金属丝特性对金属橡胶疲劳性能的影响

卢成壮， 李静媛， 周邦阳， 方 旭， 李 毅， 赫荣辉

(1. 北京科技大学 材料学院，北京 100083； 2. 中国核动力研究设计院，成都 610213)

现代工业的发展对减轻振动提出了越来越高的要求。例如航天发动机的外部导管常因为长时间的振动而断裂；在军用装甲车中，车体内部结构在发动机的振动下，长期处于较高的交变应力从而会发生疲劳引起机构或结构失效，造成等级事故[1]。因此，作为减振阻尼材料，金属橡胶被越来越多地采用。金属橡胶材料(Metal Rubber, MR)是一种弹性多孔阻尼材料，其制作工艺是先把金属丝缠绕成螺旋卷，将螺旋卷编制毛坯后经过冷冲压成型而制成[2]。由于金属丝作为原料，使其具有耐高温、高压、高真空、超低温的特点，且不易挥发、不怕辐射，选择特殊的金属丝还可以工作在苛刻的腐蚀环境中，并广泛应用于国防、航空航天等设备中[3-4]。目前，国内外对金属橡胶材料的力学性能、本构模型以及减振特性进行了大量研究。如李宇明等[5-6]提出的基于微弹簧组合变形的本构模型和基于变长度悬臂梁的金属橡胶材料本构模型，马艳红等[7-8]对薄型和环形金属橡胶刚度进行了详细试验研究，分析了不同结构参数下构件性能的变化规律。对于不同形状因子的金属橡胶，李宇燕等[9]分析研究了密度、厚度、材质等结构参数对刚度阻尼特性的影响。由于金属橡胶属于一种结构材料，又是非连续体孔隙材料，在一定的振动条件下随振动时间的增加，金属橡胶内部的金属丝会发生局部断裂破坏，使构件产生累积损伤[10-11]。虽然金属丝的局部断裂破坏不会立刻造成整体构件失效，但累积到一定程度之后就会影响金属橡胶的减振性能，常规的连续金属材料疲劳性能理论不能有效适用于金属橡胶材料，而研究其原材料不锈钢丝的性质对提高金属橡胶疲劳性能尤为重要。

目前对于金属橡胶原材料金属丝选择及其性质对金属橡胶疲劳性能影响方面的研究相对较少。本文针对两种不同不锈钢金属丝制备的金属橡胶，在加速振动测试后考察金属橡胶的动态平均刚度的变化，分析金属丝对疲劳性能的影响，为金属橡胶构件设计原材料的选择提供理论依据。

1 实验方法

实验用金属橡胶分别采用两种不同成分的冷拉拔态奥氏体不锈钢丝编织而成，金属丝分别用A (节镍高锰氮不锈钢)与B(304不锈钢[12])表示，金属丝直径均为0.3 mm，其化学成分及力学性能如表1所示。金属橡胶通过螺旋卷缠绕，毛坯制备，冲压成型等加工而成，尺寸为48 mm×48 mm×16 mm，密度均为2.3 g/cm3，样品如图1所示。

表1 实验用两种不锈钢丝的化学成分(wt %)及其力学性能Tab.1 Chemical composition and mechanical properties of the two experimental wires (wt %)

图1 两种材料制备的金属橡胶样件Fig.1 As-prepared metal rubber with two different materials

金属橡胶构件在实际服役条件下的疲劳寿命较长，因此本文采用了加速实验的测试方法，即提高加载载荷和振幅，以加速金属橡胶内部金属丝的摩擦和磨损、疲劳断裂。通过MTS250 kN动态材料测试系统，在预载荷10 kN、振动频率3 Hz、振幅1 mm和2 mm条件下振动30 min，并记录金属橡胶样件随振动时间的恢复力，并利用式(1)计算动态平均刚度。用分析天平FA1004称量疲劳振动前后重量，并计算质量损耗量。用Zeiss Auriga聚焦离子束场发射扫描双束电镜，对金属橡胶发生疲劳断裂的金属丝断口形貌进行了观察，并分析其断裂机理。

(1)

式中:Fmax，Fmin和x0分别为振动过程中最大恢复力、最小恢复力和振幅。

为考察金属橡胶原材料金属丝对其疲劳性能影响，对两种金属丝的原始状态进行了对比分析。用Leica DM2500光学显微镜对金属丝横截面显微组织进行了观察，用PPMS综合物性测量系统分别测量两种实验钢丝的磁导率，并用Bruker D8 Advance X射线衍射仪(XRD)进行金属丝物相分析。采用Tecnai G2 F20电镜观察金属丝微观形貌并进行物相衍射斑标定。

2 结果分析

2.1 金属橡胶试样疲劳性能对比

金属橡胶试样A、B经30 min加速疲劳振动之后，均出现不同程度的金属丝断裂、脱落现象，表2给出了构件振动前后质量变化情况。可以看出，在相同疲劳振幅条件下，试样A的失重小于试样B，即试样A中金属丝发生断裂脱落的数量少于试样B，试样A的耐疲劳振动性能更好。

表2 金属橡胶试样在疲劳振动前后的质量Tab.2 Weight of metal rubber samples before and after fatigue vibration g

图2两种金属橡胶试样在不同振幅下动态平均刚度K随时间的变化对比。可见: 金属橡胶试样A的K值在振幅1 mm时随振动时间先增大后出现稳定，而在振幅2 mm时，K随时间增加而降低；金属橡胶试样B的K均随着时间的增加而降低。其中对于振幅1 mm(见图2(a))，试样A 的K值在24 min后达到最大值23.91 kN·mm-1，30 min后，又降低至23.84 kN·mm-1，比峰值降低了0.3%，刚度趋于稳定；试样B的K值在15 min时达到峰值25.51 kN·mm-1， 30 min后，降至23.58 kN·mm-1，比峰值降低了7.6%。对于振幅2 mm(见图1(b))，出现了类似的变化，但因振幅加大，K的峰值出现的更早，之后下降的幅度加大。试样A的K在12 min后达到最大值30.72 kN·mm-1，30 min后降至23.84 kN·mm-1，与峰值降低了22.41%。试样B的刚度在振动6 min后即达到峰值22.99 kN·mm-1，振动30 min后降至13.62 kN·mm-1，比峰值降低了40.8%。

图2 两种金属橡胶试样在不同振幅下的刚度变化对比Fig.2 The comparison of stiffness change of two different metal rubber under different amplitude

2.2 金属丝疲劳断口分析

在疲劳振动试验时，金属橡胶试样承受正弦拉-压应力，而内部缠绕的金属丝受力情况非常复杂，其断口为拉伸、弯曲、扭转等多种应力综合作用的结果。本文的两个金属橡胶试样在疲劳振动后均发生了金属丝的断裂现象，其中试样B的碎裂比试样A更严重。通过扫描电镜对振幅2 mm时脱落的金属丝断口形貌进行了观察分析。

图3为试样A中金属丝的疲劳断口形貌。可以看出，断口分为两个区域，分别对应疲劳裂纹扩展区(Ⅰ区)和最后断裂区(Ⅱ区)。Ⅰ区域中凹凸不平的表面由被分割的、一个接一个的台阶组成。这种由大量台阶构成的弧形疲劳辉纹，其宽度有一定的差异，原因是裂纹在不同平面上扩展所导致的高度变化不同。从Ⅱ区域放大图可以看到大量的圆形或椭圆形的韧窝和空穴。韧窝的形成是因为疲劳试验预载荷及振幅较大，在金属丝最后断裂过程中，应力超过了材料的屈服强度，金属丝发生了塑性变形，显微空洞在塑性变形过程中，经形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后在断口表面形成坑状的韧窝。可判断其断口的类型为韧-脆混合断裂。

图3 试样A中金属丝的疲劳断口形貌Fig.3 Fatigue fracture morphology of metal wires in sample A

图4为试样B中金属丝的疲劳断口形貌。从图可以看出，断口分为三个区域，Ⅰ区域裂纹的扩展不连续，主要由撕裂棱组成，这是因为疲劳试验预载荷及振幅较大，裂纹之间产生较大的塑形变形，通过撕裂的方式连接成台阶，具有类似于准解理的特征。Ⅱ、Ⅲ区域都具有解理断裂的特征。Ⅱ区域的微观形貌呈类似舌状花样，这是因为本次试验所用的直径0.3 mm的不锈钢丝是经多道次冷拉拔工艺制成的，钢丝内部的夹杂物在拉拔过程中与界面脱离形成空洞。当裂纹扩展遇到孔洞时，前端的应力场松弛，裂纹扩展突然加快，形成舌状形貌；Ⅲ区域的微观形貌呈河流状花样，疲劳纹理具有台阶状，其原因是振动时试样内部金属丝承受多种应力，使不在一个平面上的解理裂纹在向前方扩展时，通过二次解理或与螺型位错相交时产生割阶而形成解理台阶，断口类型为脆性断裂。

图4 试样B中金属丝的疲劳断口形貌Fig.4 Fatigue fracture morphology of metal wires in sample B

2.3 金属丝磁性能分析

实验采用的是两种不同成分的奥氏体不锈钢丝，即在退火状态下其组织为奥氏体单相、呈现无磁性。然而对于亚稳态的奥氏体组织，在冷变形后容易诱发产生马氏体组织，具有铁磁性。为保证金属橡胶良好的减振性能，要求金属丝具有较高的强度和弹性模量，因此实验金属丝均为冷拉拔状态，为判断其相的构成，需进行磁性能测试。图5中实线为金属丝的磁化曲线。通过磁化率χ公式进行拟合计算，绘制磁化率曲线。

χ=M/H

(2)

式中:M为磁化强度；H为磁场强度。

通过计算得出试样A磁化率χ平均值为0.001 9， 相对磁导率μr=1+χ=1.001 9。 而试样B最小磁化率为0.138，最小相对磁导率为1.138。 试样A为顺磁性物质，显示无磁性。而B为有磁性的。磁性的大小主要由内部马氏体数量决定的，试样A的无磁性表明材料为奥氏体状态，而试样B中有一定数量的马氏体。

图5 两种金属丝的磁感应强度与磁场强度关系曲线Fig.5 Relationship between the magnetic induction intensity and magnetic field strength of two kinds of metal wires

2.4 金属丝的组织物相分析

图6为两种金属丝的横截面金相组织图。可以看出，两种钢丝的晶粒发生碎化，未呈现典型的六边形奥氏体晶粒形貌。在光学显微镜下仍表现为极其细密的奥氏体组织，其被侵蚀程度较深，另外还有少量高亮的未被侵蚀的原始奥氏体组织(见图6(a))。对于试样B，主要由板条状的马氏体和残余奥氏体组成，马氏体被侵蚀程度深，呈现黑色(马氏体先被浸蚀)；而奥氏体被侵蚀程度浅，呈现亮灰色(见图6(b))。出现上述结果的原因是金属丝在经冷拉拔工艺后，晶粒发生严重变形碎化，试样B钢丝中亚稳态奥氏体转变为马氏体，剩余少量的残余奥氏体，而试样A中添加稳定奥氏体的Mn与N元素，增加了奥氏体的稳定性，而无板条状的马氏体组织。

图6 不同金属丝的显微金相组织图Fig.6 Microstructure of different metal wires

图7为两种金属丝的物相XRD图，可以看出，试样A中的峰值晶面对应奥氏体γ晶面；而试样B中除了上述奥氏体γ晶面外，还出现了非常明显的(110)、(200)、(211)等铁素体α晶面峰。因此可判断出，试样A为单相奥氏体组织，试样B为奥氏体和马氏体组织。

图7 两种金属丝的XRD图谱Fig.7 XRD of two kinds of metal wires

图8是两种金属丝纵截面的TEM像，从图中可以看出奥氏体组织沿着拉拔方向被拉长，同时存在大量缠结的位错。从图8(a)所示其衍射斑点标定结果可以发现，试样A不锈钢钢丝内部为奥氏体单相组织，没有发现马氏体存在，其晶面指数分别是(111),(200),(311)，为面心立方结构，晶格常数为0.381 nm。而试样B中有部分形变孪晶和位错缠结的存在。对其衍射斑进行标定发现，晶格常数为0.312 nm，高于纯α-Fe的晶格常数(0.286 nm)，为转变的α′铁素体(马氏体)。

图8 金属丝纵截面的TEM像Fig.8 TEM images of metal wire longitudinal section

3 讨 论

金属橡胶疲劳振动过程中金属橡胶动态刚度K的变化与内部勾连结构的变化有关，在振动初期，材料内部以a类勾连结构为主，如图9(a)所示。这类结构金属丝之间的夹角接近90°，金属丝之间的接触载荷比较小，在承受载荷时，载荷方向接近金属丝滑动方向。随着振动时间的延长，金属丝之间夹角变小、咬合变紧密，逐步转化为b类勾连方式。此时载荷方向垂直于滑动方向，类似于金属丝之间的相互挤压，只有在较大的载荷下才能相对滑动，因此使得刚度K值增加，并逐步达到峰值。在随后的长时间振动过程中，金属丝之间不断摩擦、磨损而发生断裂，金属橡胶结构受到破坏，使得其承载性、减振性下降，刚度也逐渐降低。本实验中，材料A金属橡胶内部螺旋卷丝之间在a类勾连方式中发生滑动所需要的摩擦力小于B材料制备的金属橡胶，因此在振幅1 mm时，动态刚度的开始阶段出现A材料金属橡胶动态刚度小于B材料，在随后的加载过程中出现先增加后降低；而当在振幅2 mm时，金属橡胶内部丝线在振动过程中基本在b类勾连方式，材料A高硬度和弹性模量使金属橡胶开始振动时动态平均刚度均大于材料B的金属橡胶的动态刚度，并且随着时间的不断增加动态刚度逐渐降低。

图9 金属橡胶典型的勾连结构Fig.9 Typical hook structure of metal rubber

金属橡胶内部是金属丝螺旋卷线匝交错勾连形成的空间网状结构，不规则的空间分布可能受到了弯曲扭转剪切挤压等作用力，在循环载荷作用下，金属橡胶内部形成了许多以钢丝点接触为主要形式的微动摩擦副，高循环周次的微动摩擦不仅在钢丝表面形成了较严重的疲劳裂纹源，促使丝线表面微动疲劳裂纹的产生，并导致了钢丝断裂。疲劳裂纹的萌生主要取决于材料的强度，而裂纹的扩展则与材料的韧性有关，要想获得理想的微动接触疲劳性能，就需要材料同时具备高强度和良好的韧性。

金属橡胶疲劳性能中试样A明显优于试样B，并且金属丝的力学性能也优于B，试样A为单相奥氏体，而试样B为奥氏体和形变马氏体。奥氏体不锈钢的组织稳定与成分有很大关系，通常采用Md30/50计算[13]，即奥氏体不锈钢产生30%冷变形，并出现体积分数为50%马氏体组织时的变形温度，来预测及评价奥氏体组织稳定性。Md30/50值越低，则奥氏体组织稳定性越高。其计算公式为

Md30/50(℃)=413-9.5wNi-13.7wCr-8.1wMn-9.2wSi-18.5wMo-462×(wc+wN)

(3)

式中:w为元素的质量分数(无量纲，质量分数与系数相乘单位为℃)。

根据式(2)计算可得，试样A的Md30/50为-353.71 ℃，而试样B为27.8 ℃。这是因为试样A中Mn和N含量分别高达16.4%和0.6%，Mn和N都是奥氏体形成元素，其中N元素稳定奥氏体的能力大约是Ni的30倍，而1 wt%的N可使马氏体转变温度降低635 K，大约是Ni的25倍[14]。因此可以看出，试样A的奥氏体组织稳定性远高于试样B，经相同的冷拉拔变形后依然能够保持奥氏体单相组织，能维持良好的塑韧性，并提高了金属橡胶的疲劳强度。

4 结 论

本文通过对比实验分析了两种不锈钢金属丝特性对其制备的金属橡胶疲劳强度的影响，研究结果表明:

(1) 试样A的组织是单一奥氏体相，而试样B除了奥氏体相外，还存在形变马氏体相。稳定的奥氏体单相组织可明显提高金属橡胶的疲劳韧性。

(2) 两种不同金属丝制备的金属橡胶在振动过程中其动态平均刚度随时间先增加，然后开始衰减，而当振幅增加时，动态平均刚度随时间逐渐降低，强度高的金属丝A动态平均刚度增加较快并且随着时间增加衰减较慢，其动态平均刚度主要是内部螺旋卷丝的接触状态和材料的性质决定的。

(3) 金属橡胶的疲劳性能与材料的性质有关，由疲劳断口结果表明发生韧-脆混合断裂单相奥氏体组织有利于提高金属橡胶的疲劳强度，而发生脆性断裂的奥氏体和马氏体组织则降低金属橡胶的疲劳性能。

因此，材料性质对提高金属橡胶疲劳强度尤为关键，这为金属橡胶原材料金属丝的选择提供了参考，而高强度的单相奥氏体组织钢丝可以通过原材料金属丝的成分设计、冷拉拔形变工艺优化等获得。