張思斌，江澤超，田青超，李傳軍，任忠鳴

(上海大學 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444)

0 引 言

隨著各種機械的功率、速度不斷增加，振動造成的有害噪聲也隨之增長。振動與噪聲影響產(chǎn)品的質(zhì)量與壽命和人們的身心健康?？刂普駝雍蜏p少噪聲已經(jīng)成為亟待解決的工程問題[1]。因此，研究與發(fā)展兼有減振降噪的結(jié)構(gòu)阻尼材料具有很大的應用價值。商用M2052合金比傳統(tǒng)的Mn-Cu基阻尼合金具有較為優(yōu)異的高阻尼性能，通常以熱鍛或熱軋狀態(tài)制備[2]。磁場作為一種新型的冷物理場在材料研究領域得到了日益廣泛的應用。磁場能夠?qū)姶蟮拇呕芰繜o接觸地傳遞到材料的原子尺度，使得磁場材料科學已成為新的發(fā)展方向和研究熱點。磁場熱處理會改變材料的熱力學狀態(tài)，影響材料中原子和分子的排列、匹配、遷移等行為，從而影響材料的固態(tài)相變過程，進而使其微觀組織發(fā)生改變，最終影響材料的性能[3]。外加磁場可以驅(qū)動馬氏體間孿晶界或奧氏體—馬氏體界面的運動[4]、磁疇壁的移動[5]，材料在磁場處理后使抗拉強度提高的同時，也能夠較大幅度地提高延伸率[6]。因此在熱處理過程中施加磁場，在磁場的誘導下，合金的阻尼性能可能會發(fā)生變化。本文通過固溶和時效過程中施加交變磁場，探究磁場下發(fā)生的固態(tài)相變對阻尼合金組織結(jié)構(gòu)及性能的影響。

1 實 驗

實驗用的Mn-Cu基合金以錳(99.9%)、銅(99.9%)、工業(yè)純鐵和鎳為原料，在氬氣氛(氣壓為60 kPa)中感應熔煉制備組分為Mn-20Cu-5Ni-2Fe (at.%)的合金鑄錠。在1 173 K的溫度下，將鑄錠鍛造并熱軋至厚度300×800×20 mm3的板材，從板材上線切割制備尺寸為1×10×60 mm3的試樣5個，經(jīng)機械拋光后消除表面應變，編號分別為1#、2#、3#、4#、5#，1#試樣不施加0.1T磁場，以1 173 K保溫30 min并水淬，2#施加0.1T磁場，以1 173 K保溫30 min并水淬。3#～5#試樣在電阻爐以1 173 K保溫30 min并水淬(固溶)，隨后在708 K保溫6 h并空冷(時效)，固溶和時效兩個過程以是否施加0.1T的交變磁場而得到不同的DMA試樣，圖1為交變磁場裝置(頻率為50 Hz)，熱處理工藝如表1所示。固溶和時效結(jié)束后，均先將磁場恢復至0 T后再取出樣品。將熱處理后的樣品在金相試樣預磨機上打磨，去除熱處理過程中產(chǎn)生的表面氧化層。

金相試樣在機械拋光后，采用酒精、磷酸和甘油混合溶液(2∶1∶1)進行電解拋光，采用徠卡光學顯微鏡(DM6000型)拍攝觀察金相組織。使用X射線衍射(XRD，D/MAX-rC型X射線衍射儀，在40 kV和100 mA下操作)，采用速度為1°/min的連續(xù)掃描模式鑒定相組成。用于XRD測量的樣品均通過精拋光制備，以避免形成表面應變。用型號為WDW-100的拉伸設備檢測材料的室溫抗拉強度。拉伸速度為2 mm/min，取其平均值作為它的拉伸試驗數(shù)值。采用動態(tài)機械分析儀(DMA)的雙懸臂梁模式測量不同頻率下內(nèi)耗和儲能模量(E)隨溫度的變化規(guī)律。將拋光后的樣品分別以5 K/min的升溫速率將其從143 K加熱到523 K，應變振幅為5×10-5，振動頻率分別為0.1、1和10 Hz。

1-銅線圈；2-冷卻循環(huán)水；3-電阻爐；4-試樣；5-石英管；6-控溫儀；7-調(diào)壓器

表1 不同熱處理工藝所獲的DMA樣品

2 結(jié)果與討論

2.1 磁場對M2052合金固溶的影響

2.1.1 微觀組織及結(jié)構(gòu)

圖2給出M2052合金分別在有無磁場固溶處理后的金相顯微組織。可以看到1#和2#兩種試樣均存在孿晶組織，這表明該合金在即使不經(jīng)過熱彈性馬氏體相變的情況下，反鐵磁轉(zhuǎn)變引起的晶格畸變同樣可以誘發(fā)孿晶組織的形成。這種母相孿晶組織為長板條形狀，橫跨在整個晶粒內(nèi)部，長度為晶粒大小所決定，寬度約為10～20 μm。

圖2 固溶熱處理條件下的顯微組織

圖3為固溶態(tài)合金有無磁場狀態(tài)下的XRD圖譜，由圖3可知合金在固溶處理后均為γ相。圖2(b)中2#試樣磁場固溶后的特征衍射峰與1#的相比，(111)、(200)和(311)衍射峰強度變?nèi)酰?220)衍射峰強度稍微變大，但(111)和(200)依舊是主峰。一般來說， XRD衍射峰變寬意味著大量位錯的形成。磁場熱處理可增加XRD衍射峰的半高寬，提高合金的位錯密度[8]。在固溶過程中施加磁場，高溫順磁母相轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁相時，原子間距產(chǎn)生變化，進而引起晶格畸變，在組織內(nèi)產(chǎn)生大量位錯胞[9]。位錯密度(r)可通過以下公式計算[10],

η=2etanθ

(1)

(2)

其中η為XRD峰形的半高寬，θ為衍射峰的位置角度的一半，e為有效微應變，ρ為位錯密度，b為伯氏矢量，k為幾何常數(shù)，面心立方結(jié)構(gòu)的k值為16.1。

圖4給出η與2tanθ的關(guān)系，呈線性特征，其斜率代表有效微應變?？芍瑹o磁場固溶時的微應變?yōu)?.249%，而有磁場固溶時為0.402%，由此計算的位錯密度分別為1.44×1015/m2和3.73×1015/m2。這說明固溶處理過程中，施加交變磁場可以有效提高M2052合金的位錯密度，提高幅度較無磁場固溶合金約1.6倍。這可以由磁致塑性效應和位錯增值機制來解釋[11-12]。一方面，合金的位錯具有順磁性特征，由于磁致塑性效應，磁場就能夠減小位錯形核能，增加位錯運動能力，而有助于位錯密度的提高。另一方面，當M2052合金試樣在交變磁場下進行熱處理后，磁場提供給位錯的驅(qū)動力足以克服由位錯的線性張力所引起的恢復力，即所施加的磁場可以驅(qū)動Frank-Read位錯源并引起位錯增殖。因此，磁場固溶后合金的位錯密度將會增加。

圖3 1#與2#的XRD譜

圖4 η與2tan θ的關(guān)系

2.1.2 DMA曲線特征

圖5表示M2052合金進行有無磁場固溶處理后的DMA曲線及其dE/dT曲線，其中1#為無磁場固溶處理的試樣，2#為有磁場固溶處理的試樣，3#為磁場固溶后進行無磁場時效處理的試樣。根據(jù)文獻[13]，模量最低值所對應的溫度為Tg，而模量對溫度求導所得dE/dT的最大值所對應的溫度為TN。從圖5的DMA曲線可以看出，三個試樣在220 K附近均存在略微凸起的低溫內(nèi)耗峰，低溫峰隨著頻率的增大都向高溫移動，符合頻率對孿晶的弛豫作用規(guī)律，即該內(nèi)耗峰為孿晶峰；不同的是3#的孿晶內(nèi)耗峰值明顯大于1#和2#。這是因為1#和2#只進行了固溶處理，沒有進行時效處理，此時的馬氏體相變點(TM)遠低于反鐵磁轉(zhuǎn)變點(TN)，故1#和2#只發(fā)生反鐵磁轉(zhuǎn)變，而反鐵磁轉(zhuǎn)變引起的點陣畸變會誘發(fā)孿晶組織的形成，以這種方式來釋放畸變能[14]。3#在固溶后進行了時效處理，在這一過程中合金發(fā)生了調(diào)幅分解，提高了富錳區(qū)的錳含量，從而使馬氏體相變點(TM)升高，反鐵磁轉(zhuǎn)變引起的點陣畸變會誘發(fā)馬氏體相變，繼而形成馬氏體孿晶，使得3#的孿晶峰值要明顯高于1#和2#[15]。

圖5 M2052合金有無磁場固溶試樣的DMA曲線及其dE/dT曲線

由圖5(a)和(b)可知，在固溶處理后，2#的內(nèi)耗較1#的無明顯變化，但其彈性模量較無磁場固溶處理的整體提高，這可以由前面2.1.1節(jié)所得的位錯密度來解釋。2#的位錯密度大于1#的，故固溶處理時施加磁場可以提高材料的彈性模量。M2052合金作為一種反鐵磁性材料，當反鐵磁轉(zhuǎn)變發(fā)生時，點陣失穩(wěn)導致畸變，改變其對稱，從而出現(xiàn)彈性模量隨溫度下降而降低的模量軟化現(xiàn)象[16]。模量軟化階段的模量最小值與最大值之差為ΔE。由圖5可知1#的ΔE約4 000 MPa；2#的ΔE最小，約2 000 MPa；而3#的ΔE最大，約20 000 MPa。ΔE的值與合金的化學成分、磁矩以及FCC晶格穩(wěn)定性有關(guān)。2#進行磁場固溶處理后，在磁場作用下產(chǎn)生了比1#更多的位錯，這些位錯使2#的FCC晶格更難發(fā)生畸變，因此2#的ΔE比1#的更小。3#的ΔE比1#和2#的要大得多，這是因為3#經(jīng)時效處理后提高了相變點TM，使得TM和TN更接近。試樣發(fā)生反鐵磁轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的晶格畸變不僅誘發(fā)了孿晶組織的形成，還誘導了馬氏體相變的產(chǎn)生，而馬氏體相變本身就具有一種聲學軟模特征。當反鐵磁轉(zhuǎn)變與馬氏體相變發(fā)生耦合時，3#的模量下降曲線變得更加陡峭，且ΔE也比1#和2#的更大[17]。

1#和2#兩個試樣模量軟化階段的起始溫度基本相同，約375 K，而1#試樣的Tg和TN分別為268 K和310 K，2#試樣的Tg和TN分別為305和324 K，這說明在固溶處理時施加磁場可以提高M2052合金的Tg和TN。2#試樣磁場固溶后，隨著溫度升高，其模量上升到最大值所需時間比1#的少，即磁性轉(zhuǎn)變可以更快完成。這是因為固溶處理時合金為順磁性，而位錯芯中包含有順磁中心，磁場固溶使合金的位錯密度增加，即在固溶處理時施加磁場可以形成更多的順磁中心[12]，合金的磁性轉(zhuǎn)變就更容易發(fā)生，從而使Tg和TN提高。3#的Tg和TN相對于1#和2#的Tg和TN提高了很多，這是因為3#在時效處理時會發(fā)生調(diào)幅分解，提高富錳區(qū)的Mn含量，從而提高相變點TM，同時也會使Tg和TN得到提高，但特征溫度提高的幅度不一樣[18]。

圖6 M2052合金有無磁場時效試樣的DMA曲線及其dE/dT曲線

2.2 磁場對M2052合金時效的影響

2.2.1 DMA曲線特征

圖6表示4#和5#試樣的DMA曲線及其dE/dT曲線。在圖6中，M2052合金經(jīng)時效處理后，在0.1 Hz下的內(nèi)耗曲線存在雙峰，即孿晶峰與相變峰。相變峰對應的溫度(TM)稍低于彈性模量最低值對應的溫度(Tg)，孿晶峰出現(xiàn)在220 K附近，且孿晶峰會隨著頻率的增加而右移，逐漸與相變峰合并為單一內(nèi)耗峰。從圖6還可知，5#的內(nèi)耗峰值要大于4#的峰值，5#在0.1 Hz的相變內(nèi)耗峰值比4#高5×10-3，5#在0.1Hz的孿晶內(nèi)耗峰值比4#高3×10-3，且5#的Tg和TN均稍高于4#的Tg和TN，這都與5#的磁場時效過程有關(guān)。在磁場下進行時效處理時，磁場對合金調(diào)幅分解的影響是通過控制原子的擴散來實現(xiàn)的，交變磁場可以提高金屬中原子的擴散速率[19-20]。M2052合金的內(nèi)耗峰值及其TM、Tg和TN都與Mn含量有著密切的關(guān)系，而時效過程顯著影響著合金富錳區(qū)的Mn含量，Mn含量的提高不僅會導致合金的內(nèi)耗增加，還會使TM、Tg和TN提高[18]。5#的內(nèi)耗峰值大于4#的峰值，且其TM、Tg和TN都比4#的更高，這是5#在磁場時效后的富錳區(qū)Mn含量比4#高的結(jié)果。這說明，M2052合金在交變磁場條件下進行時效處理，可以提高Mn元素在調(diào)幅分解過程中的擴散速率。

2.2.2 力學性能

圖7給出了M2052合金時效處理后的晶粒大小及抗拉強度。3#、4#、5#試樣的晶粒大小分別約為58、82和70 μm，3#和5#的晶粒尺寸要明顯小于4#中的晶粒。由拉伸實驗測得4#試樣的抗拉強度僅為435 MPa，3#和5#試樣的抗拉強度分別為457和462 MPa，兩者的抗拉強度相當，但都比4#的強度高出約25 MPa。可見無論是固溶還是時效處理，施加交變磁場都可達到細晶強化的作用，進而提高合金的抗拉強度。磁場時效處理實現(xiàn)細化晶粒是由于磁場有利于Cu原子擴散。Cu原子可以占據(jù)缺陷位置，使缺陷逐漸減少，同時釋放的能量轉(zhuǎn)移到新相形核，從而降低了新相的形核能，進而提高形核率[21]。另外，由于交變磁場可產(chǎn)生磁致收縮效應[22]，此效應引起的組織運動在磁場固溶處理時可抑制晶核長大，從而細化晶粒。

圖7 M2052合金時效處理后的晶粒大小與抗拉強度

2.2.3 拉伸斷口

M2052合金拉伸斷口的縱截面如圖8所示，拉伸后晶粒明顯伸長，晶界出現(xiàn)不同程度的扭曲，且趨于拉伸方向排列。從圖8左下角插圖中可以看出，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)流線型帶狀形貌的變形孿晶組織。隨著拉伸的進行，孿晶密度將趨于飽和，進一步變形，孿晶數(shù)量急劇減少，所以不同位置處的變形孿晶分布不均勻，有的位置稀少，有的位置集中。圖9(a)給出拉伸試樣的組織形貌，在晶粒內(nèi)同樣看到流線型的滑移組織。隨著晶粒間及孿晶間的滑移變形，MnCu合金的孿晶應力通常低于50 MPa，低孿晶應力意味著高的孿晶界遷移率[23]。在拉伸應變過程，有利于應力取向的新孿晶會形核長大，不利取向的孿晶變體則逐漸消失，這就是孿晶-去孿晶現(xiàn)象。孿晶-去孿晶的過程通常伴隨著高密度位錯的增殖[24]。圖9(b)為沿拉伸方向的反極圖，可見其拉伸變形后表現(xiàn)為較強的[111]取向和微弱的[001]取向，隨著應變的逐漸增加，[111]和[001] 在孿晶-去孿晶過程沿拉伸方向逐步形成。拉伸斷口形貌如圖10所示，其斷口是典型的韌性斷裂形貌。圖10(a)為斷口心部位置，存在許多尺寸和深度不等的圓形或橢圓形韌窩。圖10(b)為圖10(a)中虛線框內(nèi)的放大形貌，韌窩內(nèi)存在許多臺階狀形貌，如圖中箭頭所示，寬度約為5 μm，這可能是去孿晶過程中產(chǎn)生的二次孿晶。

圖8 5#拉伸試樣的縱截面圖

圖9 5#拉伸試樣的組織形貌和反極圖

圖10 5#拉伸試樣的斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)由于磁致塑性效應和位錯增值機制，固溶處理時施加交變磁場可以提高M2052合金的位錯密度。無磁場固溶時的位錯密度約為1.44×1015/m2，磁場固溶后的位錯密度約為3.73×1015/m2，磁場固溶提高了合金的彈性模量，且位錯構(gòu)成的順磁中心使合金的Tg和TN得到提高。

(2)磁場時效可以提高M2052合金的相變點，并使內(nèi)耗峰值得到提高。磁場時效合金在0.1 Hz的相變內(nèi)耗峰值比無磁場時效合金的高5×10-3，磁場時效合金在0.1 Hz的孿晶內(nèi)耗峰值比無磁場時效合金的高3×10-3。

(3)在固溶和時效處理時施加磁場都可以實現(xiàn)晶粒的細化。M2052合金未施加磁場熱處理時的抗拉強度僅為435 MPa；磁場固溶和磁場時效后的抗拉強度分別為457和462 MPa。都比未施加磁場熱處理合金的強度高出約25 MPa。

(4)拉伸過程中存在孿晶-去孿晶過程，合金沿拉伸方向形成較強的[111]取向和微弱的[001]取向。