Al含量和热处理对Fe-Al合金磁学-力学阻尼的影响

周正存，杜 洁，杨 洪，严勇健，顾苏怡

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

Al含量和热处理对Fe-Al合金磁学-力学阻尼的影响

周正存，杜 洁，杨 洪，严勇健，顾苏怡

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

用多功能内耗仪对Al含量以及热处理对Fe-Al合金磁学-力学阻尼性能的影响规律和机理进行研究，实验结果表明：Al含量10.5(at.)%的Fe-Al合金经空冷阻尼性能最佳，而经相同热处理的29(at.)%Al和38(at.)%Al合金阻尼性能较低。铸态和水淬的样品也显示出很低的阻尼性能.此外，热处理时的加热温度对阻尼性能也有重要影响，要获得高阻尼性能，合适的加热温度是必要的.与Fe-Cr-Al合金一样，Fe-Al合金的阻尼性能也随温度的升高，阻尼值下降。

Fe-Al合金；磁学-力学阻尼；Al含量；热处理

Fe-Al合金是一种铁磁性材料。铁磁材料的磁学-力学滞后阻尼产生于应力诱导的不可逆的磁畴壁的运动，在低频下，它是这类材料高阻尼的主要来源。这种阻尼最重要的特征是具有强烈的应变振幅效应并且对内应力很敏感，这些内应力是由晶界、位错、杂质、点缺陷和第二相等晶体缺陷产生的[1-8]。Smith和Birchak(S-B)根据应变振幅和内应力的统计分布提出了一个唯象模型[7]，用来描述这种阻尼性能。这个唯象模型包括两部分：一部分是在相当低的应变振幅条件下的阻尼公式；另一部分是在高应变振幅条件下的最大阻尼值公式；另一部分是在高应变振幅条件下的最大阻尼值公式。后一公式一直被广泛用来研究铁磁材料的阻尼性能[1-4，9-10]。Masumoto等[10]在很宽的Cr含量范围内研究了锻造的Fe-Cr合金的阻尼性能，对于在1 200 ℃保温1 h退火(5 ℃/min)的样品，发现最佳阻尼性能(68×10-3)出现在含15%Cr的合金中。Azcoïtia等[2]用高应变振幅公式研究了Fe-Cr合金中添加Mo和Al对其阻尼性能的作用。本研究将用S-B模型中的低应变公式，即：应变振幅效应，探讨Fe-Al合金的磁学-力学阻尼性能。与Fe-Cr-X(Al或Mo)一样，Fe-Al合金是另一种有发展前途的高阻尼材料。但与Fe-Cr合金相比，有关Fe-Al合金的磁学-力学阻尼的研究还很少，尤其是有关合金元素、加工条件、磁学性能等因素对这种合金阻尼性能的影响还少有报道。本研究重点考察Al含量、热处理工艺、磁性能等因素对Fe-Al合金的磁学-力学阻尼的影响，探索合金形成高阻尼的物理机制，为实际应用提供科学依据。

1 实验方法

样品用工业纯Fe和工业纯Al在真空感应电炉中熔炼，测量内耗的样品从铸坯上切取，尺寸为70×1.7×0.9 mm。为了获得不同的微观结构状态，对样品进行不同的热处理，在不同的温度下加热1 h，然后分别进行炉冷、空冷和水冷。

用内耗(Q-1)表征阻尼性能，在多功能内耗仪上用自由衰减和强迫振动方法测量。除此之外，还对样品进行了磁滞回线、显微硬度(Hv)、杨氏模量(E) 的测量。其中杨氏模量的测量在声频内耗仪上完成，磁滞回线在超导量子干涉仪上完成。

2 结果与讨论

2.1 阻尼对应变振幅的依赖性

2.1.1 Al含量的影响

空冷条件下，不同Al含量的Fe-Al合金的阻尼性能与应变振幅的关系见图1。由图1可看出，Fe-Al合金的阻尼性能表现明显的应变振幅依赖性，且这种应变振幅效应的强弱随Al含量呈非单调性地变化。

图1 不同Al含量空冷Fe-Al合金的阻尼与应变振幅的关系（自由衰减）

实验开始时，应变振幅效应随Al含量的增加而增加，到10.5(at.)%Al时，应变振幅效应最强。这种应变振幅效应与S-B模型所描述的规律一致。在低应变振幅条件下，磁学-力学滞后阻尼与应变振幅的线性关系[8]为

式中：K是无量纲的常数；λs是饱和磁致伸缩系数；E是杨氏模量；ε是应变振幅；σI是内应力。

由式(1)可以看出：应变振幅效应(SR)与λs、E成正比，与内应力σI成反比。由于σI起初也是随着Al含量的增加而快速增加[11]，因此SR随Al含量的增加是自然的。但是λs的最大值与SR的最大值所对应的Al含量是不同的，前者出现在17(at.)%Al附近[11]，这似乎与式(1)相矛盾。

E和Hv随Al含量的变化见图2。由图2可看出，E随Al含量的减小和σI随Al含量的增加导致了SR的降低。杨氏模量E随Al含量的增加而降低。这是因为当Al含量增加时，短程有序区的量增加，有序区和无序区的界面之间会产生微塑性变形，导致模量软化[11]。当Al含量达到29(at。)%时，其有序度不再随Al含量而增加，E几乎保持常量。

图2 杨氏模量(E)和硬度(Hv)随Al含量的变化

Al含量增加、显微硬度升高，表明内应力也增加[12]。实际上，替代式原子的引入将引起晶格畸变，使内应力增加，合金元素含量越高，内应力增加的幅度就越大[12]。当Al含量达到29(at.)%时，硬度不再明显增加也与有序度不再发生变化有关。因此，尽管17(at.)%Al的合金具有较大的λs，但其E值较小而内应力较大，所以其SR较小。

此外，Fe-Al合金的磁性随Al含量的增加而下降，直到26.8(at.)%Al时达到最小[13]。因此，29%Al和38%Al的Fe-Al合金表现出很小的应变振幅效应。

2.1.2 冷却方式的影响

不同冷却方式对10.5(at.)%Al合金应变振幅效应的影响见图3。与Fe-Cr-Al合金不同的是，空冷的Fe-Al合金样品显示出最强的应变振幅效应而非炉冷的样品。水淬和铸态样品显示出较弱的应变振幅效应。

由于铸态样品的内应力太大，因此，其SR很小。对于水淬的样品，由于其含有较多的180°磁畴，同时其内应力也较大，因此，其SR也较小，这种情况与Fe-Cr-Al合金相似[4]。

不仅可以由式(1)理解炉冷样品和空冷样品振幅效应的差别，也可用磁性能与磁学-力学滞后阻尼的关系来解释。依据文献[14]，磁学-力学滞后阻尼(φh)可表示为

图3 不同冷却方式的样品的阻尼与应变振幅的关系（自由衰减）

式中：α是系数；Ms是饱和磁化强度。

由式可看出，φh与Ms成反比。图4和图5分别显示了空冷和炉冷的10.5(at.)%Al样品的磁滞回线。很明显，空冷样品的饱和磁化强度比炉冷样品要小，由式(2)可以推算，空冷样品的阻尼比炉冷样品大。

图4 空冷样品的磁滞回线

图5 炉冷样品的磁滞回线

由图4和图5可以看出，空冷样品和炉冷样品的矫顽力相当，但两者达到磁饱和所需的磁场强度不同，空冷样品的磁饱和在较小的磁场强度下就能达到，而炉冷样品的磁饱和却需要较高的磁场强度。这样，炉冷样品的磁化过程可能以自发磁化矢量的转动为主，而空冷样品的磁化过程则可能以磁畴壁的不可逆移动为主。

2.1.3 加热温度的影响

空冷条件下，10.5(at.)%Al合金的阻尼与应变振幅的关系见图6。由图6可以看出，随加热温度的增加，应变振幅效应随之增强。由此可知，加热温度的提高不仅有利于显微组织和成分的均匀化、降低内应力，而且能增加饱和磁致伸缩系数(λs)，由式(1)可知，SR随之增大。可是，SR并不是单调地随加热温度的增加而增大。当加热温度超过900 ℃时，SR反而开始减小。这是因为过高的加热温度容易造成固溶体中杂质的富集，不利于阻尼性能的提高，这一情况与文献[14]和文献[15]所报道的情况类似。

图6 10.5 (at.)%Al合金从不同温度空冷时的阻尼与应变振幅的关系（自由衰减）

2.2 阻尼对温度的依赖性

磁学-力学滞后阻尼对温度的依赖关系见图7。由图7可以看出，阻尼随温度的增加而下降，到450 ℃时达到最低。这一特征与Fe-Cr-Al合金一致，其原因是随着温度的升高，样品的磁性逐渐减小并最终变为顺磁，导致由不可逆磁畴壁运动所产生的阻尼也随温度的增加而减小，这一趋势与磁性随温度变化相同，也与Fe-Cr-Al合金的阻尼特征相似[4]。

图7 磁学-力学滞后阻尼对温度的依赖性(强迫振动)

3 结论

Fe-Al合金的高阻尼性能来源于磁学-力学滞后阻尼，其主要特点是具有很强的应变振幅效应并随温度的升高而下降。Al含量和热处理对这种阻尼性能的影响非常大，要获得高阻尼性能，不仅要有合适的Al含量，而且要采用合适的热处理。冷却方式宜采用空冷，加热温度在900 ℃左右为最佳。这些因素对阻尼性能的影响是通过改变饱和磁致伸缩系数 、杨氏模量 、内应力 、磁性能以及磁畴结构等来实现的。

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(责任编辑：李 华)

The Influence of Al Content and Heat Treatment on Magneto-mechanical Hysteresis Damping of Fe-Al Alloys

ZHOU Zhengcun，DU Jie，YANG Hong，YAN Yongjian，GU Suyi
(School of Mechano-electrical Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

The influencing rules and mechanisms of Al content and heat treatment on the magneto-mechanical hysteresis damping of Fe-Al alloys are investigated in this paper using a functional internal friction apparatus. It shows that the air-cooled Fe-10.5 (at.%) Al alloy possesses the optimum damping capacity and the Fe-29(at.)%Al and Fe-38(at.) %Al alloys have lower damping than the Fe-10.5 (at.%) Al alloy with the same heat treatment. The as-cast and water-quenched Fe-Al alloys exhibit low damping capacity. In addition，the heat treatment temperature has an important effect on the damping capacity of the Fe-Al alloys. An appropriate heating temperature is necessary to obtain high damping capacity for Fe-Al alloys. Like Fe-Cr-Al alloys the damping capacity of Fe-Al alloys decreases when the heating temperature is rises.

Fe-Al alloys；magneto-mechanical hysteresis damping；Al contents；heat treatment

TG132.2

A

1008-5475(2017)01-0001-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.01.001

2016-11-30；

2016-12-16

江苏青蓝工程资助项目；江苏省高校科研成果产业化推进项目(JHZD2012-48)；苏州市科技计划资助项目(应用基础研究计划—工业部分)(SGZ2012058)；苏州市职业大学资助项目(2013SZDYJ05)

周正存(1962-)，男，安徽舒城人，教授，博士，主要从事内耗与高阻尼材料的研制研究。

周正存，杜 洁，杨 洪，等.Al含量和热处理对Fe-Al合金磁学-力学阻尼的影响[J].苏州市职业大学学报，2017，28(1)：1-4，15.