CC BY
5
УДК 669.745 3.018
Doi: 10.31772/2712-8970-2022-23-4-756-762
Для цитирования: Наумов С. Б., Гиннэ С. В. О влиянии циркония на демпфирующую способность сплава Mn - 40 % Cu в области амплитудно-независимого демпфирования // Сибирский аэрокосмический журнал. 2022. Т. 23, № 4. С. 756-762. Doi: 10.31772/2712-8970-2022-23-4-756-762.
For citation: Naumov S. B., Ginne S. V. [About the influence of zirconium on the damping capacity of Mn -40 % Cu alloy in the field of amplitude-independent damping]. Siberian Aerospace Journal. 2022, Vol. 23, No. 4, P. 756-762. Doi: 10.31772/2712-8970-2022-23-4-756-762.
О влиянии циркония на демпфирующую способность сплава Mn - 40 % Cu в области амплитудно-независимого демпфирования
С. Б. Наумов, С. В. Гиннэ
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
Приведены результаты исследования демпфирующей способности марганцевомедных сплавов на основе сплава Mn - 40 % Cu с добавками (0,5-1,5) % циркония в области амплитудно-независимого демпфирования. Сплавы на основе Mn - Cu, обладающие высокой демпфирующей способностью, могут эффективно использоваться для уменьшения вибрации и шума. Исследований о влиянии ряда легирующих элементов на величину и стабильность демпфирующей способности двойных сплавов Mn - Cu в области малых деформаций относительного сдвига недостаточно. В настоящей работе было осуществлено выяснение влияния одного из таких элементов - циркония. Марганцевомедные сплавы выплавляли в индукционной печи. Из слитков, отлитых в чугунные изложницы, механической обработкой резанием получали образцы для исследований размерами (11 х 15 х 117) ± 1 мм. Образцы подвергали старению при температуре 643 К в течение 0,5-40 ч. Изучали демпфирующую способность (логарифмический декремент затухания колебаний) при продольных колебаниях образцов в диапазоне частот 14-17 кГц и амплитудах относительного сдвига (1 ... 3) ■ 10-6. Установлено, что легирование сплава Mn - 40 % Cu цирконием от 0,5 до 1,5 % не повышает его демпфирующую способность в литом состоянии, а также в литом и состаренном при температуре 643 К в течение 40 часов состоянии. Выявлено, что минимальные значения частот резонансных колебаний образцов марганцевомедных сплавов предшествуют максимальным уровням демпфирующей способности этих сплавов. Показано, что высокая демпфирующая способность литых и состаренных при 643 К в течение 40 ч сплавов Mn - 40 % Cu, Mn - 38,5-39,5 % Cu - 0,51,5 % Zr после естественного старения при 293 К в течение 7месяцев снижается в 2,0-2,6раза.
Ключевые слова: демпфирование, демпфирующая способность, сплавы на основе Mn - Cu.
About the influence of zirconium on the damping capacity of Mn - 40 % Cu alloy in the field of amplitude-independent damping
S. B. Naumov, S. V. Ginne*
2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The results of a study of the damping capacity of manganese-copper alloys based on the Mn - 40 % Cu alloy with additives (0,5 ... 1,5) % zirconium in the field of amplitude-independent damping are presented. Mn - Cu alloys with high damping capacity can be effectively used to reduce vibration and noise. Studies on the influence of a number of alloying elements on the magnitude and stability of the damping capacity of Mn - Cu double alloys in the field of small deformations of relative shear are not enough. In the article, the influence of one of these elements, zirconium, was elucidated. Mn - Cu alloys were smelted in an induction furnace. From the ingots cast into cast iron molds, samples for studies with dimensions (11 x 15 x 117) ± 1 mm were obtained by mechanical cutting. The samples were subjected to aging at a temperature of643 K for (0,5 ... 40) hours. The damping capacity of Mn - Cu alloys (the logarithmic decrement of attenuation of oscillations) was studied for longitudinal oscillations of samples in the frequency range (14 ... 17) kHz and the amplitudes of the relative shift (1 ... 3) x 10-6. It has been established that alloying the Mn - 40 % Cu alloy with zirconium from 0,5 % to 1,5 % does not increase its damping capacity in the cast state, as well as in the cast and aged at a temperature of 643 K for 40 hours. It was found that the minimum values of the frequencies of resonant vibrations of samples of Mn - Cu alloys correspond to the maximum levels of the damping capacity of these alloys. It's shown that the high damping capacity of cast and aged alloys at 643 K for 40 hours Mn - 40 % Cu, Mn - (38,5 ... 39,5) % Cu - (0,5 ... 1,5) % Zr after natural aging at 293 K for 7 months decreases by (2,0 ... 2,6) times.
Keywords: damping, damping capacity, Mn - Cu alloys.
Введение
Современная промышленность производит и использует механизмы и машины, характеризующиеся высокими скоростями перемещения. При этом возникают вибрации и шумы, которые понижают надёжность работы оборудования и конструкций, ухудшают условия труда [13]. В работе [4] рассматриваются причины возникновения вибраций в электронасосном агрегате космического аппарата и предлагается одним из способов её снижения использование материалов высокого демпфирования. На ракетно-космическом заводе ФГУП «ГКНПц им. М. В. Хруничева» в нескольких цехах отмечается превышение ПДУ по уровням шума на 12-33 дБА и вибрации на 4-8 дБА, что создаётся работой стационарного прессового, кузнечного, клепального, сверлильно-фрезерного станочного оборудования и ручными пневмодрелями, пневмоско-бами, пневмошлифовальными машинками [5].
Для защиты от шумов и вибраций широкое применение находят сплавы высокого демпфирования. Сплавы высокого демпфирования на основе Mn - Cu эффективно рассеивают вибрации и шумы при малых (порядка 10"8-10"6 относительной деформации) и значительных (порядка 10-10"3 относительной деформации) амплитудах деформации, имеют хорошие механические свойства и удовлетворительную технологичность. Полагают, что демпфирующая способность сплавов на основе Mn - Cu при малых амплитудах деформации (области амплитудо-независимого демпфирования) обусловлена внутренними напряжениями, вызванными дефектами кристаллического строения, а при значительных амплитудах деформации движением двойников мартенситной гранецентрированной тетрагональной (ГЦТ) фазы, полученной в результате мартенситного ГЦК - ГЦТ превращения [6; 7]. Однако высокая демпфирующая способность сплавов на основе Mn - Cu, полученная оптимальной термообработкой, существенно уменьшается после естественного старения при температуре 293 К при малых и значительных амплитудах деформаций относительного сдвига [7-10].
Эффективным способом, улучшающим физико-механические свойства сплавов, является их легирование [11; 12]. В этой связи целью настоящей работы является исследование влияния 0,5-1,5 % циркония на демпфирующую способность двойного сплава Mn - 40 % Cu в литом состоянии, после литья и старения при температуре 643 К в течение 40 ч, естественного старения при 293 К в течение 7 месяцев.
Методика эксперимента
С целью выяснения влияния легирования цирконием на демпфирующую способность базового сплава Мп - 40 % Си были взяты его концентрации от 0,5 до 1,5 %. В таблице приведён состав исследуемых сплавов на основе сплава Мп - 40 % Си.
Состав сплавов на основе Мп - Си
Сплав Химический состав по шихте (%, по массе)
Мп Си гг
1 60 40 -
2 60 39,5 0,5
3 60 39,3 0,7
4 60 39,0 1,0
5 60 38,8 1,2
6 60 38,5 1,5
В качестве шихтового материала использовали электролитический марганец Мр0 и Мр1, катодную медь М0, цирконий в медной лигатуре Си - 30 % гг. Марганцевомедные сплавы выплавляли в индукционной печи под слоем криолита. Разливку расплава проводили с температур 1673-1723 К сверху в плоские чугунные изложницы, подогретые до температур 423-473 К и смазанные канифолью. Слитки массой 5 кг фрезеровали и разрезали на образцы размерами (11 х 15 х 117) ± 1 мм. Образцы подвергали старению в муфельной печи при температуре 643 К в течение 0,5-40 ч.
Демпфирующую способность (логарифмический декремент затухания колебаний) изучали при продольных колебаниях образцов на установке «Эластомат» в диапазоне частот 14-17 кГц и амплитуд относительного сдвига 1-3 • 10-6. Относительное рассеяние у (затухание) определяли по формуле (1):
у = 25-100 %, (1)
где 5 - логарифмический декремент.
Ошибка измерения указанным методом составляла 2-4 %.
На рис. 1 представлены зависимости демпфирующей способности двойного сплава Мп - 40 % Си и сплавов на его основе, легированных 0,5-1,5 % циркония после литья в чугунные изложницы, старения при температуре 643 К в течение 0,5-40 ч и охлаждения на воздухе. Видно, что двойной сплав Мп - 40 % Си в литом состоянии имеет больший уровень демпфирующей способности (у = 3,2 %), чем сплавы, содержащие цирконий (у = 2,2-2,7 %).
Старение исследуемых сплавов при 643 К в течение 0,5-1,0 ч повышает их демпфирующую способность до 3-4 %. При этом наибольший уровень демпфирования (у = 4 %) показывает двойной сплав Мп - 40 % Си. После старения при 673 К в течение 2-2,5 ч в данном сплаве происходит некоторое снижение демпфирующей способности до у = 3-3,5 %. При этой же выдержке в легированных цирконием сплавах уровень демпфирования сохраняется таким же, каким был получен после 0,5-1,0 ч выдержки при 643 К. Последующие выдержки при 643 К до 4,5-12 ч снижают уровень демпфирующей способности в сплавах, легированных цирконием.
Дальнейшее старение при 643 К свыше 12,5 ч повышает уровень демпфирующей способности сплава Мп - 40 % Си до у = 4,7 % и сплавов с 0,5, 0,8 и 1 % циркония до у = 3,9 %, у = 4,2 % и у = 3,8 % соответственно. Старение при 643 К в течение 40 ч вызывает снижение демпфирующей способности сплава Мп - 40 % Си, сплавов с 0,5, 0,8 и 1,2 % циркония. В то же время старение сплавов с 1 и 1,5 % циркония при 643 К в течение 12,5-40 ч не приводит к снижению ранее достигнутого уровня демпфирующей способности (у = 3,7 %).
На рис. 2 представлены изменения частот резонансных колебаний литых сплавов Мп - 40 % Си, Мп - 38,5-39,5 % Си - 0,5-1,5 % гг. Из рис. 2 видно, что старение сплавов на основе Мп -40 % Си при 643 К в течение 0,5-40 ч приводит сначала к некоторому снижению резонансных
частот колебаний, а затем к их повышению. При этом минимальные значения частот резонансных колебаний у всех сплавов на основе Мп - Си наблюдаются после 16 ч старения при 643 К.
Рис. 1. Зависимости демпфирующей способности, у, литых сплавов Mn - Cu от времени старения, т, при температуре 643 К
Fig. 1. Dependences of the damping capacity, у, of the cast Mn - Cu alloys on the aging time, т, at a temperature of 643 K
Рис. 2. Изменение частоты резонансных колебаний, f, литых сплавов Mn - Cu от времени старения, т, при температуре 643 К
Fig. 2. Change of the frequency of resonant oscillations, f, of the cast Mn - Cu alloys on the aging time, т, at a temperature of 643 K
На рис. 3 представлены зависимости изменения демпфирующей способности исследуемых сплавов на основе сплава Мп - 40 % Си при естественном старении на протяжении 7 месяцев. Рис. 3 показывает, что демпфирующая способность литых и состаренных при 643 К в течение 40 ч сплавов снижается при естественном старении на протяжении 7 месяцев в 2-2,6 раза.
Рис. 3. Изменение демпфирующей способности, у, сплавов Mn - Cu, литых и состаренных при 643 К в течение 40 ч, при естественном старении, т
Fig. 3. Change of the damping capacity, у, of the Mn - Cu alloys, which were cast and aged at 643 K within 40 hours, at natural aging, т
Результаты исследований
Проведённое исследование выявило, что сплавы Мп - 40 % Си, Мп - 38,5-39,5 % Си - 0,51,5 % гг, отлитые в чугунные изложницы и затем состаренные при температуре 643 К в течение 0,5-40 ч, показывают разные величины демпфирующей способности. Больший уровень демпфирующей способности у = 4-4,7 % получен в литых сплавах, состаренных при температуре 643 К. Демпфирующая способность литых сплавов составила у = 2,2-2,7 %. Наблюдается тенденция в уровне демпфирующей способности марганцевомедных сплавов, которая, очевидно, связана с тем, что при охлаждении этих сплавов в чугунных изложницах задерживается расслоение у-твёрдого раствора Мп - Си на области, обогащённые и обеднённые марганцем, что в дальнейшем приводит к образованию мартенситной ГЦТ фазы, ответственной за высокое демпфирование в сплавах на основе Мп - Си [6; 7]. Старение литых сплавов на основе сплава Мп - 40 % Си при 643 К приводит к большей степени расслоения у-твёрдого раствора Мп - Си и соответственно в итоге к большему уровню демпфирующей способности.
Зависимости изменения демпфирующей способности литых сплавов Мп - 40 % Си, Мп -38,5-39,5 % Си - 0,5-1,5 % гг от времени старения при температуре 643 К (рис. 1) показывают прерывистое (не монотонное) повышение уровня демпфирующей способности. Некоторое снижение демпфирующей способности после 0,5 ч, нескольких часов старения при 643 К не связано с «перестариванием», а, видимо, является следствием неоднородности исследуемых образцов, что характерно для литого состояния сплавов на основе Мп - Си [7].
Известно, что частота колебаний связана с модулем нормальной упругости, минимум которого в сплавах на основе Мп - Си предшествует максимуму их демпфирующей способности [7; 8]. Зависимости изменения частоты резонансных колебаний от времени старения при 643 К исследуемых сплавов на основе сплава Мп - 40 % Си (рис. 2) показывают минимумы, которые предшествуют максимальным уровням демпфирующей способности этих сплавов.
Зависимости изменения демпфирующей способности литых и состаренных при температуре 643 К сплавов Мп - 40 % Си, Мп - 38,5-39,5 % Си - 0,5-1,5 % гг (рис. 3) показывают, что легирование цирконием не способствует существенной стабилизации уровня демпфирующей способности двойного сплава Мп - 40 % Си.
Заключение
Проведённое исследование влияния легирования цирконием на демпфирующую способность сплава Mn - 40 % Cu показало, что 0,5-1,5 % циркония не повышает уровень демпфирующей способности данного сплава в литом состоянии, а также в литом и состаренном при температуре 643 К в течение 40 ч состоянии и не способствует существенному сохранению высокого демпфирования при естественном старении в области малых амплитуд деформаций 10-10-5 относительного сдвига - области амплитудно-независимого деформирования. Высокая демпфирующая способность литых и состаренных при 643 К в течение 40 ч сплавов Mn - 40 % Cu, Mn - 38,5-39,5 % Cu - 0,5-1,5 % Zr после естественного старения при 293 К в течение 7 месяцев снижается в 2,0-2,6 раза.
Библиографические ссылки
1. Сергиенко В. П., Бухаров С. Н. Вибрация и шум в нестационарных процессах трения : монография. Минск : Белорусская наука, 2012. 347 с.
2. Миндрин В. И., Пачурин Г. В., Ребрушкин М. Н. Виды и причины вибрации энергетических машин // Современные наукоёмкие технологии. 2015. № 5. С. 32-36.
3. Пирогов Д. А., Шляпугин Р. В., Эльнашар Е. А. Исследование вибрации и шума ремизной рамы металлоткацкого станка // Фундаментальные исследования. 2017. № 11-1. С. 114-118.
4. Причины возникновения вибрации в агрегате электронасосном космического аппарата и способы её снижения / З. А. Юдина, М. И. Синиченко, А. П. Ладыгин и др. // Космические аппараты и технологии. 2021. Т. 5, № 2. С. 63-76. Doi: 10.26733/j.st/2021.2.01.
5. Оценка влияния шума и вибрации на состояние здоровья работающих на ФГУП «ГКНПц им. М.В. Хруничева» / Т. С. Ворожейкина, В. Н. Голдобин, С. П. Губарева и др. // Медицина экстремальных ситуаций. 2015. № 3 (53). С. 87-90.
6. Vitek J., Warlimont H. On a metastable miscibility gap in Mn - Cu alloys and the origin of high damping capacity // Met. Sci. and Eng. 1976. Vol. 4. Р. 7-13.
7. Фавстов Ю. К., Шульга Ю. Н., Рахштадт А. Г. Металловедение высокодемпфирующих сплавов. М. : Металлургия, 1980. 272 с.
8. Удовенко В. А., Маркова Г. В., Ростовцев Р. Н. Сплавы системы Mn - Cu. Структура и свойства : монография. Тула : Гриф и К, 2005. 152 с.
9. Наумов С. Б., Немировский В. В., Розенберг В. М. Стабильность демпфирования марган-цевомедных сплавов // Цветные металлы. 1984. № 10. С. 66-67.
10. Naumov S., Ginne S. Features of the damping capacity of Mn - Cu alloys // MATEC Web of Conferences 344, 01012 (2021). MPM 2021. Doi: https://doi.org/10.1051/matecconf/202134401012.
11. Effect of the precipitated second phase during aging on the damping capacity degradation behavior of M2052 alloy / Y. Zhang, N. Li, X. Fu et al. // Adv. Mater. Res. 2014. No. 873. P. 36-41.
12. Novel cast-aged MnCuNiFeZnAl alloy with good damping capacity and high usage temperature toward engineering application / W. Liu, N. Li, Z. Zhong et al. // Materials and Design. 2016. No. 106. P.45-50.
References
1. Sergienko V. P., Buharov S. N. Vibraciya i shum v nestacionarnyh processah treniya [Vibration and noise in non-stationary friction processes]. Minsk, Belorusskaja nauka, 2012, 347 p.
2. Mindrin V. I., Pachurin G. V., Rebrushkin M. N. [Types and causes of vibration of power machines]. Sovremennye naukoyomkie tehnologii. 2015, No 5, P. 32-36 (In Russ.).
3. Pirogov D. A., Shljapugin R. V., Jel'nashar E. A. [Investigation of vibration and noise of the heald frame of a metal loom]. Fundamental'nye issledovaniya. 2017, No 11-1, P. 114-118 (In Russ.).
4. Judina Z. A., Sinichenko M. I., Ladygin A. P., Sin'kovskij F. K., Usmanov D. B. [Causes of vibration in the electric pump unit of the spacecraft and ways to reduce it]. Kosmicheskie apparaty i tehnologii. 2021, Vol. 5. No 2, P. 63-76 (In Russ.). Doi: 10.26733/j.st/2021.2.01.
5. Vorozhejkina T. S., Goldobin V. N., Gubareva S. P., Zaozjorskaja S. L., Malyshev S. V., Savicheva N. M., Fedoseeva G. N., Filippov A. A., Carjova L. G. [Evaluation of the impact of noise and vibration on the health status of workers at the Federal State Unitary Enterprise «GKNPts im. M.V. Khrunichev»]. Medicinayekstremal'nyh situaciy. 2015, No 3 (53), P. 87-90 (In Russ.).
6. Vitek J., Warlimont H. On a metastable miscibility gap in Mn - Cu alloys and the origin of high damping capacity. Met. Sci. and Eng. 1976, Vol. 4, Р. 7-13.
7. Favstov Ju. K., Shul'ga Ju. N., Rahshtadt A. G. Metallovedenie vysokodempfirujushhih splavov [Metal science of high-damping alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1980, 272 p.
8. Udovenko V. A., Markova G. V., Rostovcev R. N. Splavy sistemy Mn - Cu. Struktura i svojstva [Alloys of the Mn - Cu system. Structure and properties]. Tula, Grif i K Publ., 2005, 152 p.
9. Naumov S. B., Nemirovskij V. V., Rozenberg V. M. [Damping stability of manganese-copper alloys]. Cvetnye metally. 1984, No 10, P. 66-67 (In Russ.).
10. Naumov S., Ginne S. Features of the damping capacity of Mn - Cu alloys. MATEC Web of Conferences 344. 2021, 01012. Available at: https://doi.org/10.1051/matecconf/202134401012.
11. Zhang Y., Li N., Fu X., Liu W.B., Liu Y., Zhao X.C. Effect of the precipitated second phase during aging on the damping capacity degradation behavior of M2052 alloy. Adv. Mater. Res. 2014, No. 873, P. 36-41.
12. Liu W., Li N. Zhong Z., Yan J., Li D., Liu Y., Zhao X., Sci S.. Novel cast-aged MnCuNiFeZnAl alloy with good damping capacity and high usage temperature toward engineering application. Materials and Design. 2016, No. 106, P. 45-50.
© Наумов С. Б., Гиннэ С. В., 2022
Наумов Сергей Борисович - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии композиционных материалов и древесиноведения; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: [email protected].
Гиннэ Светлана Викторовна - кандидат педагогических наук, доцент кафедры технологии композиционных материалов и древесиноведения; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. E-mail: [email protected].
Naumov Sergey Borisovich - Cand. Sc., Associate Professor of the Department of Composite Materials and Wood Science; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology. E-mail: [email protected].
Ginne Svetlana Viktorovna - Cand. Sc., Associate Professor of the Department of Composite Materials and Wood Science; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology. E-mail: [email protected].
