铁基阻尼合金的研究现状及发展趋势

王树森，赵刚，刘璇，李大航，周洪庆，高若涵（.海军驻鞍钢军事代表室，辽宁鞍山4009；.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山4009）



铁基阻尼合金的研究现状及发展趋势

王树森1，赵刚2，刘璇2，李大航2，周洪庆2，高若涵2
（1.海军驻鞍钢军事代表室，辽宁鞍山114009；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

摘要：铁基阻尼合金具有良好的阻尼性能、力学性能和加工性能，在船舶减振降噪中可发挥重要作用。对铁磁类、层错类、复相类铁基阻尼合金的阻尼性能和力学性能进行了介绍，分析了3类铁基阻尼合金的阻尼机理，并对铁基阻尼合金的发展趋势，尤其在舰船方向的应用进行了展望。

关键词：铁基阻尼合金；阻尼机理；发展趋势

王树森，硕士，工程师，2010年毕业于海军工程大学舰船材料专业。E-mail：446757808@qq.com

船舶噪音是影响船舶舒适性的重要因素。在船舶上通常采用多种手段进行减振降噪，如消声瓦、减振降噪橡胶、浮筏减振等多种方法，但是，由于木材、橡胶、塑料和高分子材料的强度和韧性不足，不能作为船舶的主体材料，其减振频率和使用温度受限，材料易于老化。而Mg-Al、Mn-Cu、Ni-Ti等阻尼合金具有较好的阻尼效果，但存在结构强度低、焊接性差、对温度敏感和加工性不足等问题。相比于前两类阻尼材料，铁基阻尼合金具有阻尼温度范围宽、阻尼性能好、力学性能良好、焊接加工性能好等多方面的优势，因此具有广阔的发展前景和应用范围。本文主要阐述铁基阻尼合金的研究现状和阻尼机理，并对铁基阻尼合金的发展趋势进行了展望。

1　铁基阻尼合金研究现状

铁基阻尼合金主要分为铁磁类阻尼合金、层错类阻尼合金和复相类阻尼合金。

1.1铁磁类阻尼合金

铁磁类阻尼合金主要依靠磁畴壁的不可逆移动产生磁致伸缩，将振动能转化为热能，如Fe-Cr系阻尼合金。由于钢中的第二相会阻碍磁畴壁的移动，在冶炼轧制中通过奥氏体化形成单一的晶粒，避免晶界、夹杂物、析出相影响磁畴壁移动，减小晶界的面积，增大晶粒尺寸。磁致伸缩除与铁基阻尼合金的内部组织和相有关外，还与钢的矫顽力、弹性模量变量有关，矫顽力阻碍磁致伸缩的进行，而弹性模量变量则与磁致伸缩的大小成正比。日本的Hakaru Masumoto等人对Fe-Cr阻尼合金的阻尼性能展开研究，研究不同含量的Cr对合金阻尼性能的影响。当Cr含量为15％时，经高温退火后得到最佳阻尼性能，阻尼值的另一个波峰出现在Cr含量为20％时，此时阻尼合金为淬火态，日本在Fe-12Cr钢的基础上研制成功了Silentalloy系列Fe-Cr-Al和Fe-Cr-Mo铁基阻尼合金［1-2］。美国海军研究院研发了Vacrosil-010阻尼合金，该阻尼合金具有优越的减振降噪特性，制造的舰艇齿轮箱基座可使噪声降低10dB［3］。瑞士的Ch.Azcoitia等人研究了Fe-Cr-Mo和Fe-Cr-Al阻尼合金的阻尼性能，优化了Mo、Al的添加量及热处理工艺。Ch.Azcoitia认为Fe-Cr系合金中加入一定量的Mo，能显著提高钢的阻尼性能，以2％～3％为最佳加入量，当加入量超过4％时，阻尼性能开始下降。这是由于Mo能提高磁畴壁移动能力，而磁畴壁的移动能力直接影响到钢的阻尼性能的优劣［4-5］。

1.2层错类阻尼合金

层错类阻尼合金主要通过层错滑移的弹性形变将振动能转化为内能，层错类阻尼合金应用较为广泛的是Fe-Mn阻尼合金。Fe-Mn阻尼合金的阻尼值低于Fe-Cr阻尼合金，但强度较高。如韩国的Seung-Han Baik对Fe-Mn阻尼合金进行了研究，当Mn含量为17％时，阻尼性能最好，δ可达0.15，并且此时阻尼合金具有良好的力学性能，抗拉强度可达700 MPa以上，伸长率也达到38％，进行噪声测试，相比铸铁降低噪声达5dB，具有明显的降噪效果［6-7］。日本的Takahiro Sawaguchi等人在此基础上研究了Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.5Nb阻尼合金的阻尼性能。通过形成的NbC颗粒促进马氏体转变，形成纳米级片状马氏体。其阻尼值受频率影响较大，在频率较低时（0.1Hz），阻尼性能较好，随温度变化在-30℃和220℃出现阻尼波峰，但是频率较高时（1Hz，10Hz），阻尼值较低，并且随温度变化不大［8］。四川大学于学勇等人对Fe-17.5Mn、Fe-14Mn-5Ni、Fe-14Mn-0.2C阻尼合金热处理工艺进行了优化，对比不同的热处理工艺，即炉冷、空冷、水冷对阻尼性能的影响，发现空冷后得到最佳的阻尼性能。并研究了热处理后进一步冷处理的作用，其阻尼值随冷处理温度的变化出现波峰，在-196℃冷处理时阻尼性能最好。其中Fe-14Mn-5Ni经800℃固溶，综合性能最好，对数衰减率δ高达0.115，抗拉强度达到650MPa，伸长率达到19％［9-10］。

1.3复相类阻尼合金

复相类阻尼合金一般存在着在2相或2相以上的组织，在循环应力的作用下，强度较高的基体相会发生弹性变形，强度较低的第二相发生塑性变形使振动能耗散。复相型阻尼合金的阻尼性能既与母相基体有关，又与第二相的形态存在密切的联系。如灰铸铁和其它复相类阻尼合金。灰铸铁由于在内部组织中存在石墨，通过石墨减振作用吸收能量，阻尼性能随应变幅的增大而提高，灰铸铁具有铸造简单、价格低廉和易于生产等特点，通常采用提高碳当量的方法获得高阻尼值。但是，由于铸铁及复相类阻尼合金强度不足，并且相比其他铁基阻尼合金，阻尼性能偏低，仅为Fe-Cr系铁基阻尼合金的1/3，甚至于更低。因此在铁基阻尼合金研究方面，发展较为缓慢。

2　铁基阻尼合金的阻尼机理

2.1铁磁类铁基阻尼合金机理

在铁磁类铁基阻尼合金中，原子通过相互作用产生磁矩，相同方向上的磁距排列起来形成磁畴。在周期应力的作用下，铁基阻尼合金中的磁畴边界会发生移动，使应力应变曲线上产生应变滞后于应力的现象，在循环外力作用下，产生内耗，形成阻尼效果［11］。铁磁类铁基阻尼合金的阻尼性能取决于磁畴边界数量和磁畴边界移动能力2个主要因素。该类铁基阻尼合金主要包括Fe-Cr系、Fe-Al系铁基阻尼合金等。铁磁类铁基阻尼合金的性能随应变幅的增大而迅速提高并在某一处达到极大值，然后呈下降趋势［12］。

2.2层错类铁基阻尼合金机理

Fe-Mn铁基阻尼合金的阻尼机理源于阻尼源界面的运动，主要包括四种界面：①ε/ε马氏体界面。②ε马氏体中的层错界面。③γ奥氏体中的层错界面。④γ/ε界面［12］。由于ε马氏体是密排六方结构，具有层错能低的特点，当振动方向与六边形方向垂直时，在应力的作用下位错线会克服杂质原子或空位的钉扎而进行运动，当外加应力很小时，弱钉扎点间的位错线沿应力方向变形，为弹性形变，当外加应力到达一个临界值时，变形的位错线摆脱钉扎，位错应变增加而应力保持不变，发生层错移动，当应力减小时，位错线重新回到原始位置被钉扎，在此过程中将振动能转化为内能，产生阻尼效果。

2.3复相类铁基阻尼合金的阻尼机理

复相类铁基阻尼合金一般存在着在2相或2相以上的组织，在循环应力的作用下，强度较高的基体相会发生弹性变形，较软的第二相发生塑性变形使振动能耗散。复相类铁基阻尼合金的阻尼性能既与基体有关，又与第二相的形态存在密切的联系。灰口铸铁就是具有这种阻尼机理的典型合金。灰铸铁在振动应力作用下，石墨片尖端周围的基体中，由于应力集中产生微塑性变形，消耗部分振动能，起着减小振动的阻尼作用。同时，由于基体的微塑性变形，使石墨片两侧附近的基体发生相对运动，带动石墨片内部层间粘滞性流动，使得数量不多的石墨片可以消耗较多的振动能而起到阻尼作用［13］。铸铁的阻尼作用是由基体微塑性变形和石墨片内部层间粘滞性流动引起的阻尼作用组成，这两部分阻尼作用是互相联系的。此外，其他复相铁基阻尼合金也具有复相阻尼机理。

3　铁基阻尼合金展望

由于在海洋上使用的特殊需求，铁基阻尼合金不仅需要具备良好的阻尼性能，而且需要具备良好的力学性能和耐海水腐蚀能力，满足舰船的强度要求，适应海洋环境的影响。同时，由于船舶建造技术的发展进步，铁基阻尼合金需要具备良好的焊接和冷加工性能工艺，以满足船舶建造设计要求。

3.1具备良好的阻尼效果和力学性能

随着现代冶金技术的发展，通过采取精炼技术降低铁基阻尼合金中的杂质含量，应用先进的轧制技术，适量添加合金元素，铁基阻尼合金的阻尼性能将得到大幅提高，同时铁基阻尼合金也将具备更好的力学性能，能进一步满足船舶建造的需求。

3.2具备较好的耐海水、大气腐蚀的性能

船舶的工作环境是海洋，海水是一种复杂的多种盐类的平衡溶液，具有较高的腐蚀性。铁基阻尼合金多用于设备基座、舱底等位置，这些部分湿度和盐度较高，处于干湿交替部分，易于腐蚀，同时设备检修更换难度大，因此铁基阻尼合金需要具备良好的耐蚀性，才能在船舶建造领域得到更好的应用。

3.3具备较好的焊接和加工性能

船舶是一个大型的焊接和加工结构件，焊接和加工是船舶建造必不可少的工艺。焊接过程是金属重新熔化、重新凝固的过程，它与通过精炼、轧制、热处理等的母材是完全不同的，通常焊缝获得的都是较粗大的组织结构，而母材是具有良好综合性能的调质组织，二者有较大差异。所以铁基阻尼合金必须具有良好的焊接和加工性能才能更好的在船舶建造中发挥重要作用。

4　结语

减振降噪是当前船舶的发展趋势，铁基阻尼合金可以在不改变船舶原有设计的基础上，显著降低船舶的振动和噪声，提高船舶的舒适度。未来，随着现代精炼技术的发展和铁基阻尼合金的开发研究，铁基阻尼合金的阻尼性能和综合性能将得到更好的提升，将在船舶减振降噪中发挥更为重要的作用。

参考文献

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［12］于学勇，李宁，胥用刚.固溶处理温度对Fe-14Mn-0.22C减振合金阻尼性能的影响［J］.四川大学学报（工程科学版），2003，35.

［13］林仁荣.Fe-Cr-Al基合金的阻尼性能［D］.沈阳：中国科学院金属研究所，2005.

（编辑袁晓青）

修回日期：2016-03-24

Research Status and Development Trend of Fe-based Damping Alloys

Wang Shusen1，Zhao Gang2，Liu Xuan2，Li Dahang2，Zhou Hongqing2，Gao Ruohan2
（1.Military Representative Office of PLA Navy in Angang，Anshan 114009，Liaoning，China；2.Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

Abstract:The Fe-based damping alloys have favorable damping capacity，mechanical property and processability，so they can play an important role in vibration and noise reduction for shipbuilding.The damping capacity and mechanical property of such Fe-based damping alloys as ferromagnetic type alloy，stacking fault type alloy and complex phase type alloy were introduced and then the damping mechanism of these three types of Fe-based damping alloys were analyzed.The development trend of Fe-based damping alloys was prospected，especially the application trend of the alloys onto the shipbuilding.

Key words:Fe-based damping alloys；damping mechanism；development trend

中图分类号：TG535

文献标识码：A

文章编号：1006-4613（2016）03-0011-04