配分热处理温度对ADI阻尼性能的影响

刘晓宇 王丽萍 郭二军 冯义成 伊鹏跃

摘 要：针对传统热处理工艺生产的奥贝球铁（ADI），其阻尼性能与高阻尼合金的标准还有一定的差距。采用两步法淬火-配分新型热处理工艺，对不同配分热处理温度下ADI的阻尼性能进行了系统的研究，试验结果表明：固定配分温度为360℃不变，应变振幅较低时，淬火温度为240℃时ADI的阻尼性能最佳；应变振幅较高时，淬火温度为260℃时ADI的阻尼性能最佳，内耗值Q-1>0.01，达到了高阻尼合金的标准；淬火温度为300℃时，存储模量最高，淬火温度为280℃时存储模量最低。固定淬火温度为280℃不变，配分温度为320℃时ADI的阻尼性能最佳，最高內耗值Q-1达到了0.017；配分温度为340℃时存储模量最高，配分温度为360℃时存储模量最低。

关键词：奥贝球铁；淬火温度；配分温度；阻尼性能；存储模量

DOI：10.15938/j.jhust.2018.02.022

中图分类号： TG156

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）02-0124-05

Abstract：In view of the traditional heat treatment process of austempered ductile iron（ADI）， the damping performance， there is still a gap to the standard of high damping alloy.Take the two-step method of quenching-partitioning heat treatment process， the damping properties of different partitioning heattreatment temperatures ADI were studied systematically， The experimental results showed that：Fixed partition temperature is 360 ℃，whenthe strain amplitude is lower，whenthe quenching temperature is 240℃，ADI has the best damping properties； When the strain amplitude is higher， whenthe quenching temperature is 260℃，ADIhas the best damping properties； internal friction valuesQ-1>0.01，reach the standard of the high damping alloy.when the quenching temperature is 280℃，ADIhasthe has the lowest storage modulus. Fixed partition temperature is 360℃，whenthe partitioning temperature is 320℃，ADI has the best damping properties. The highest internal friction values Q-1 reached to 0.017；When thepartitioning temperature is 360℃，ADI has the lowest storage modulus.

Keywords：austempered ductile iron； quenching temperature；partitioning temperature；damping properties； storage modulus

0 引 言

随着工业技术水平的不断发展，减振和降噪的方法和工艺的研究越来越迫切。在工业生产中，多数零件的故障都与振动和噪声有关，这种振动不仅会造成材料结构的破坏，影响机器各零件运行的平稳性，精度，灵敏度和寿命，与此同时振动产生的噪声，也是一种重大的污染[1-3]。奥贝球铁（austempered ductile iron，ADI）由于其特殊的组织特点，使其综合性能优于普通球铁[4]、可锻铸铁和铸钢；与此同时，也具有良好的降噪效果，使零件的寿命延长[5-9]。但是传统热处理工艺生产的ADI的阻尼性能水平距离高阻尼合金来说还有很大的差距，在不改变原料成分的前提下，调整热处理工艺是改变ADI组织和阻尼性能的重要手段[10-12]。因此，本文将两步法淬火-配分热处理工艺[13]应用于ADI的生产上，其基本特点如下：将球墨铸铁高温奥氏体化后，在贝氏体转变温度区间内，先进行短时的低温淬火，使铁素体快速形核，然后再高温配分热处理保温一段时间，促进碳原子从铁素体向周围奥氏体中分配，最终获得高碳、稳定的残余奥氏体以及细小、均匀的针状铁素体，获得比传统热处理生产工艺的ADI更优异的组织。

本文对不同配分热处理温度下ADI的阻尼性能进行了系统的研究和分析，旨在揭示配分热处理温度对ADI的阻尼性能的影响规律，优化出显著提升ADI阻尼性能的热处理生产工艺。

1 试验材料及试验方法

本试验选用本溪Q10生铁、45#碳素钢、75Si-Fe、锰铁、纯铜、稀土镁球化剂为原料，按目标成分（表1所示）进行配比。

采取的具体热处理工艺参数如表2所示。

采用GWJ-0.35型中频感应炉进行熔炼，1500～1550℃出炉，冲入依次铺有烘干后的球化剂、孕育剂和覆盖剂的浇包进行球化孕育处理，扒渣后进行二次孕育处理，待铁水温度降至1300～1350℃时浇入Y型试块（GB/T24733-2009）砂型中。清理切割后，选用材料为50%KNO3+50%NaNO3的外加热式盐浴炉进行淬火处理。

采用美国TA公司生产的DMA（Q800）动态机械分析仪进行阻尼性能测试，试样加工尺寸为45mm×10mm×1mm。其测试原理是：在强迫振动下，测量出应力与应变之间的位相差α，即损耗角α，材料的内耗值Q-1=tanα。金相组织观察采用的是OLYMPUS-GX71型金相显微镜。

2 试验结果

2.1 淬火温度对ADI阻尼性能及存储模量的影响

不同淬火温度下ADI的阻尼性能及存储模量分别见图1、2，由图1可见，ADI的阻尼值在较小应变振幅作用时表现为上下波動，当应变振幅达到一定值时ADI的阻尼值迅速上升，应变振幅继续增加，ADI的阻尼值趋于平缓。图1中的数据显示：当应变振幅介于0.005%～0.02%之间时，淬火温度为240℃的ADI的阻尼性能最佳；当应变振幅大于0.02%时，淬火温度为260℃时的ADI的阻尼性能最佳，内耗值Q-1>0.01，达到了高阻尼合金的标准[14]。

图2中数据显示：ADI的存储模量随着应变振幅的增加有所下降，直至平缓。不同的淬火温度对ADI存储模量的影响很大，淬火温度为280℃时，存储模量最低，淬火温度为300℃时，存储模量最高，因此，为了获得较好的阻尼性能及较中和的模量，淬火温度为260～280℃为宜，这样会使ADI零件有良好的阻尼减振性的同时刚性也不高，降噪良好，可以提高零件的寿命。

2.2 配分温度对ADI阻尼性能及存储模量的影响

图3、图4分别代表不同配分温度下ADI的阻尼性能及存储模量，图4中数据显示，随着应变振幅的增加，阻尼性能在小范围内波动后开始逐步上升，配分温度为320℃的ADI的阻尼性能明显优于其他工艺下的阻尼性能，最高内耗值达到了0.017，具有高阻尼合金的优良减振性，而其他工艺下ADI的阻尼性能之间差别不大。

不同配分温度下ADI的存储模量见图4，数据显示：各热处理工艺参数之间的存储模量差异较大，变化规律都是随着应变振幅的增加而降低，配分温度为360℃时存储模量最低。在实际ADI零件的生产时，可以与不同热处理工艺下的力学性能及阻尼性能结合分析后选择最优工艺。

3 讨论与分析

ADI的典型组织是球状石墨相与针状铁素体、残余奥氏体组成，属于复相型阻尼合金。从材料本身结构来说，ADI的阻尼来源有晶界阻尼、相界面阻尼和位错阻尼等。晶界阻尼是指在周期应力作用下晶界发生粘滞性滑动将机械能转化为热能，从而引起的振动能的消耗[15-17]。相界面阻尼来源于石墨相及基体组织间的界面在外加振动应力作用下的粘滞性滑动及微塑性变形[18]，振动时产生的阻尼行为消耗了能量。位错阻尼主要指在应力作用下基体中的位错弦的弓出或脱钉，由此引起应力松弛和机械振动能量的消耗[19]。

ADI的阻尼值在较小应变振幅作用时表现为上下波动，当应变振幅达到一定值时，ADI的阻尼值迅速上升，应变振幅继续增加，ADI的阻尼值最终趋于平缓。位错阻尼是产生此现象的一个重要因素，这可以用位错弦脱钉模型[20]来解释：当应变振幅较低时，基体中的位错只能在小区域的弱钉扎点之间作弓出运动，这时阻尼较低。当应变振幅较大时，位错脱开弱钉扎点的钉扎，作弓出运动的区域更大，应变振幅越大，脱离弱钉扎点的钉扎的位错越多，阻尼越高，进而阻尼随应变振幅的增大而增大。应变振幅继续升高到某一临界值后，位错线的最大脱钉应力小于位错对弱钉扎点的作用力，导致了所有位错线都脱离了弱钉扎点的钉扎，所以这时ADI的阻尼就基本不随应变振幅变化了。

在应变振幅较低时，淬火温度240℃时ADI的阻尼性能最好，应变振幅较高时，淬火温度260℃时ADI的阻尼性能最好。这是因为淬火温度较低时，奥氏体向铁素体转变的相变驱动力大，铁素体形核所需的临界晶核半径小，形核数目随之增多，致使铁素体组织细化呈针状（如图5（a）所示），增加了晶粒间的接触面积，晶粒间的粘滞性滑动作用较强，晶界阻尼行为增强，从而240℃～260℃的阻尼性能较好。随着温度的提升，虽然碳的扩散能力增强，但此时奥氏体向铁素体转变的相变驱动力却减小，铁素体形核所需的临界晶核半径增大，形核数目随之减少，造成组织的粗化[21]（如图5（c）所示），降低了晶粒间及相间的接触面积，粘滞性滑动行为减弱，振动时基体的微塑性变形作用也随之降低，从而导致材料的阻尼减振性降低。淬火温度为280℃时，存储模量最低，并且针状铁素体组织较细，残余奥氏体的分布较均匀（如图5（b）所示）。

配分温度为320℃时ADI的阻尼性能明显优于其他工艺下的阻尼性能。这是因为在320～360℃配分保温时，温度较淬火时有所升高，碳原子的扩散速度增加，就会在较短的时间内使铁素体中的碳分配到奥氏体中，使奥氏体中的碳含量增加并且均匀化，形成稳定的残余奥氏体[22]，并且针状铁素体组织较细，形态没有明显的变化（如图6（a）、（b）所示），晶粒间及相间的接触面积较大，振动时粘滞性滑动行为及微塑性变形作用较强，故此时阻尼减振性较好。但是配分温度达到400℃时，温度过高导致针状铁素体组织开始粗化，呈粗松针状析出（如图6（c）所示），并且局部出现分布不均的奥氏体。过高的配分温度导致的组织粗大，会严重影响ADI的各种性能指标，并且晶粒间及相间的接触面积减少了，减弱了振动时晶粒间及相间的粘滞性滑动阻尼行为及基体的微塑性变形，从而导致阻尼减振性降低。配分温度为360℃时储能模量最低，并且针状铁素体组织较细、残余奥氏体分布均匀（如图6（b）中所示）。

4 结 论

1）当应变振幅介于0.005%～0.02%之间时，淬火温度为240℃的ADI阻尼性能最佳；当应变振幅大于0.02%时，淬火温度为260℃时的ADI阻尼性能最佳，内耗值Q-1>0.01，达到了高阻尼合金的标准。淬火温度为300℃时，存储模量最高，淬火温度为280℃时，存储模量最低。

2）配分温度为320℃的ADI的阻尼性能最佳，最高内耗值Q-1达到了0.017；其他工艺下的阻尼性能差别不大。配分温度为340℃时存储模量最高，配分温度为360℃时存储模量最低。

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（编辑：关 毅）