属丝螺旋卷之间产生相对滑动，接触表面具有很大的摩擦力.加载过程中，载荷P由螺旋卷的弹性力和摩擦力平衡，相当于减小了载荷的作用，摩擦力阻碍变形的增加，即增大了金属橡胶刚度.卸载过程中，摩擦力阻滞了螺旋卷的弹性变形的恢复，相当于减小了恢复作用力，使得金属橡胶的刚度减小.

如图1所示，金属橡胶构件在一个加载和卸载循环中的迟滞特性曲线为OMNO，如果不考虑摩擦力的作用，加载曲线与卸载曲线将重合为OC.从迟滞特性曲线可以看出，面积OMNO部分即为加载和卸载循环中由摩擦力转化为热能所消耗的功.

图1 金属橡胶阻尼材料的迟滞回线

图1中P1和P2分别为迟滞回线的加载曲线和卸载曲线;F为摩擦力;L为回线的中线;A为变形幅值;P为载荷;X为位移.

由迟滞回线可知:构件的平均刚度:

构件的损耗因子:

式中，ΔW为迟滞回线包围面积，表示单个加载-卸载循环内耗散的能量;U为回线中线与横轴围成的面积，表示变形过程中最大弹性势能.

2 金属橡胶准静态试验

为了对比研究去应力退火工艺对金属橡胶在常温和高温环境下工作时的刚度和阻尼性能，本文对热处理前后的金属橡胶进行20～500℃温度范围内的准静态试验，此外在试验中分别考虑金属橡胶自由状态和预紧安装两种初始安装条件的影响.

准静态试验在配装有保温箱的电子蠕变试验机上进行，如图2所示，加载速率为0.5 mm/min.保温箱的温度通过温控仪进行设置，实际温度通过热电偶测得.

图2 金属橡胶准静态试验系统

金属橡胶试验件工艺参数如表1所示，其中d，D，H分别为丝径、螺旋径和金属橡胶初始高度，ρ－为相对密度(即金属橡胶和金属丝材密度之比)，“Y”表示该试件经过热处理，“N”则表示未经过热处理.热处理工艺为去应力退火，具体为:高温炉内将试验件在1/6 h内由室温20℃加热到600℃，保持600℃恒温1h后空冷.试验件成型面截面尺寸均为20 mm×20 mm，高度如表1中所列.

表1 金属橡胶试验件工艺参数表

3 自由状态下的力学性能

自由状态是指金属橡胶试件在加载及非加载方向均无初始预压缩，从而保证试件在加载方向的压缩变形以及与其正交的横向变形均无约束.选用表1中1#和2#试验件进行自由状态下的力学性能试验，考核分别处于常温和高温工作环境中时，热处理工艺对自由状态下金属橡胶力学性能的影响规律.

3.1 常温环境力学性能

常温环境下的力学性能试验在室温为20℃条件下进行.如图3所示为1#，2#试验件常温环境下的刚度曲线，可见经过去应力退火处理的1#试验件，由于冷态成型工艺后金属丝材内部的残余应力在热处理中消除，进入屈服阶段的金属丝螺旋卷恢复到弹性阶段，因而其刚度明显大于未经退火处理的2#试验件.此外热处理后1#试验件刚度“硬特性”(即刚度随变形量增加而增大)也比2#试验件更显著，从而导致1#，2#试验件的刚度比K1/K2随变形量增大而增大，如图4所示.由图4可见变形为0.18 mm 时的 K1/K2约为1.6，当变形增大到1.8 mm时，K1/K2则增加到约2.6.

图3 1#，2#试验件常温刚度曲线(自由状态)

图4 1#，2#试验件刚度比(自由状态)

与之相反的是，热处理对于金属丝螺旋卷的干摩擦耗能影响很小，因此金属橡胶试验件的阻尼性能在热处理前后变化不大.以变形量为2 mm下的试验结果为例，1#，2#试验件的损耗因子分别为0.221和0.227，变化幅度仅3%，考虑到试验误差可以认为去应力退火对金属橡胶常温、自由状态下的损耗因子几乎没有影响.

3.2 高温环境力学性能

未经去应力退火处理的金属橡胶试验件在高温环境、自由状态下工作时，由于发生宏观几何尺寸的变化，导致其相对密度改变，因而不具备稳定的刚度和阻尼性能.因此高温环境下的力学性能试验选用表1中1#试验件进行，从室温20℃开始以100℃为间隔一直加热到500℃，对比其在不同温度下的刚度、阻尼性能.

如图5所示为1#试验件不同温度下的刚度曲线，可见经过去应力退火的1#金属橡胶试验件在变形量小于1 mm(即应变量小于5%)范围内具有稳定的刚度性能，工作温度对其影响很小可以忽略不计;在变形大于1 mm范围内，刚度随工作温度的升高而增大，说明工作温度对金属橡胶刚度的硬特性的影响较为明显.

图5 1#试验件不同温度下刚度曲线(自由状态)

图6 1#试验件不同工作温度下损耗因子(自由状态)

1#试验件在不同工作温度下的损耗因子如图6所示，可见损耗因子随温度升高略有减小，其中500℃时的损耗因子比室温时减小约7%;考虑到试验误差的影响，可以认为经过去应力退火处理的金属橡胶的阻尼性能几乎不随工作温度的变化而变化，意味着其在高温环境下工作时具有稳定的阻尼性能.

4 预压缩状态下的力学性能

金属橡胶在实际安装中往往具有一定的初始预压缩量以保证其在工作中具有稳定的刚度.为了研究热处理工艺对安装状态下金属橡胶力学性能的影响，选用3#和4#试验件在初始预压缩1mm条件下进行准静态试验.

4.1 常温环境力学性能

3#和4#试验件在常温下的刚度曲线如图7所示，可见在预压缩状态下4#试验件在准静态试验的变形范围内具有稳定的刚度，而经过去应力退火处理的3#试验件则表现出明显的刚度硬特性，从而导致3#，4#试验件的刚度比K3/K4随变形量增大而增大，变形为 0.18 mm时的 K3/K4约为2.3，当变形增大到1.8mm 时，K3/K4则增加到约4.5.对比自由状态下的试验结果可见，二者具有类似的规律.

图7 3#，4#试验件常温刚度曲线(预压缩状态)

去应力退火工艺对阻尼性能的影响很小.以变形量为2 mm下的试验结果为例，3#、4#试验件的损耗因子分别为0.213和0.227，考虑到试验误差可以认为去应力退火对金属橡胶常温、预压缩状态下的损耗因子没有影响.

4.2 高温环境力学性能

3#和4#试验件在初始预压缩1mm条件下，间隔100℃进行准静态试验得到的刚度曲线分别如图8、图9所示.由图8可见，对于经过去应力退火的3#试验件，在金属丝螺旋卷热膨胀受约束导致的内应力作用下，金属橡胶的刚度随着温度升高而增大;并且随着温度升高，金属橡胶试件在较大变形时的刚度硬特性增强，硬特性段增加.

对比未经去应力退火处理的4#试验件可见，其在不高于200℃的温度范围内，刚度几乎不随温度的升高而变化;当温度大于300℃后，刚度随温度升高而迅速增大，同时硬特性段增加.

由图10所示对应于2mm静态变形幅值时3#和4#金属橡胶试验件的损耗因子随温度变化曲线可见，经过去应力退火处理的3#试验件在高温环境下具备更稳定的阻尼性能，损耗因子基本保持在约0.21以上，变化幅度不超过10%;而未经去应力退火处理的4#试验件在温度高于300℃时的阻尼性能略有衰减，损耗因子从20℃时的0.21减小到500℃的0.19，但是变化幅度也不足10%.

图8 3#试验件不同温度下刚度曲线(预压缩状态)

图9 4#试验件不同温度下刚度曲线(预压缩状态)

图10 3#，4#试验件不同温度下损耗因子(预压缩状态)

5 结论

本文通过对比试验研究了去应力退火对GH4169丝材制备的金属橡胶在不同约束条件下的力学特性的影响规律，研究结果表明:①去应力退火对金属橡胶构件的刚度影响明显，而对阻尼几乎没有影响;②经过退火处理的金属橡胶构件，其刚度在自由状态下随温度的变化规律受变形影响:小变形时几乎不随温度改变，大变形(应变大于5%)时随温度升高而增大;在预压缩状态时，由于热膨胀内应力的作用，金属橡胶刚度随着温度的升高而增大;损耗因子在自由状态和预压缩状态均保持稳定，在20～500℃温度范围内的变化率不超过10%;③未经热处理的金属橡胶构件在工作温度高于200℃时，由于退火效应的出现，刚度明显增大并伴随阻尼性能衰减，如果处于自由状态则将同时发生成型方向高度的小幅增长.因此，应用于高温环境的金属橡胶阻尼构件为了获得稳定的力学性能，有必要进行合理的热处理.

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