CC BY
10РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки) DOI: 10.25712^Ти.2072-8921.2020.01.022 УДК 669.1
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТЖИГА НА ДЕМПФИРУЮЩИЕ, МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ Fе-V
М.А. Мельчаков, В.А. Лисовский
Демпфирующие свойства как свойства, отвечающие за гашение вибраций и шума, являются немаловажной характеристикой материалов, варьированием которой можно добиться либо снижения колебаний системы, как следствие, точности и надежности оборудования, либо увеличения качества звучания конструкций, например, звучание колоколов. В данной работе были произведены исследования влияния температуры отжига в диапазоне от 1000-1300 °С на демпфирующие свойства высокодемпфирующих сплавов Fe-0,1 % V, Fe-4 % V. Демпфирующие свойства определяли на обратном крутильном маятнике, цилиндрических образцах с размером рабочей части 5 мм. В результате исследования получено, что сплав, содержащий мало ванадия при увеличении температуры термической обработки, повышал максимум логарифмического декремента. Сплав же с большим процентным содержаниям ванадия незначительно снижал демпфирующие свойства. Данные сплавы имеют маг-нитомеханическую природу внутреннего трения. В связи с этим, для понимания причин, приводящих к изменениям демпфирующих свойств в данных сплавах, произведен анализ магнитных свойств и структуры. Магнитные свойства, а именно магнитострикция, определялась с использованием тензорезисторов по полумостовой схеме. В результате комплексного исследования проанализирована взаимосвязь демпфирующих и магнитных свойств со структурой сплавов Fe-V, имеющих магнитомеханическую природу внутреннего трения.
Ключевые слова: сплавы Fe-V; отжиг; демпфирующие свойства; магнитомеханическое затухание, высокое демпфирование, обратный крутильный маятник, магнитные свойства; магнитострикция, рентгеноструктурный анализ, кристаллическая структура.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что немаловажной механической характеристикой конструкционных материалов, которая определяет их пригодность для производства различных элементов конструкций, является демпфирующая способность материала - способность поглощать энергию колебаний. В то же время рост основных параметров в современных машинах, таких как скорость, температура, давление, требует повышенного внимания к демпфирующим свойствам материала, поскольку применение материалов с высокими демпфирующими свойствами способствует снижению возможностей возникновения резонансных колебаний и, как следствие, преждевременного разрушения деталей машин.
Одним из способов поглощения энергии колебаний является магнитомеханическая природа, в которой особое место имеют сплавы железа: Fe-Si [1], Fe-Cr [2], Fe-Al [3], Fe-V [4] и другие. Данные сплавы с магнито-механической природой внутреннего трения обладают высокой демпфирующей способностью. Разработка таких материалов и способов их обработки представляет научный и практический интерес.
Целью данной работы является изучение влияния термической обработки на взаимосвязь демпфирующих, магнитных свойств и структуры сплавов Fe-V.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалами исследования являлись сплавы Fe - 0,1 % V и Fe - 4 % V (%, масс.) технической чистоты.
Демпфирующие свойства (логарифмический декремент колебаний^ определяли на установке типа обратный крутильный маятник методом затухающих крутильных колебаний [4] по формуле:
где А^ иЛт - амплитуды последующих друг за другом затухающих колебаний.
Термическая обработка сплавов проводилась в вакуумной печи типа СНВЭ-2.4.2/16 со скоростью охлаждения при отжиге ~275 °С/час.
Измерение магнитострикции производилось с применением полупроводниковых тензорезисторов на сульфиде самария с использованием схемы полумост.
Для исследований микроструктуры об- на рентгеновском дифрактометре XRD-7000 разцов использовался микроскоп Neophot-21. в Со-излучении. Рентгеноструктурный анализ проводился
0.0 0,1 0.2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7
у. !(|
Рисунок 1 - Виброграммы для сплава Fe-4 % V после отжига 1000 °C
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В соответствии с ранее поставленными задачами работы, проведено исследование влияния температуры отжига на демпфирующие свойства сплавов системы Fe-V. На рисунке 1 приведена виброграмма сплава Fe-4 % V после отжига при температуре 1000 °С, показывающая величину амплитуд колебаний Y.
%
2.5
1.5
1
у' 1 Jf у
г
1000
1150
1300 Г°С
Рисунок 2 - Влияние температуры отжига на максимум логарифмического декремента для сплава Ре-0,1 % V
Рисунок 3 - Влияние температуры отжига на максимум логарифмического декремента для сплава Ре-4 % V
В результате испытаний выявили, что в сплаве Fe-0,1 % V происходит увеличение максимума логарифмического декремента при увеличении температуры отжига (рисунок 2).
В результате испытаний выявили, что в сплаве Fe-0,1 % V происходит увеличение максимума логарифмического декремента при увеличении температуры отжига (рисунок 3).
Для сплавов Fe-4 % V происходит незначительное уменьшение демпфирующих свойств при увеличении температуры отжига.
Как известно из работ [6, 7], для увеличения демпфирующей способности сплавов с магнитомеханической природой внутреннего трения необходимо создать условия для беспрепятственной перестройки доменной структуры, а именно, чтобы границы зерен не мешали перемещению и изменению доменов. Исследования структуры показали, что для обоих исследуемых сплавов повышение температуры отжига приводит к увеличению среднего размера зерна (рисунок 4).
Рисунок 4 - Зависимость среднего размера зерна от температуры отжига для сплавов Fe-0,1 %V и Fe-4 %V
М.А. МЕЛЬЧАКОВ, В.А. ЛИСОВСКИЙ
В данном случае для сплава с малым содержанием ванадия 0,1 % наблюдается явная корреляция с ростом демпфирующих свойств при увеличении температуры отжига. Однако, для сплава с 4 % ванадия зависимости нет. В данном случае на демпфирующие свойства будут оказывать влияние другие изменения в сплаве.
25- Fs-0.1%V
20-
Ш%У
15" — 10
5- ----
0 1000 1150 1300 t.
Рисунок 5 - Зависимость магнитострикции А при индуктивности магнитного поля 800 мТл от температуры отжига для сплавов Fe-0,1 % V и Fe-4 % V
Из графиков рисунка 5 видно, что при увеличении температуры отжига происходит увеличении магнитострикции для сплава Fe-0,1 % V и незначительное уменьшение для сплава Fe-4 % V. Изменение магнитострикции в сплавах хорошо согласуется с изменением демпфирующих свойств, согласно формуле G.W. Smith, J.R. Birchak [8]:
ный анализ не показал существенных изменений с учетом ошибки эксперимента.
Исходя из проведенных исследований, в сплаве с малым содержанием 0,1 % ванадия увеличение температуры отжига привело к увеличению демпфирующих свойств в результате влияния отжига на искаженность кристаллической решетки, величину зерна и магнитные свойства - магнитострикцию. В сплаве с большим содержанием ванадия 4 % увеличение температуры отжига привело к незначительному снижению демпфирующих свойств, что было вызвано малым уменьшением магнитострикции в сплаве.
ВЫВОДЫ
При увеличении температуры отжига в сплавах Fe-0,1 % V происходит увеличение максимума логарифмического декремента; для сплавов Fe-4 % V происходит уменьшение демпфирующих свойств.
При увеличении температуры отжига в сплавах Fe-0,1 % V происходит увеличение магнитострикции и уменьшение степени ис-каженности кристаллической решетки, что положительно сказывается на демпфирующих свойствах сплава.
В сплаве Fe-4 % V незначительное снижение магнитострикции и увеличение искажен-ности кристаллической решетки приводит к уменьшению демпфирующих свойств в сплаве.
к. 10
Fe-ЦЩ
Fe-WoV
1000 1150
1300
Фтах 2^тах Т~й~'
Jsnc
или более точных параметров, согласно работам [9]:
ömax 0'34КХЕ
где 4<тах - удельная энергия затухания;
К - коэффициент формы петли гистерезиса;
Стах - обратная добротность;
Л - магнитострикция;
Е - модуль Юнга;
Js - намагниченности насыщения;
Нс - коэрцитивной силы и имеет следующую зависимость;
ст; - внутренние напряжения.
Проведенный рентгеноструктурный анализ показал, что при увеличении температуры отжига для сплава Fe-0,1 % V происходит уменьшение ширины кристаллической решетки, что говорит об уменьшении ее искаженно-сти. Для сплава Fe-4 % V рентгеноструктур-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Изучение динамики доменной структуры при деформировании и магнитоупругого затухания колебаний в монокристаллах сплава Fe-3%Si / И.Б. Кекало [и др.] // Физика металлов и металловедение. - 1970. - Т. 30. - № 3. - С. 566-576.
2. Удовенко, В.А. Тонкая кристаллическая и магнитная структура высокодемпфирующих сплавов на основе системы Fe-Cr [Текст] / В.А. Удовенко, И.Б. Чудаков, Н.А. Полякова // Физика металлов и металловедение. - 1993. - Т. 45. - № 3. -С. 48-55.
3. Высокодемпфирующие сплавы и стали на основе Fe-Al : структура, свойства и особенности применения [Текст] / И.Б. Чудаков [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. -2012. - № 5. - С. 33-37.
4. Писаренко, Г.С. Вибропоглощающие свойства конструкционных материалов [Текст] : Справочник / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев. -Киев : Наукова думка, 1971. - 375 с.
5. Амплитудно-зависимое внутреннее трение твердых материалов и комплексные характеристики физико-механических свойств, учитывающие демпфирование : учеб. пособие / А.И. Скворцов. -Киров : ФГБОУ ВПО «ВятГУ», 2013.-39 с.
6. Скворцов, А.И. Влияние структуры на демпфирующую способность и механические свойства сплавов железа с магнитомеханическим затуханием / А.И. Скворцов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2004. - № 5. -С. 18-25.
7. Михайлов, С.Б. Влияние термической обработки на формирование магнитоупругого демпфирования высокохромистых ферритных сталей [Текст] / С.Б. Михайлов, Н.А. Михайлова // XV Конференция по вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем : тез. докл. -Киев : ИПП, 1989. - С. 86.
8. Smith, G.W. Internal stress distribution theory of magnetomechanical effects / G.W. Smith, J.R. Bir-chak // Journal of Applied Physics. - Vol. 41. - № 3. -1970. - Р. 1412.
9. Smith, G.W. Internal stress distribution theory of magnetomechanical hysteresis an extension to include effects of magnetic field and applied stress / G.W. Smith, J.R. Birchak // Journal of Applied Physics. - Vol. 40. - № 13. - 1969. - Р. 5174-5178.
10. Постников, В.С. Внутреннее трение в металлах [Текст]. - 2-е изд., перераб. и доп. / В.С. Постников. - Москва : Металлургия, 1974. - 351 с.
Мельчаков Михаил Александрович,
к.т.н., доцент кафедры «Материаловедения и основ конструирования» ФГБОУ ВО «ВятГУ», г. Киров. E-mail: melchakov@vyatsu.ru.
Лисовский Виталий Алексеевич, к.т.н., декан факультета технологий, инжиниринга и дизайна ФГБОУ ВО «<ВятГУ», г. Киров. E-mail: lisvitalex@yandex.ru.
