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1、伊7 l 大弊伊7 l | 犬学 硕士学位论文题同g 丛：墨丛! 墨隍垦金全盟盟寇一一作者龚塑茎 完成日期2 迦2 生：且一塑旦一培养单位堕刖盘堂一指导教师奎主塾蕉专业丝盘垄! 三三堡研究方向挂鲎金全垦甚剑圣i 圭：盔授了学位日期一年月日四川大学硕士学位论文C u Z n A l 系阻尼合金的研究材料加工工程专业研究生龚勤慧指导教师李宁振动和噪音污染已经严重影响到人们的日常生活，引起了国内外学者对阻尼合金研究特别重视。目前对C u Z n A l 合金阻尼性能的研究远远没有对其形状记忆效应的研究深入和成熟。C u Z n A I 合金的形状记忆效应、力学性能及阻尼性能的好坏是决定其工业实用性的
2、关键指标。本文采用扫描电子显微镜( s E M ) 和倒扭摆( J N 1 型真空扭摆仪) 等方法，系统地研究合金化、热处理、预变形处理对合金阻尼性能、形状记忆效应及力学性能的影响，探讨了C u Z n A I 合金马氏体产生高阻尼特性的微观机制，并分析形状记忆效应与阻尼间的内在联系。实验结果表明，应变振幅较小时( 0 5 x 1 0 “ 1 0 1 0 p a ) 。在强迫振动下，这些方法通过测量应变与应力之间存在的相位差西，测量材料的阻尼性能。至于纵向法和扭转法，其测量频率可达4 0 k H z 。四川大学硕士学位论文目前推出的共振棒法测材料阻尼性能的仪器有两类：一类是由美国的D uP o
3、 n t仪器公司开发的动态力学分析仪( D M A ) 系列。该仪器采用单悬臂法测阻尼性能，测量的温度范围1 5 0 1 5 0 “ C ，频率范围2 8 5 H z ，振幅O 1 1 0 m m ，加热速率0 1 5 0 * C m i n 。另一类是动态力学热分析仪( D I V I T A ) 系列。该类仪器最初由英国树脂实验有限公司研制，后来由美国流变测量科技有限公司推出，目前已发展到D I V I T AI V 型。该仪器可运用单、双悬臂法和三点弯曲法测材料的阻尼性能，测量的温度范围为室温至5 0 0 “ C 或1 5 0 5 0 0 。C ( 当采用液氮冷却时) ，频率1 6 x
4、l O - 6 2 0 0 I - I z ，阻尼敏感度1 0 4 ，阻尼分辨率1 0 巧。运用这种仪器，可以很方便地获得t a n O 的频率谱、温度谱和振幅谱，并可同时改变频率和温度，从而模拟材料的工作状态。1 3 3 复合振荡器法复合振荡器法又称为超声波脉冲法，实质上是共振棒法中的纵向法、扭转法在超声频率的推广。待测试样( 典型尺寸6 5 m m x 3 m m x 3 m m ) 粘贴在石英上( 置于加热炉中) ，再先后通过其石英晶体侧粘贴到第二探测石英晶体上和第三驱动石英晶体上，组成一个四元复合振荡器。通过粘贴在驱动和探测晶体上的电极导线来施加驱动信号和获取采集信号。通常在自由振动衰
5、减、恒定振幅和共振峰频率等条件下进行。该法适用的频率范围为3 0 2 0 0 k H z 。在实际测量过程中，可根据材料内耗的大小、频率高低以及试样尺寸、形状等因素来选择适当的方法：内应力( 和应变) 较大时，可用测定滞后回线的方法求出试样振动一周所消耗的能量A W 与试样中所储蓄的振动能W 之比，即A W W 。目前可用的最小应变已达7 x lo - ，。当内耗较大时，可用强迫振动法直接测量应变落后于应力的相位差O 。这时所用频率f 必须小于振动系统的固有频率，一般选f 9 9 ) ，铝锭( 朋 9 9 ) ，锌锭( z n 9 8 ) ，C u - Z r 中间合金。将合金锭于8 2 0
6、箱式电炉中均匀处理2 3 个小时，随炉冷却，取出后车去外皮3 m m ，在8 0 0 左右将其挤压成直径0 1 4 m m 的圆棒。随后进行旋转制成0 3 5 m m 的棒。将棒冷拉成丝，在各次冷拉之间进行5 5 0 中间退火处理，可以消除加工硬化，提高塑性，有利于进一步冷拉变形。冷拉变形与退火处理过程重复进行多次，最后得到直径中1 2 1 4 m m 的丝材。最后一次拉伸变形后，不进行退火处理，保留冷加工态。试验合金经化学成分分析可知，铸锭的化学成分( 表2 1 ) 与设计值非常接近。表2 - 1 试验合金的化学成分( 科)编号合金C uZ nA 1Z r记忆锌当量1 7o l Z A 】6
7、 9 2 82 6 8 73 8 53 7 2 72 - 3C u Z n A I Z t6 9 9 72 5 6 54 3 80 2 23 7 4 8l 之C u Z n A I Z r6 9 1 72 7 0 43 6 2O 1 73 6 8 l根据参考文献【4 5 1 ，合金的记忆锌当量为( z n + 2 7 A 1 ) )2 2 试样的处理为了消除冷变形所带来的大量的内部亚结构缺陷，使尽可能多的a 相转变为B 相，同时也使试样在测试前记忆的形状为一根直线，必须进行固溶处理及后续熟处理。取不同试样在一定温度下固溶处理一定时间，将这些固溶处理样迅速淬入温水( 2 4 “ C 左右) 中，
8、然后于沸水( 9 7 9 9 “ C ) 中时效1 5 分钟。这种方式称为上淬。 本论文所做实验是把三种直径不同的丝剪成1 3 0 呦长，并校直。将校直的丝约束在钢管内于箱式电阻炉中分别在不同温度下保温1 5r a i n ，水淬，然后迅速四川大学硕士学位论文上淬于沸水中保温1 5m i n 。经过这样处理的丝材供试验使用。2 3 金相制备方法将不同状态的试样经砂纸打磨后，用5 0 2 胶分别粘贴于铁块上，再用W 5 0 、W 2 8 、W 1 4 、w 7 四道砂纸打磨后，用抛光膏在抛光机上机械抛光而成。制好的试样用腐蚀液5g - - - 氯化铁+ 1 5 m L 盐酸+ 6 0 m L 水
9、进行腐蚀。经酒精清洗后用P v I EO L Y M P U ST O K Y O 光学显微镜( 日本产) 和扫描电镜( s E M ) J S M - 5 9 0 0 L V 进行金相观察。2 4 相变点的测试图2 1 四点式直流电阻法测相变点示意图如图2 1 ，采用标准四点式直流电阻法测定热弹性马氏体相变点M 。、M r , A s 、A f ，所用的仪器装置和线路如图2 1 所示。试样置于双层容器中，内容器和外容器中装有水或酒精。试样温度用E U - 2 型热电偶( N i C r - N i S i ) 测定、用D T 8 9 0 数字万用表进行温度校定，T Y P E 8 0 3 6
10、 X - Y 函数记录仪器连续记录。供电回路中直流稳定电源提供一个2 A 的直流源，经5 6 f 2 自制电阻分压后供给试样，这样可以保护测试仪器。根据R = U I 公式，就可以准确地测出升降温时电阻的变化。所得U T 图如图2 2 所示。图中四个拐点分别对应h 缸、M r , A 。、A e 四川大学硕士学位论文7 广 喜6 5 吾6 营5l5 t 5 畦L_ - 妁相变温度( 。C )图2 2 试样的u - T 曲线!I- j为O其中 心表示由母相转变为马氏体的温度，M f 指马氏体相变完成( 几乎达到1 0 0 ( 体积) 马氏体的温度，丸表示马氏体经加热时开始逆转变为母相的温度，A
11、f 表示逆相变完成( 几乎形成1 0 0 母相) 的温度。2 5 形状记忆效应( S M E ) 的测试采用弯曲变形法测定合金的形状回复率1 1 。如图2 3 所示，于室温水中( 2 09 C左右) 将处理好的P 1 4 x 1 0 0 m m 试样和甲1 2 8 x 1 0 0 m m 试样在自制的模具上均匀弯曲变形1 8 0 0 。卸载后，记录下反弹角度O o ，然后置于9 8 “ C 左右的沸水中，再记录下回复角度O 。试样直径为d ，模具直径为D ( 2 0 m m 、3 0 m m 、4 0 m m ) ，则 预变形量为e = d D 。本实验的d 分别为1 4 蛐、1 2 8 t
12、o n i 、1 2 m m ，而D 为3 0 m m 。试样的形状回复率计算如下：q = ( O , - - 0 0 ) ( 1 8 0 o o ) 1 0 0 r 2 T 1 其中0 。越大，合金的超弹性越好；o s O o 越大，合金的S M E 越好。四川大学硕士学位论文图2 3 弯曲变形法测形状回复率示意图2 6 阻尼性能测试方法阻尼性能测试方法采取低频扭摆法。具体是采用葛氏倒扭摆仪1 测定合金的自由衰减曲线，根据自由衰减曲线算出对数衰减率，来表征合金的阻尼性能。2 6 1 倒扭摆仪测试系统图2 4J 卜1 型真空倒扭摆内耗仪四川大学硕士学位论文葛氏倒扭摆装置( 心一1 型真空倒扭摆
13、内耗仪) 如图2 4 所示，整个装置主要由加热炉、转动惯性系统、真空系统和振幅测试与记录系统四部分组成。而在本次实验测试时并不需要用到加热炉、真空系统，加热炉主要用于测试材料在不同温度下的阻尼性能，真空系统则可以减小空气流动带来的误差，提高测试的准确性。整个摆体放在真空室内，试样由上下两个带有四瓣夹芯的夹头夹持，上夹头与延长杆连接并引向钟罩，延长杆上装有横摆杆，动反射镜和阻尼杆架。整个摆体由一根细扁丝吊挂，吊丝跨过滑轮，另一端系着平衡重锤，这样被测样品可处于准自由状态。摆体的惯量可通过改变横摆杆长度和两端砝码重量调整，以改变摆杆振动频率，阻尼杆插在油杯中，可以有效地消除横向摆动。下夹头固定在一
14、个由三根薄壁不锈钢细管支持的托板上，以减少热传导。试样和上下夹头部分放在紫铜炉管中，炉管上绕着电炉丝，炉体外是一个双层不锈钢套筒，层间可抽真空或充以适当气氛，以便调节导热性。原位扭转形变通过台面旋扭进行，度盘上标有扭转角，它采用电磁方式激发扭转振动，横摆杆两壁上各装有一块磁铁，分别置于一对激磁线圈中间，当电流经激磁线圈时，固定在底座上的激磁线圈通过由前置放大、调相，低通、高通滤波器等组成的自激振动闭环控制仪产生交变磁场，磁场作用于横摆杆壁上的磁铁可使摆体部分( 横竖摆杆和样品) 以一定的频率和幅度自动扭摆起来。系统的扭摆过程是通过一套光电系统自动记录的。振动由一支四象限差分式光敏电阻( 硅光电
15、池) 接收，如图2 4 所示，光源通过狭缝提供的具有一定尺寸的方形光斑经透镜聚焦在竖摆杆上的动反射镜上后，又被动反射镜和定反射镜反射到光敏电阻( 硅光电池) 上。当系统处于静止或零点状态时，光斑位于光敏电阻( 硅光电池) 的中心位置。当系统扭摆起来以后，光敏电阻( 硅光电池) 上的光斑会因动反射镜随竖摆杆的左右摆动而左右摆动起来，光敏电阻( 硅光电池)上的光照面积在中心线两测交替地增大和减小，这样光敏电阻( 硅光电池) 就会产生一个与扭摆振动同步的周期性电压信号，其电压信号的幅值与光斑左右摆动的幅值成正比。该信号经前置放大和A D 转换后，由计算机自动采集并记录振动曲线或自由衰减曲线。当激发回
16、路被切断后，扭摆作自由衰减振动，计算机自动采集并记录自由 衰减曲线。通过采集自由衰减曲线上的振幅，就可以由( 2 1 ) 式6 = 坂；二L ) 计四川大学硕士学位论文算合金的阻尼性能。该内耗仪具有机构设计合理，功能多样，测量范围宽，精度高，测量迅速，操作简便等特点，并具有较好的抗外界振动干扰的能力，它可输出数百毫伏级的振动模拟信号，若配以通用仪表或记录仪即可实现内耗的半自动测量；若配以完善的数据采集系统和过程控制，即成为一台全自动内耗仪。测试样品一般为丝状样品，试样尺寸直径币= o 8 2 0 m l n | l = 8 0 1 5 0 m m ，当然还可以根据实际情况适当减小标距以增大切应变振幅，频率范围为O 5 5 H z ，试样切应变振幅为l o - 7 1 0 r 4 。试样测试温度范围为室温6 0 0
