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文档简介

弹性弹性材料普通弹性合金,如弹簧钢特殊弹性合金高弹性合金具有高的弹性模量(E=181.3~215.6GPa)、高弹性极限(e=1180MPa)、高强度(b=1176~2450MPa)、高硬度(HRC=30~60)、耐蚀、耐高温、无磁、高的乏累强度、小的弹性后效及良好的加工性与焊接性等。高弹性合金恒弹性合金恒弹性合金亦称埃林瓦(Elinvar)合金。所谓恒弹性是指在确定温度范围内,材料的弹性模量(或共振频率)随温度变更很小或不变。具有小的或恒定的弹性模量温度系数E(或G),或频率温度系数f,同时要求合金具有高的E、e、b,高的机械品质因数Q值,时间稳定性好等特性。第八章弹性合金1南航材料学院王寅岗金属与合金的弹性恒弹性合金 弹性模量、弹性模量温度系、频率温度系数、铁磁材料的弹性反常、金属与合金的滞弹性高弹性合 铁基高弹性合金、其它高弹性合金 铁磁性恒弹性合金、无磁恒弹性合金、特殊性能的恒弹性合金第六章弹性合金2南航材料学院王寅岗8.1金属与合金的弹性(1)一、弹性极限与弹性模量1、试验规律BC0,%,MPaA弹性变形弹性极限3南航材料学院王寅岗弹性模量杨氏模量E剪切模量G体积弹性模量K*材料在受拉伸或压缩时,不仅沿纵向发生纵向变形,在横向也会同时发生缩短或增大的横向变形。由材料力学知,在弹性变形范围内,横向应变y和纵向应变x成正比关系,这一比值称为材料的泊松比,一般以μ表示,即2、弹性模量8.1金属与合金的弹性(2)4南航材料学院王寅岗E、G、K的物理意义对各向同性材料E、G、K的相互关系8.1金属与合金的弹性(3)5南航材料学院王寅岗(1)、原子间结合力与弹性模量3、影响弹性模量的因素弹性模量是表征原子间结合力大小的物理量,是组织结构不敏感的力学参数。主要取决于金属与合金的原子结构,点阵类型等本质。金属弹性模量的周期变化8.1金属与合金的弹性(4)6南航材料学院王寅岗(2)、影响弹性模量的因素:原子结构点阵类型晶体学位向成分与组织温度弹性模量温度系数8.1金属与合金的弹性(5)7南航材料学院王寅岗二、弹性模量温度系数弹性模量E(G)随温度变更而变更,用E(G)表示温度变更1℃时弹性模量的相对变更,即:(1/C)(1/C)

8.1金属与合金的弹性(6)8南航材料学院王寅岗三、频率温度系数弹性元件在动态应用中(如用作频率元件),常对频率温度系数这一指标有要求,它表示材料的共振频率随温度的变更,用f表示:同一材料在同一振动模式下,它的弹性模量温度系数E与频率温度系数f之间的关系为:(1/C)

f0——材料的共振频率。——材料的线膨胀系数。E=2f8.1金属与合金的弹性(7)9南航材料学院王寅岗四、铁磁材料的弹性反常一般金属与合金的弹性模量随温度上升而减小,<0,这是正常变更。而一些金属和合金的弹性模量,在室温旁边的确定温度范围内变更很小(0),甚至增加(>0),这属于弹性模量的反常变更,称弹性反常。缘由:相变、有序-无序转变、铁磁性-反铁磁性转变等。铁磁性材料的弹性模量的反常缘由---力致伸缩B0,%,MPaA8.1金属与合金的弹性(8)10南航材料学院王寅岗在居里温度Tc以下某一温度范围,铁磁材料的E可用下式表示:E=EpE=Ep(E+E+EA) Ep——顺磁状态下材料的弹性模量; E——力致线性伸缩引起E值的变更; E——力致体积伸缩引起的E值的变更; EA——由自发体积磁致伸缩引起的E值的变更。常见现象NiNi42Fe588.1金属与合金的弹性(9)11南航材料学院王寅岗铁磁材料的E是由Ep和E两部分组成,因此E随温度的变更也应由这两部分的温度系数所构成。Ep随温度上升而减小,但这一减小可由E效应随温度的变更进行补偿,从而使材料的E值随温度变更很小(0);假如超量补偿,则可使E随温度上升而增加(>0),出现弹性反常变更。对不同材料,E效应中的各重量E、E、EA所占分数不同,所以E随温度的变更表现出不同的特征。对于0的弹性合金,称其为埃林瓦合金(Elinvar),即恒弹性合金。大多数顺磁性、反铁磁性金属与合金也具有弹性反常行为,因此也可获得恒弹特性。8.1金属与合金的弹性(10)12南航材料学院王寅岗五、金属与合金的滞弹性对于实际弹性体,即使在弹性变形范围内,应力与应变之间也是一种非线性关系,变形不是完整弹性的,这种现象称为滞弹性或称为弹性的不完整性。弹性不完整性的大小是弹性合金的重要指标。各种弹性敏感元件或频率元件一般都要求材料的弹性不完整性越小越好,而作为减振合金则要求其弹性的不完整性越大越好。8.1金属与合金的弹性(11)13南航材料学院王寅岗主要表现固定载荷---弹性后效循环载荷---弹性滞后能量效应---内耗

弹性的不完整性有5种表现形式:正/反弹性后效、弹性滞后、应力松弛、模量亏损和内耗。8.1金属与合金的弹性(12)14南航材料学院王寅岗弹性后效示意图 t1—加载10min; t2—卸载10min8.1金属与合金的弹性(13)15南航材料学院王寅岗弹性滞后示意图8.1金属与合金的弹性(14)16南航材料学院王寅岗内耗在弹性材料探讨中有两种意义:在一些场合下,一些精密仪器仪表中的弹性或频率元件为提高其精度和灵敏度,要求材料的内耗要小,以削减能量的损耗;而在另一些场合,为了减振降噪则须要材料具有大的内耗值,这就是高阻尼材料,即减振合金。金属材料在振动过程中,即使与外界完全隔绝,其振动机械能也会由于弹性的不完整性而转变成热能,使振动渐渐停止,从而导致能量的损耗,这一现象称为内耗。内耗的类型有3种:滞弹性内耗、阻尼共振型内耗和静滞后内耗。内耗Q1是机械品质因数Q的倒数。8.1金属与合金的弹性(15)17南航材料学院王寅岗W——振动一周能量的损耗;W——振动一周的总能量;An和An+1——第n次和第n+1次振动的振幅,用扭摆法或共振法测量。对于减振合金内耗的大小可用防振系数来表示,即:8.1金属与合金的弹性(16)18南航材料学院王寅岗弹性不完整性的起因微观塑性变形的不匀整性间隙原子的扩散晶界的粘滞性流淌弹性不完整性的限制方法提高弹性极限降低合金微观区域的不匀整性8.1金属与合金的弹性(17)19南航材料学院王寅岗8.2高弹性合金(1)一、铁基高弹性合金铁基高弹性合金应用最广泛的是Ni36CrTiAl(3J1)和在此基础上添加w(Mo)=5%的Ni36CrTiAlMo5(3J2)及w(Mo)=8%的Ni36CrTiAlMo8(3J3)合金。该类合金淬火状态具有较好的塑性,可进行各种冷加工及弹性元件的成型。时效后得到强化,具有很高的机械和弹性性能,并且无磁、耐蚀。它们的工作温度分别为250℃、350℃、400℃。在Ni36CrTiAl合金中,通过加入w(Mo)=5%和w(Mo)=8%的Mo,得到了2个新牌号高弹性合金:Ni36CrTiAlMo5(3J2),Ni36CrTiAlMo8(3J3),它们的工作温度可达到350~500℃。20南航材料学院王寅岗Ni是扩大Fe的区元素,稳定奥氏体组织。在Fe-Ni二元合金中,Ni的质量分数大于36%时,用一般冷却速度冷到-196℃时也不会发生奥氏体向马氏体的转变。在合金中加入w(Cr)=13%也不会明显变更这一状态。这就使合金具有良好的塑性和低温韧性。Ni的另一个作用是与Ti、Al形成面心立方结构的强化相-Ni3(Ti,Al)和密排六方的相,即Ni3Ti,使合金时效后得到弥散强化。但Ni含量过高会降低合金的弹性模量,同时使居里温度Tc提高,合金可能成为铁磁性的。w(Ni)=34.5%~36.5%,w(Cr)=11.5~13.0%,w(Ti)=2.7%~3.2%, w(Al)=1.0%~1.8%,w(C)0.05%, w(Si)0.08%,w(Mn)1.00%, Fe余量。1、Ni36CrTiAl合金的成分及组织各元素在合金中的作用如下:8.2高弹性合金(2)21南航材料学院王寅岗Cr的加入(w(Cr)>11.5%)可提高合金的电极电位,增加耐蚀性。铬可降低合金的居里温度Tc。在室温以上为顺磁性。同时Cr溶于相的基体中,增加了晶格中原子间结合力,使合金的弹性模量提高。Cr的加入还能增加析出相的数量,起到固溶强化作用。但Cr的质量分数大于13%时,增加合金脆性,冷变形困难。Ti、Al是合金的重要强化元素,时效时形成-Ni3(Ti,Al)相从固溶体中析出,使合金得到强化,由于Ti的原子半径较大,因此Ti的强化效果比A1的大。但A1能促进相的形核过程,从而增加相的析出量,提高合金的强度。相是亚稳态,时效温度过高时,很简洁发生相的转变。Al的加入可使相的稳定性增加,抑制相的转变。但A1含量过高使加工性恶化。综合考虑,Ni36CrTiAl合金中Al含量限制在w(Al)=0.8%~1.2%为好。只要Al含量能保证合金生成足够数量的、较稳定的相就可以了。对于Fe-Ni基高弹性合金,一般接受高Ti低A1,这有利于合金强度的提高。8.2高弹性合金(3)22南航材料学院王寅岗合金中C含量应尽量低。因为C与Ti生成TiC可降低Ti的强化效果;另外C与Cr生成Cr23C6会造成晶间腐蚀,使合金的耐蚀性下降,故C含量一般限制在w(C)=0.05%左右。8.2高弹性合金(4)23南航材料学院王寅岗(1)标准(一般)热处理:固溶处理+时效。固溶温度一般为900~950℃,保温30min后淬火;时效温度为650~700℃,保温4h,空冷。这种工艺得到的是相混合析出结构。主要考虑合金的强度和塑性。(2)形变热处理:固溶处理+冷变形+时效。形变热处理是在固溶处理后进行冷变形(<50%),从而导致亚结构细化,位错密度增加,加速时效过程中相的不连续析出。使合金的强度和硬度大大提高,但塑性恶化。对于困难的弹性元件的成型,不宜接受此热处理工艺。(3)二次淬火形变热处理:固溶处理+冷变形+二次淬火+时效。二次快速淬火(3s)可使冷变形过程产生的大量位错进行重新排列,形成稳定的多边化结构。为保证二次淬火过程小第2相来不及析出,仍是过饱和固溶体,一般要求二次淬火时快速加热,短时保温,从而保证在随后的时效过程中相沿分布匀整的多边化位错网匀整析出。二次淬火工艺不仅能显著提高合金的弹性极限,而且保持较好的塑性,克服了一般形变热处理使塑性下降的缺点。此工艺对小截面元件或半成品片、丝材特殊适用。(4)为了提高合金或弹性元件的性能及性能稳定性,还可接受稳定化处理、表面电抛光处理、动态时效处理、分级时效处理等热处理工艺。3、Ni36CrTiAl系列合金的热处理工艺8.2高弹性合金(5)24南航材料学院王寅岗Ni36CrTiAl合金在淬火状态是单相奥氏体相组织,经550~750℃回火后,从单相固溶体中析出弥散的相,使合金得到强化。该合金不足之处是运用温度较低(<250℃)。为进一步提高合金的运用温度和热稳定性,探讨发觉,Mo和B对增加合金的热稳定性和降低非弹性行为有良好的作用。在Ni36CrTiAl合金中加入w(Mo)=5%~8%的Mo可大大提高合金的s/b值。w(Mo)=5%和w(Mo)=8%的合金,当温度上升到500℃时,其强度只减小6%。而且含Mo的合金的相的组成为(Ni,Fe)3(Ti,Al,Mo)。由于相中不溶Mo,所以Mo有稳定相的作用,使相聚集和相的转变速度大大降低,结果使含Mo合金的e、b、HB、E增加,热稳定性和抗松弛实力提高。2、热处理和冷变形对合金组织及性能的影响8.2高弹性合金(6)25南航材料学院王寅岗Ni36CrTiAl合金性能与固溶温度的关系曲线(保温20min,水淬)D—晶粒尺寸;d—点阵常数;—电阻率固溶处理8.2高弹性合金(7)26南航材料学院王寅岗时效处理强度与时效温度刚好效前的状态之间的关系-50%变形率;-950℃固溶;-1050℃固溶8.2高弹性合金(8)27南航材料学院王寅岗冷变形量和时效温度对Ni36CrTiAl合金硬度的影响时效温度对Ni36CrTiAl合金性能的影响8.2高弹性合金(9)28南航材料学院王寅岗二、其它高弹性合金铜基高弹性合金的主要性能合金/%性能黄铜(33Zn)磷青铜(8Sn0.2P)德银(18Ni27Zn)铍青铜(1.5~2.0Be)钛铜(4Ti)密度/gcm18.478.808.708.208.59电阻率/cm,10813315.7~7.812~57导热率/WmK1119.762.829.3113.0~125.6膨胀系数/106℃1(20~300℃)18.018.216.717.016.6抗拉强度/MNm2686~892686~980882~10301098~1373735~1375维氏硬度/HV115~180160~260150~250350~430250~400杨氏模量E/GPa103103110130.43122.58剪切模量G/GPa38453848熔点/℃909~93810201055865~9801000~10608.2高弹性合金(10)29南航材料学院王寅岗几种Ni基高弹性合金的成分和性能合金成分(质量分数)/%杨氏模量/GPa抗拉强度/MPa电阻率108m硬度工作温度/℃NiBe21.0Mn,1.9~2.4Be,余Ni1961570~181020HV470~500<370Monel2.0Mn,30Cu,2.5Fe,余Ni178480~116048.2HRC19<200Nimonic18~21Cr,18Co,3Ti,2Al,余Ni1931230115<600

钴基高弹性合金是以钴为基(w(Co)=38%~45%),含有质量分数为10%~20%的Cr和Ni,此外尚有Fe、W、Mo、Ti、A1等元素。8.2高弹性合金(11)30南航材料学院王寅岗8.3恒弹性合金(1)一、铁磁性恒弹性合金1、Fe-Ni基合金几种典型Fe-Ni基恒弹性合金的化学成分合金成分(质量分数)/%CSiMnCrNiTiAlFeNi36Cr12(Elinvar)0.7~0.81236余Ni42CrTiAl(3J53)0.050.080.085.2~5.841.5~43.02.3~2.70.5~0.8余Ni44CrTiAl(3J58)0.050.080.085.2~5.643.5~45.52.3~2.70.5~0.8余Ni-Spanc(美国)<0.060.400.405.2422.30.4余31南航材料学院王寅岗Ni与合金中的Fe、Cr等元素形成固溶体,Ni和Fe是合金产生弹性反常行为的基础。固溶体中的Ni含量影响着合金的恒弹特性,固溶体中的Ni含量与合金的原始成分相时效后析出的-Ni3(Ti,Al)相的数量有关。Ni含量在w(Ni)=28%和w(Ni)=44%时,合金的E0;美国的克拉克(ClarkC.A.)探讨发觉,经35%冷变形,在650℃时效,这种Fe-Ni-Cr-Ti合金的热弹性系数2E与相中的Ni质量分数N及相中的Cr、Ti、A1、Mn等元素的总质量分数A呈抛物线关系。1、合金中各元素的作用A——相中Cr、Ti、Al、Mn、Si的质量分数总和;N——相中Ni的质量分数,Ni=Ni%–3.66(Ti%–1%)。Ni%、Ti%为合金中Ni和Ti的质量分数。8.3恒弹性合金(2)32南航材料学院王寅岗Fe-Ni合金E随Ni浓度变更曲线(a)—二元合金;(b)附加Cr的三元合金8.3恒弹性合金(3)33南航材料学院王寅岗Ni42CrTiAl合金热弹性系数(2f

)与成分的关系8.3恒弹性合金(4)34南航材料学院王寅岗Cr主要是使弹性模量温度系数E值降低,当w(Ni)=42%时,w(Cr)=4%~6%之间,E值则在零旁边,同时Cr的加入可降低合金的Tc,提高合金的耐蚀性。Cr不参与形成金属间化合物,也不变更析出相的结构.它主要存在于固溶体中,当合金中Ti、Al、Si、Mn含量增加或加入Cu、V等元素时,可相应降低Cr含量,以防止热弹性系数和居里温度过低。Ti、A1是合金中的主要强化元素,其中除约质量分数为1%的Ti溶于固溶体中与C形成以TiC,其余的Ti与Ni和Al在时效过程中形成-Ni3(Ti或Al)金属间化合物,弥散分布基体中,起强化作用。Ti和A1也是提高合金机械品质因数Q值的重要元素。8.3恒弹性合金(5)35南航材料学院王寅岗合金的化学成分确定之后,合金的性能主要由时效过程中相的析出量、形貌和分布状态所确定。而合金的组织结构则与固溶处理、冷变形、时效工艺亲密相关。2、组织结构与性能固溶处理8.3恒弹性合金(6)36南航材料学院王寅岗冷变形、时效工艺冷变形和时效温度对Ni42CrTiAl合金b影响8.3恒弹性合金(7)37南航材料学院王寅岗Ni42CrTiAl合金的E值与时效温度的关系8.3恒弹性合金(8)38南航材料学院王寅岗不锈因瓦合金:w(Co)=54%、w(Cr)=9.5%的Co-Fe合金不仅具有很强的因瓦效应,形成膨胀系数很小的不锈因瓦合金,而且这种合金还同时表现出最强的埃林瓦特性。在退火状态下,它的弹性模量温度系数E=82105/℃,切变模量温度系数G=35.9105/℃。人们把这种Co-Fe-Cr合金称为Co-E1invar合金,并在Co-Fe-Cr系合金基础上添加第3或第4种元素,研制出了Mo-Elinvar、W-Elinvar、V-Elinvar及Mn-Elinvar合金。在Co-Fe-Cr合金中加Ni(置换其中的Co、Cr)时,可加强合金的弹性反常行为,扩大反常的成分范围,并能改善合金的加工性能。复合加入Cr、W、Ni、Ni的Co-Fe合金称Elcolloy合金。此合金具有优异的力学性能,在退火状态下,合金的强度b=1717MPa、弹性极限e=1305MPa,它正在逐步代替Co-E1invar合金。Co-Elinvar合金特点:性能稳定、不受振动模式影响、E和G可同时趋于零——用此合金作手表游丝,可使手表日走时差在1s以下。2、Co-Fe系恒弹性合金8.3恒弹性合金(9)39南航材料学院王寅岗二、无磁恒弹性合金①Nb基合金w(Zr)=9.9%~19%的Nb-Zr合金经冷轧和1200℃、1h高温退火后、由于得到110和111织构,合金的f/fT曲线出现反常变更,合金在较宽的温度范围内表现出恒弹特性。w(Zr)=19%~22%的Nb-Zr合金经97%冷变形和660℃、64h退火,可获得恒弹特性。这是由于大的冷变形量使合金内部产生高密度位错(约1012/cm2),位错与O,N等一些杂质原子有猛烈地交互作用,在位措四周形成Cottrell气团。温度上升,这种交互作用被激活而加强,位错运动被这种气团所钉扎,使合金在确定的温度范围内,弹性模量E保持有限的变更,表现出恒弹特性。1、顺磁性恒弹性合金8.3恒弹性合金(10)40南航材料学院王寅岗②Ti基合金主要有Ti-Ni-Co-Fe和Ti-Ni-Co两类合金。Ti基恒弹合金的特点是:能在较高温度下保持恒弹特性(600~700℃),频率温度系数f在105/℃的水平,有的可达到(1~2)10-6/℃;但这类合金难加工。③Nb-Ti基合金w(Ti)=50%的Nb-Ti合金经900℃淬火.w(Ti)=65%的Nb-Ti合金经冷变形+低温回火(350℃)。w(Ti)=40%%的Nb-Ti合金冷变形后经1000℃、1h高温退火后均可在很宽的温度范围内表现出恒弹特性。Nb-Ti合金最大特点是运用温度较高。8.3恒弹性合金(11)41南航材料学院王寅岗①Fe-Mn系W(Mn)=20%~40%。通常限制在30%左右。w(Mn)30%时,合金由固溶体组成;w(Mn)<30%时,合金中出现转变,并存在着热滞现象,随Mn质量分数的增加,合金的TN点上升,弹性反常温度范围扩大。在Fe-Mn基恒弹合金中添加Co、Ni、Cr、W、V和C等元素以稳定埃林瓦特性。该类合合的缺点是:耐蚀性差,恒弹性温度范围窄,一般在0~40℃。为改善这种状况,可接受具有正、负不同温度系数的两层Fe-Mn合金复合的方法、使恒弹性温度范围达到-10~70℃。2、反铁磁性恒弹性合金这类合金主要是利用在奈耳点(TN)旁边的弹性反常行为获得恒弹性。主要有Fe-Mn系、Mn基和Cr基8.3恒弹性合金(12)42南航材料学院王寅岗②Cr基合金Cr基合金是由Cr与Fe、Co等过渡族元素形成的,具有因瓦和弹性反常特性,如w(Fe)=5.1%、w(Mn)=0.9%的Cr-Fe-Mn合金在室温旁边表现出明显的恒弹特性,Cr基无磁恒弹合金的特点是:埃林瓦(Elinvar)和因瓦(Invar)特性兼有,在不同振动模式下波速近似相等,吸取系数与熔融的石英相近。同时Cr基合金的耐蚀性好,价格便宜。这类合金用于超声波延迟线,可显示出优异的性能。但是它的加工性差,只能在铸态下切削或磨削加工成简洁形态的元器件,这就限制了它的应用范围。③Mn基合金主要有Mn-Cu、Mn-Ni,Mn-Ge及Mn-Pt系合金。通过加入Cr、Fe、W、Mo、V等元素改善合金的恒弹特性。Mn基合金的性能一般都不高,而且易氧化、耐蚀性差,目前尚未进入好用阶段,国内尚属开发研制阶段。8.3恒弹性合金(13)43南航材料学院王寅岗三、特殊性能弹性合金Ni42CrTiAl合金的弹性模量(或频率)温度系数主要取决于固溶体中Ni的质量分数,而Ni的质量分数与合金的原始成分和时效过程中相的析出量亲密相关。通过添加元素抑制相析出和长大速度可获得小的E(或f)值。在Ni42CrTiAl合金中,用Mo、Cu置换一部分Cr、Ti,以限制相的长大速度可得到小杨氏模量温度系数E合金,如w(Ni)=42.3%、w(Ti)=1.4%、w(Cr)=2.6%、w(Mo)=26%、w(Cu)=0.3%、w(A1)=0.42%、w(Mn)=0.4%、w(Si)=0.13%、余Fe合金,经500℃、1h时效处理后,在20~100℃范围内E=210-7/℃。在Ni42CrTiAl合金基础上,调整Ni、Cr、Ti含量,加入微量

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