Fe含量对Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex合金阻尼性能的影响

黄 林，李金柳，李国超，郝江江，胥永刚

(西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，四川 成都 610031)



Fe含量对Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex合金阻尼性能的影响

黄 林，李金柳，李国超，郝江江，胥永刚

(西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，四川 成都 610031)

研究了Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex合金的阻尼性能的变化规律，借助X射线衍射仪分析了时效态合金的衍射图谱，并利用图解外推法分析计算了合金的晶格常数及Fe原子所引起的晶格畸变，采用光学显微镜观察其金相组织，借助多功能内耗仪分析了合金的阻尼性能及马氏体转变温度。结果表明，Fe元素的加入导致合金晶粒细化；且固溶的Fe原子引起的晶格畸变会增加调幅分解的阻力，阻碍富Mn区的形成，导致马氏体转变温度降低，阻尼性能下降。

Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex合金； 阻尼性能； Fe含量； 晶格畸变； 马氏体转变

1 引 言

随着近代工业高速发展，振动噪音问题日益突出，不仅对人们的身心健康有很大危害，而且还严重影响轨道交通和电子军事设备的服役稳定性与寿命[1-3]。因此，研发高阻尼合金对于解决减振降噪问题具有重要意义[4-5]。在各类阻尼材料中，Mn-Cu合金作为孪晶型阻尼合金，因其兼具有优良的阻尼性能与力学性能而被广泛应用[6-8]。

实用型中锰合金的Mn含量一般在40%～60%之间，添加Al和Fe等元素可提高合金的力学性能与加工性能。但其Ms点远低于室温，需要在亚稳互溶区内进行时效处理，使之发生调幅分解，形成富Mn区，进而在室温下获得高阻尼[9-10]。

微合金化对提高合金的机械性能有积极作用。苏桂桥等[11]认为Fe几乎完全固溶于Mn-Cu合金，能提高合金的强韧性。方正春等[12]认为，Fe能使合金细化，明显提高合金的冲击韧性。但是，针对Fe元素对合金相变过程的影响仍存在一定的争议。一些学者[13]认为，Fe元素可以成为应力诱发马氏体胚核，从而增加合金中大量的ε马氏体数量。同时Fe还可促进Mn合金的调幅分解，产生富Mn或贫Mn区，提高合金的减振性能。但苏贵桥[11]认为添加的Fe元素引起的过度晶格畸变会阻碍孪晶的运动，对阻尼性能有不利的影响。显然Fe元素在调幅分解中的行为及其对马氏体相变的影响还有待进一步研究和探讨。鉴于此，本文试图在Mn50.35Cu48.1Al1.55合金基础上，分析Fe含量对阻尼性能的影响规律，并探讨其对合金组织调幅分解和马氏体相变的影响机制。

2 实 验

实验以电解Mn(99.9%)、电解Cu(99.9%)、纯Al和纯Fe为原料，并通过ZG-25型真空中频感应电炉在氩气保护环境下获得铸锭，尺寸为φ100mm×200mm，成分(采用JSM-6490LV型SEM能谱仪区域扫描得到)见表1所示。铸锭经750℃、24h扩散退火后，锻造成20mm厚的板材并线切割成100mm×10mm×10mm的块状试样。利用SX2-10-13可控硅电炉对这些试样进行固溶处理及时效处理。阻尼性能测试试样采用线切割方法获得，其尺寸为φ1.5mm×80mm。

实验采用了多功能内耗仪分析合金的马氏体转变点(经220℃降温至20℃)与阻尼性能，执行标准为GB/T13665-2007。采用OLYMPUS显微镜分析了合金的微观组织。分析时，试样先进行机械抛光，再利用丙二醇、磷酸和酒精混合溶液电解抛光。电解抛光的阳极电流密度0.1～0.3A/cm2，抛光时间为10min。利用X.pertPro-MPD型X射线衍射仪对热处理态试

样进行物相结构分析。工作电压40V，加速电流40mA，衍射角(2θ)范围：30°～90°，Cu靶(λα=0.154598nm，λβ=0.139225nm)。

表1 合金的化学成分(质量百分数)

3 结果与分析

3.1 微观组织

图1是不同热加工状态下合金的微观组织。可见，时效态铸造组织仍旧保留了明显的树枝晶特征(图a)。而经均匀化与热锻处理，合金组织呈细小等轴晶粒形态(图b)。图(c，d，e)为不同Fe含量的试样相同的热处理状态的微观组织。可见，Fe元素含量越高，合金晶粒尺寸也越小。这与文献[12]报道相一致。这种变化很可能与一些含Fe的金属间化合物析出有关。这些析出物阻碍了回复再结晶晶粒的长大。

3.2 马氏体转变点

图2是上述三种固溶时效态合金相对模量与温度的关系曲线。可见，在降温过程中，合金相对模量的显著变化发生在20℃到150℃之间，并在某一温度出现极小值。文献[14-15]认为，这一极小值对应的温度相当于孪晶马氏体转变的开始温度(Ms点)，即Mn-Cu合金发生了由面心立方结构(fcc)向面心正方结构(fct)的组织转变。基于这一规律，1号和2号合金的Ms分别是66.5℃和41℃，而3号合金Ms温度则应低于20℃。上述现象表明，随Fe元素含量的增加，固溶时效态合金的马氏体转变温度逐渐降低，导致组织中马氏体量减少。但是，由于Mn-Cu合金的相变滞热效应，升温过程中存在的模量最低点与上述的Ms点并未重合。这一现象已被文献[16-17]所证实。

图2 相对弹性模量与温度关系图Fig.2 Relation between relative modulus and temperature

3.3 XRD图谱

为了进一步分析Fe含量变化对晶格常数的影响，实验采用了Cu靶的kα和kβ特征射线对三种固溶时效态合金进行了X射线衍射分析。图3是三种合金的XRD图谱。可见，合金主要由γ相构成，其对应的晶面衍射峰为(111)、(200)、(220)、(311)等。文献[14-15,18]认为，γ相在时效冷却过程中发生fcc-fct结构转变，导致(220)晶面衍射峰分裂为(220)fct和(202)fct两条特征衍射峰。而在我们的实验中，上述分裂现象并不明显(见图4)。但是与不含Fe的试样(1号试样)相比，2号和3号试样(111)晶面衍射峰相对强度较高而(220)晶面衍射峰相对强度较小。这表明1号合金形成的马氏体量较多，而2号和3号合金的马氏体量较少。这与1号合金Ms点较2号和3号高的变化规律相一致(图2)。

图3 Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex时效合金的XRD(30°～90°)图谱Fig.3 XRD patterns of Mn50.35-Cu(48.1-x)-Al1.55-Fex aged alloys

图4是图3中三种合金XRD图谱的局部放大图。可见，由于Fe含量的增加，(220)晶面的衍射角发生了右移现象。为揭示上述变化的规律，我们采用图解外推法对晶体晶格常数和畸变度进行了定量分析。以2#合金为例，将图3中的一系列晶面衍射峰对应的衍射角代入式(1)、(2)及(3)中，经过如图5所示的拟合计算，可依次得到晶格常数a及晶格畸变度ε。

图4 Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fex时效合金的XRD(62°～74°)图谱Fig.4 XRD (62°-74°) patterns of Mn50.35-Cu(48.1-x)-Al1.55-Fex aged alloys

2dsinθ=λ

(1)

图5 晶格常数的拟合曲线(2#合金)Fig.5 Fitting curve of lattice constant(the 2# alloy)

(2)

(3)

式中，d为晶面间距，θ为衍射角，λ为X射线波长，h、k、l为晶面参数，Δd为晶格畸变引起的晶面间距变化。

按照上述方法，三种合金的计算结果如表2。由表2可见，随着Fe含量的增加，晶格常数a值逐渐减小，而晶格畸变度也不断增加。文献[19]认为，溶质原子的富区与贫区之间浓度逐渐变化的梯度能与晶格畸变能决定了调幅分解发生的难易程度。因此，固溶的Fe元素引起的晶格畸变所产生的应变能，增加了合金调幅分解的阻力，延缓了富Mn区和富Cu区的形成，降低合金马氏体转变点温度(见图2)，并最终使合金组织的fcc-fct转变更加困难。

表2 合金的晶格常数与晶格畸变

3.4 阻尼性能

图6是三种时效态合金的阻尼性能变化曲线。可见，虽然三种合金的阻尼性能随应变的变化规律与以往的报道一致，但是Fe元素的增加导致了合金整体阻尼性能下降。以扭转应变幅值为1000×10-6的情况为例，3号比1号合金的内耗降低了53%。

图6 合金阻尼性能与扭转应变的关系Fig.6 Relation between damping capacity (tanφ) and torsional strain of the alloys

图7是三种合金阻尼性能随时效温度变化曲线(时效时间：1小时，扭转应变：1000×10-6)。可以看出，1号合金在时效温度为430℃时，阻尼值最高；而2号和3号合金则在460℃和480℃时阻尼才达到最高。根据调幅分解理论，时效温度越高，原子的扩散能力越强，发生富Mn区与富Cu区的偏聚越快[18]。在图7中，1号合金的阻尼峰值对应的时效温度明显低于2号和3号合金。这表明，Fe元素加入阻滞了调幅分解的进行，并导致了合金马氏体转变温度降低(见图2)，形成马氏体数量的减少，阻尼性能下降。

图7 合金阻尼性能与时效温度的关系Fig.7 Relation between damping capacity (tanφ) and aging temperature of the alloys

4 结 论

1.经固溶时效热处理合金， Fe元素含量越高，其晶粒尺寸越小。

2.合金的晶格常数随着固溶的Fe元素含量的增加而减小。由于晶格畸变度增加，调幅分解的应变能增加，从而阻碍富Mn区的形成。

3.Fe的加入延缓了合金时效过程中调幅分解进程，导致合金马氏体转变温度降低，形成马氏体的量减少，阻尼性能下降。

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Effect of Fe Content on Damping Capacity of Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55FexAlloys

HUANG Lin， LI Jinliu， LI Guochao， HAO Jiangjiang， XU Yonggang

(Key Laboratory of Adbanced Technologies of Materials, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The damping capacity of Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fexalloys and their martensitic transformation temperatures (Ms) were studied by the inverted torsion pendulum. The value of latticelattice constantconstant was calculated by graphical-extrapolation method. The lattice distortiondistortion due to Fe addition was also analyzed by XRD. The metallographicmetallographic structurestructure was observed by the optical microscope. The results show that the grains are finer by adding Fe in the alloys. The solid-dissolved Fe atoms cause the excessive lattice distortion which increase the resistance of spinodal decomposition, and retard the formation of rich-Mn area, resulting in the decrease of Ms and then the decrease of damping capacity.

Mn50.35Cu(48.1-x)Al1.55Fexalloys； damping capacity； Fe content； lattice distortion； Martensitic transformation

1673-2812(2017)02-0284-05

2015-11-24；

2016-01-18

国家自然科学基金资助项目(11172248)

黄 林(1991-)，硕士研究生。研究方向：阻尼合金。E-mail: 244350983@qq.com。

胥永刚，教授。E-mail: yonggang2002@163.com。

TG145

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.023