固溶处理对Fe-Cr-Mo阻尼合金内耗影响的研究

姜大连，刘　颖，吕金喜，赵修臣，林文露，李　红

(1.江苏振华泵业制造有限公司，江苏 泰州，225500；2.北京理工大学 材料学院，北京100081)



固溶处理对Fe-Cr-Mo阻尼合金内耗影响的研究

姜大连1，刘颖2，吕金喜1，赵修臣2，林文露1，李红2

(1.江苏振华泵业制造有限公司，江苏 泰州，225500；2.北京理工大学 材料学院，北京100081)

摘要：研究了固溶处理温度对新型铁磁型Fe-Cr-Mo阻尼合金内耗的影响。结果表明，经加热Fe-Cr-Mo合金到900～1 200 ℃保温1 h，并随炉冷固溶处理后，合金内耗随应变幅值的增大呈现先增加后减小的规律，且在900～1 100 ℃固溶处理温度范围内，内耗对应变幅值的敏感性随固溶温度升高而增大。经1 100 ℃固溶处理的合金，因其晶粒较大，第二相颗粒较少，残余内应力较小，并形成了有利于提升内耗的大尺寸、宽畴壁的片状磁畴，故而具有最高的内耗峰值。

关键词：阻尼合金；内耗；固溶处理

单一铁素体相的新型铁磁型Fe-Cr-Mo阻尼合金具有成本低、耐蚀性能好、阻尼性能受频率影响小及使用温度较高等优点，具有广泛的应用前景[1-3]。Fe-Cr-Mo阻尼合金对机械能的衰减是通过合金基体中磁畴壁的不可逆移动耗能而实现的，其阻尼性能高低可用内耗(Q-1)的大小表示，而内耗的大小取决于合金中磁畴的结构以及磁畴壁不可逆移动的阻力。本文主要研究了固溶处理温度对Fe-Cr-Mo阻尼合金晶粒大小、基体中第二相数量、残余内应力和磁畴结构的影响，以及对合金内耗的影响。

1试验用合金及试验方法

试验所用Fe-Cr-Mo阻尼合金由真空感应炉熔炼，并经锻造后空冷。其合金的成分见表1。

表1　Fe-Cr-Mo阻尼合金的成分(质量分数)　(%)

将Fe-Cr-Mo合金加工成10 mm×10 mm×1.0 mm的片状试样，在真空管式炉中分别将试样加热至900、1 000 、1 100和1 200 ℃，保温1 h后随炉冷以进行固溶处理。利用磁力显微镜观察合金中的磁畴结构，利用动态热机械仪测试试样的内耗。

2试验结果

2.1固溶温度对晶粒大小和基体中第二相数量的影响

图1给出了Fe-Cr-Mo合金分别在900、1 000 、1 100和1 200 ℃固溶处理后的晶粒大小。由图1可知，在900～1 100 ℃内，合金的晶粒随固溶温度升高明显长大，而当固溶温度从1 100 ℃升至1 200 ℃时，晶粒长大不明显。

图1　Fe-Cr-Mo合金经不同温度固溶处理后的显微组织

图2给出了用扫描电镜所观察的Fe-Cr-Mo合金经不同温度固溶处理后显微组织中的第二相。由图2可知，在不同温度固溶处理的合金显微组织中，沿晶界均存在析出的第二相。当固溶温度为900 ℃时，合金晶粒内存在较多的颗粒状第二相。随着固溶温度升高，晶内的第二相颗粒逐渐减少，当固溶温度为1 100和1 200 ℃时，晶内的第二相已很少。由第二相能谱分析结果(见图3和表2)可以看出，第二相应为Cr的碳化物。

图2　　　Fe-Cr-Mo合金经不同温度固溶处理后　　　显微组织中的第二相

图3　固溶处理后合金中第二相能谱分析

(%)

2.2固溶温度对Fe-Cr-Mo合金中残余应力的影响

铁磁型阻尼合金的内耗与残余内应力有密切关系，而残余应力大小与其加工工艺密切相关[4]，因此，对经固溶处理后合金中的残余应力进行了测试。每个试样测试3个点(见图4)，取3次测试结果的平均值作为试样的内应力。

图4　固溶处理后合金试样残余应力测试点

表3给出了不同固溶处理温度下合金中的残余应力。由表3可知，所测残余应力均为压应力，且随着固溶温度的升高，合金中残余压应力会下降。

表3　经不同固溶处理温度后合金中残余应力

2.3固溶温度对Fe-Cr-Mo合金磁畴结构的影响

图5给出了由磁力显微镜测得的Fe-Cr-Mo合金分别经900、1 000、1 100和1 200 ℃固溶处理后的磁畴结构。图5中亮区和暗区分别表示磁矩反向的磁畴，而明暗渐进区大小则表示磁畴壁厚度。由图5可知，锻态合金和经900和1 200 ℃固溶处理的合金呈现为树枝状畴，且磁畴边缘的明暗对比度较大，明暗渐进区域范围较窄，说明合金的磁畴壁厚度较小。当固溶温度为1 100 ℃时，合金中出现了尺寸较大的片形畴，且磁畴明暗渐进区域范围较宽，表明磁畴壁较厚。

图5　Fe-Cr-Mo合金经不同温度固溶处理后的磁畴结构

2.4固溶温度对Fe-Cr-Mo合金内耗的影响

图6给出了Fe-Cr-Mo合金原始态和分别经过900、1 000、1 100和1 200 ℃保温1 h后，炉冷固溶处理的内耗(Q-1)随周期应变幅值增大的变化曲线。由图6可知，在900～1 200 ℃内，经固溶处理的阻尼合金内耗呈现如下特点：1)各固溶温度处理的阻尼合金内耗在试验的应变幅值变化范围内都高于原始态合金，且内耗随应变幅值增大都呈现出先增大后减小的规律；2)随着固溶温度升高，内耗对应变幅值变化的敏感性先增强后减弱，即在900～1 100 ℃内，随固溶温度升高，内耗随应变幅值变化出现的峰值逐渐增高，超过1 100 ℃之后，内耗随应变幅值变化出现的峰值又降低。在各试样中，原始态合金的内耗峰值最小，只有0.011；当固溶温度为1 100 ℃时，内耗峰值最大(>0.13)。

图6　固溶温度对Fe-Cr-Mo合金阻尼性能的影响

3试验结果分析

各固溶温度处理的合金内耗随应变幅值增大呈现先增大后减小的规律，原因是内耗大小与应变导致的产生不可逆移动的磁畴数量以及磁畴壁移动的程度有关。当应变幅值较小时，随着应变幅值增加，产生不可逆移动的磁畴数量逐渐增多，磁畴壁的位移也逐渐增大，因此，合金表现为内耗增大；当应变幅值达到某临界值时，产生不可逆移动的磁畴数量达到最多，畴壁的位移也最大，即产生不可逆移动的磁畴数量和磁畴壁位移幅度达到饱和，磁畴壁不可逆移动所消耗的能量达到极值；当应变幅值超过临界值时，随着应变幅值继续增加，合金承受的应变能继续增大，而内耗作为产生不可逆移动磁畴壁消耗的能量与供畴壁移动总能量之比表现为内耗随应变幅值增大而减小。

根据相关理论[5]，铁磁性材料的内耗是一系列微观机制共同作用的结果，其中晶界、析出相、残余应力和溶质原子影响最大。

晶界对磁畴壁的移动具有阻碍作用。晶粒越大，晶界总面积越少，对磁畴壁移动的阻碍作用越小。第二相对磁畴壁有钉扎作用，因此将阻碍磁畴壁的移动。残余应力主要是通过改变磁弹性能和磁畴壁能而影响内耗。根据铁磁学原理，磁弹性能可表示为：

(1)

式中，Eσ为磁弹性能；λs为饱和磁致伸缩系数；σi为内应力；θ为磁化矢量与应力间夹角。从式1可知，当λs和θ一定时，Eσ主要受σi控制。较大的残余应力会导致磁弹性能较大，在材料中形成能垒，磁畴壁受能垒制约只能停留在能量相对较低的区域，难以移动，故而能够降低内耗。

此外，残余应力与磁畴壁厚度有以下关系：

(2)

式中，δ为磁畴壁的厚度；σi为材料中的残余应力；A为交换积分常数；K1为磁晶各向异性常数。根据式2，残余应力越大，则磁畴壁厚度越小，而磁畴壁厚度与磁畴壁能有如下关系[6-7]：

(3)

式中，γw为磁畴壁能；E为弹性模量；δw为磁畴壁厚度。由式3可知，磁畴壁厚度越大，则磁畴壁能越高，磁畴壁移动时消耗的能量越多，内耗就越大。

由上述讨论可知，残余应力较小时，一方面使磁弹性能较小，从而减小对磁畴壁移动的阻碍；另一方面使磁畴壁能增大，进而升高合金的内耗。

在900～1 100 ℃内对Fe-Cr-Mo合金进行固溶处理，随着固溶温度升高，合金中的晶粒尺寸逐渐增大，第二相颗粒数量逐渐减少，故而有利于提升合金的内耗。此外，在900和1 000 ℃进行固溶处理时，由于残余内应力较大，合金中磁畴呈现出磁畴尺寸和磁畴壁厚度都较小的树枝状畴，从而使得磁畴移动阻力较大，且移动时耗能较少。而在1 100 ℃进行固溶处理时，残余内应力较小，合金中呈现出磁畴尺寸较大且磁畴壁较厚的片形畴，其有利于磁畴壁的移动，且移动时耗能较高。由于上述原因，使得Fe-Cr-Mo合金的内耗随着固溶温度的升高而增大，并在1 100 ℃固溶处理时，几乎在整个应变幅值变化范围内达到最大。

对于1 200 ℃固溶处理时，合金内耗较的显著下降，分析认为较高的固溶温度导致过多的第二相分解，使溶入基体中的固溶原子数量增大，较多的固溶原子不但对畴壁有强烈的钉扎作用，且导致树枝状磁畴的出现，从而使经1 200 ℃固溶处理后的合金内耗显著降低。

4结语

综上所述，可以得出下述结论。

1)Fe-Cr-Mo合金经加热至900～1 200 ℃保温1 h，并随炉冷固溶处理后，合金内耗随应变幅值的增大呈现先增加后减小的规律，且在900～1 100 ℃固溶处理温度范围内，内耗对应变幅值的敏感性随固溶温度升高而增大。

2)经1 100 ℃固溶处理的Fe-Cr-Mo合金，因其晶粒较大，第二相颗粒较少，残余内应力较小，并形成了有利于提升内耗的大尺寸、宽畴壁的片状磁畴，故具有最高的内耗峰值。

参考文献

[1] 王敬丰,魏文文,潘复生,等.金属阻尼材料研究的新进展及发展方向[J].材料导报，2009,23(7):15-19.

[2] 胡小锋,刘树伟,李秀艳,等.应力对FeCrMoCu合金阻尼性能的影响[J].材料研究学，2013,27(3):225-230.

[3] 许志刚,孙仙奇,唐鹏，等.合金元素对Fe-Al-Cu合金的组织与性能的影响[J].材料研究学，2005,20(6): 16-20.

[4] 佘晶,张爱华.回转体金属板料渐进成形制件残余应力研究[J].新技术新工艺，2013(1):40-44.

[5] Pulino-sagradi D,Sagradi M, Karimi A, et al. Martin. Damping capacity of Fe-Cr-X high-damping alloys and its dependence on magnetic domain[J]. Scripta Materialia,1998,39(2):131-138.

[6] 王卫国.Fe-Cr-Al-Si合金阻尼性能及阻尼机制的研究[D].成都: 中国核动力研究设计院, 1998.

[7] Cullity B D. Introduction to magnetic materials [M]. CA, Menlo Park: Addison-Wesley, 1972.

责任编辑马彤

Research of the Effect of Solution Treatment on Internal Friction of Fe-Cr-Mo Damping Alloy

JIANG Dalian1， LIUYing2， LYU Jinxi1， ZHAO Xiuchen2， LIN Wenlu1， LI Hong2

(1.Jiangsu Zhenhua Pump Manufacturing Co., Ltd.， Taizhou 225500, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract：The effect of solution treatment on internal friction of novel Fe-Cr-Mo damping alloy is studied, and the results show that in the solution treatment temperature range of 900 to 1 200 ℃, the internal friction of the damping alloy increases, and then decreases with strain increasing. Meanwhile, the sensitivity of internal friction increases with the temperature increasing in the solution treatment temperature range of 900 to 1 100 ℃. The damping alloy, with lager crystalline grain, low second phase and small residual stress, is obtained resulting from the solution treatment temperature of 1 100 ℃, and the damping alloy exhibited high internal friction values, due to the formation of flake-like magnetic domains with large size and wide domain wall, which are beneficial for improving the internal friction.

Key words:damping alloy， internal friction， solution treatment

收稿日期：2015-06-15

作者简介：姜大连(1976-)，男，工程师，主要从事船用水泵研制与开发等方面的研究。

中图分类号：TG 135.7

文献标志码:A