Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Лекция 6. Общая характеристика и механизмы высокого демпфирования. Амплитудно-зависимое и амплитудно-независимое демпфирование. Основные группы сплавов высокого демпфирования.



Тенденция к увеличению скоростей современных машин и механизмов приводит к неизбежно­му росту вредных вибраций и шумов, повышению опасности разрушения деталей при прохождении колебаний системы через резонанс вследствие обычной и акусти­ческой усталости, понижению надежности работы меха­низмов и ухудшению условий труда. Борьба с вибрациями и шумами является в настоя­щее время одной из актуальных проблем, важной прак­тически для всех отраслей народного хозяйства и в пер­вую очередь, для машино-строения, приборостроения и судостроения.

Эффективным, а в ряде случаев и единственно прием­лемым спосо6ом уменьшения вредных вибраций и шумов, снижающим резо­нансные пиковые напряжения, является использование для деталей машин и конструкций, работающих в дина­мическом режиме, сплавов с большим внутренним трени­ем, так называемых сплавов высокого демпфирования. Для них характерно относительное рассеяние энергии в диапазоне рабо­чих амплитуд более чем 1 %, т. е. не меньше, чем в таком высоко демпфирующем материале, как серый чугун. Демпфирующая способность (от нем. – гаситель) - это свойство материалов демпфировать (гасить) механические колебания деформируемого твердого тела, необратимо рассеивая часть энергии деформирования.

Демпфирование (внутреннее тре­ние), обусловлено следующими причинами:

- релаксационными процессами, такое демпфирование не зависит от уровня амплитуд колебаний и характеризу­ется зависимостью с экстремумом от температуры и час­тоты колебаний;

- нерелакса­ционными процессами, этот вид демпфирования не зависит от частоты колебаний в достаточно широком для практики диапазоне, но зависит от величин амплитуд колебаний. Амплитудно-зависимое или микропластическое внутреннее трение наилуч­шим образом характеризует степень надежности конструкций и деталей машин, испытывающих вибрационные нагрузки.

Преимуществами гашения колебаний с помощью сплавов высокого демпфирования являются простота (отпадает надобность в специальных, порою довольно сложных виброгасящих устройствах), практическая не­зависимость эффекта демпфирования от частоты и, как правило, более широкая, чем у высоко демпфирующих пластмасс, область рабо­чих температур.

Амплитудно-независимое демпфирование (фон).Амплитyдно-независимое демпфи-рование или фон обусловлено фононовым рассeянием энергии вслед­ствие взаимодействия фононов друг с другом, а также с электронами и различными несовершенствами (дефек­тами) кристаллической решетки (вакансии, межузельные и примесные атомы, дислокации). Фон демпфирования тем выше, чем больше вызы­ваемая интегральным действием несовершенств строения общая метастабильность состояния сплава. Все релаксационные процессы, приводящие к снижению метастабиль­ности, уменьшают фон. Дефекты любого типа, искажа­ющие кристаллическую решетку и вызывающие внутренние напряжения, увеличивают фон, а взаимодей­ствие дефектов, сопровождающееся стабилизацией структуры, снижает его.

Процессы стабилизации обусловлены, в частности, взаимодействием дислокаций между собой, их закреплением точечными дефектами, частичной анни­гиляцией и другими явлениями, понижающими общий уровень свободной энергии системы. Повышенный за счет дефектов фон демпфирования нестабилен, и при вылеживания при 20°С в первые часы боль­шая его часть снижается. При этом влияния на величину фона размеров зерна не выявлено.

Стабильного повышения фона демпфирования в сплавах можно добиться только в случае получения достаточно устойчивой в условиях эксплуатации метастастабильной структуры, образующейся, например, в результате превращения мартенситного типа. Однако, даже при естественном старении мартенсита вследствие релаксации внутренних на­пряжений, образования сегрегаций и общего уменьшения метаста6ильности уровень фона резко снижается. Более перспективными являются сплавы, тетрагональность решетки которых обуслов­лена другими причинами, например антиферромагнетизмом, и поэтому оказывающимися более стабильными.

Амплитудно-зависимое демпфирование. Амплитудно-зависимое демпфирова­ние при значительных aмплитудах обусловлено, в первую очередь, перемещением имеющихся или генерируемыx легко подвижных дефектов типа дислокаций и двойников, а в сплавах с гетерофазной структурой, представляющей собой твердую матрицу с включениями «мягкой» фазы, пластической деформацией «мягкой» фазы при упругом поведении основы.

До амплитуд напряжений, близких к пределу (порогу) упругости, дислокационное демпфирование связано в основном только с обратимыми перемещениями дислока­ций и по уровню невелико (относительное затухание не превышает 0,1-0,2%). Только тогда, когда перемещение дислокаций приводит к появлению микропластических деформаций и необратимо изменяется исходная дислока­ционная структура сплавов, демпфирование может воз­расти до нескольких процентов. Генерирование дислокаций и их связывание в устойчивые системы приводит к увеличению демпфиру­ющей способности во всем диапазоне амплитуд, начиная с самых малых. Однако, это увеличение нестабильно и практически полностью снимается после естественного старения, закрепляющего дислокации.

Основной вклад при разработке сплавов высоко­го демпфирования вносят подвижные «поверхностные» дефекты: упругие двойники, границы мартенситных кристаллов при обратимых мapтенситных превращениях (термоупругость), границы до­менов в ферромагнетиках и антиферромагнетиках. Демпфирование, вызванное перемещением этих де­фектов, во-первых, в связи с тем, что это перемещение может охватывать значительный объем металла, должно быть большим, во-вторых, вследствие обратимости это­го движения оно не приводит к уста­лостному разрушению металла.

Основные механизмы рассеяния энергии:

- упругое двойникование,

- перемещение границ магнитных доменов,

- обратимое мартенситное превращение

Упругое двойникование заключается в возникно­вении и росте двойников при приложении нагрузки и полном или частичном их исчезновении при снятии нагрузки,. Упругое двойникование является одним из механизмов пластической деформации, так называ­емой «обратимой пластической деформацией». При ее развитии в условиях циклического нагружения должно наблюдаться значительное рассеяние энергии.

Вклад в нео6ратимое рассеяние энергии в ферромагнетиках при приложении к ним циклических нагрузок вносят следующие три эффекта: маг­нитомеханический гистерезис (основной - рассеяние энергии примерно на два порядка выше, чем в остальных), макровихревые и микровихревые токи. Магнитомеханический гистерезис связан функцио­нально с магнитострикционным эффектом и перемеще­нием границ доменов при приложении механических напряжений. Этот гистерезис особенно велик в ферро­магнетиках с большой магнитострикцией и высокой про­ницаемостью в слабых полях.

В сплавах с обратимым мартенситным превращением при охлаждении, начиная от температуры Мн и до Мк происходит увеличение количества упругих кристаллов мартенситной фазы, а при последующем нагреве до тем­ператур обратного перехода – уменьшение последних. Образующиеся при мартенситном превращении уп­ругие кристаллы мартенсита вызывают в окружающей матрице напряжения и искажения кристаллической ре­шетки, которые оказывают заметное влияние на демпфирующую способность сплава. Перемещение границ упругих кристаллов мартенсита при приложении нагрузки аналогично упругому двойни­кованию, хотя и отличается от последнего протеканием фазового превращения, тогда :как при упругом двойнико­вании изменяется лишь ориентация областей кристаллов одной и тай же фазы. Перемещение когерентной межфазовой границы и протекающий одновременно процесс фазового превраще­ния сопровождаются значительным рассеянием энергии, что обеспечивает сплаву высокие демпфирующие свой­ства.

В настоящее время все применяемые в промышлен­ности сплавы высокого демпфирования по составу и ме­ханизму демпфирования можно разде­лить на следующие шесть групп: 1) сплавы с магнитомеханическим демпфированием на основе железа; 2) сплавы с магнитомеханическим демпфированием на основе никеля и кобальта; 3) упруго-двойникующиеся сплавы на основе магния; 4) упруго-двойникующиеся марганцево-медные сплавы; 5) сплавы с термоупругим мартенситом;

6) сплавы с резко выраженной гетероген­ной структурой.

Сплавы с магнитомеханическим демпфированием на основе железа. К сплавам этой группы относятся хромистые стали 1Х13 и 2Х13, а также стали15Х11МФ, l5Х12ВМФ, lХ12В2МФ, 1Х12В4МФ. Их демпфирующая способность примерно на по­рядок величины выше демпфирующей способности аусте­нитных нержавеющих сталей. Амплитудная зависимость демпфирующей способности характеризуется малым фоном и средней величиной относительного рассеяния (1–5 %) при значительных амплитудах.

Эти стали применяют после закалки с 950–1050 °С в масле и отпуска при 600–750 °С с охлаждением на воздухе. В таком состоянии они имеют повышенную прочность в сочетании с удовлетворительной пластич­ностью до температур порядка 350–400 °С (стали 1Х13 и 2Х13) и 550–580 °С (сталь lХ12В4МФ) при хорошей коррозионной стойкости. При более высоких темпера­турах их прочность резко падает.

Из сталей данного типа изготавливают цельнокова­ные роторы, диски и лопатки турбин с рабочей темпера­турой – для наиболее легированных жаропрочных сор­тов этих сталей (типа 1Х12В4МФ) до 550–580 °С, а ме­нее легированных (типа lX13–2Х13) до 350–400 °С при сроке службы 10000 ч.

Сплавы с магнитомеханическим затуханием на основе никеля и кобальта. Относительно малая жаропрочность ферритных хро­мистых сталей и их небольшая коррозионная стойкость привели к необходимости создания турбинных сплавов высокого демпфирования на не железной основе.

В результате фундаментальных исследований систем Ni-Fe, Со-Fе, Ni-Co-Fe, Ni-Co была разработаны промышленные сплавы на основе кобальта и никеля. Они характеризуются высокой пластичностью, что позволяет обрабатывать их до очень высоких степеней деформации. Для прокатки оптимальная деформация составляет 30 %, а максимальная может достигать 70-90 % без предварительной смягчающей обработки. Одним из лучших сплавов этого типа является сплав НИВКО, содержащий около 72 % Со, 23 % Ni и некоторое количество титана, алюминия и других элементов, введенных для упрочнения за счет дисперсионного твердения.

На рисунке 6.1 приведена микроструктура такого сплава в различных состояниях. В литом состоянии она характеризуется значительной неоднородностью, обусловленной дендритной ликвацией (рисунок 6.1а). В результате гомогенизирующего отжига при 1000 °С в течение 10 часов она полностью не устраняется (рисунок 6.1б) и только после ковки при повышенных температурах сплав становится однородным по составу (рисунок 6.1в). Для усиления демпфирующих свойств и развития процессов дисперсионного твердения он подвергается закалке и отпуску (рисунок 6.1г,д,е).

В процессе старения преимущественно по границам зерен выделяются частицы интерметаллических соединений типа (Co, Ti), (Co, Ni) Al, (NI,Co)3 AlTi и др. Такая резкая локализация распада высокотемпературной фазы объясняется большей скоростью диффузии по границам зерен по сравнению с объемом зерна. После прокатки на 30 %, последующей закалки (рисунок 6.1ж,з) и отпуска при 650 °С удается получить высокую степень однородности структуры (рисунок 6.1з) и свойств.

 

Рисунок 6.1 – Микроструктура сплава НИВКО 63

На рисунке 6.2 приведена демпфирующая способность сплава НИВКО-10, которая в не­сколько раз выше, чем ферритных хромистых сталей при более высоких значениях прочности и жаропрочности. Для сравнения приведены данные по ряду других сплавов. Некоторые механические свойства сплава НИВКО-10 и для сравнения стали 1Х13 приведены в таблице 6.1. Максимальным демпфированием обладают сплавы с содержанием кобальта 58-63 % после закалки и отпуска. После термомеханической обработки их демпфирующая способность снижается.

 

Рисунок 6.2 – Амплитудная зависимость демпфирующей способности некоторых сплавов высокого демпфирования: 1 – сталь 1Х13; 2 – сплав НИВКО-10; 3 - серый чугун СЧ24-44; 4 – сплав нитиноль (45,5% Ti, остальное никель); 5 – алюминиевоникелевая бронза (14,5 % Аl; 3,4 % Ni, остальное медь); 6 – марганцевомедный сплав (75 % Мn; 25 % Сu); 7 – сплав Mg + 0,4 % Zr в литом состоянии

Таблица 6.1 - Механические свойства ферромагнитных сплавов

Сплав tисп, °С σВ, МН/м2 (кгс/мм2) σ0,2, МН/м2 (кгс/мм2) δ, %
НИВКО-10 НИВКО-10 1120 (112) 700 (70) 770 (77) 560 (56)
Сталь 1Х13   700 (70) 84 (8,4) 560 (56) 630 (63)

В последние годы разработан новый высокотемпе­ратурный дисперсионно упрочняемый сплав высокого демпфирования на основе никеля с добавкой 2,5 % оксида тория. Важной особенностью сплава является значи­тельное повышение демпфирующей способности с ростом температуры. Так, если при комнатной температуре демпфирующая способность сплава ψ = 10 %, то при 200 °С она составляет 15 %, а при 500 °С – 36 %.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.