葉劍標(biāo),余曉云

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,安徽 亳州 236800)

0 引言

銅錳合金由于具有良好的強(qiáng)塑性、阻尼性能和減震降噪性能等,在建筑行業(yè)中具有較為廣泛的應(yīng)用前景[1,2]。然而,在實(shí)際加工和熱處理過(guò)程中,銅錳合金會(huì)由于形成了馬氏體和孿晶組織而影響了其阻尼性能,如何通過(guò)控制銅錳合金的生產(chǎn)工藝,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其微觀組織的控制,進(jìn)而得到具有良好阻尼性能的銅錳合金[3,4],是廣大科研工作者和生產(chǎn)企業(yè)共同探索研究的熱點(diǎn)。雖然科研工作者已經(jīng)開(kāi)展了銅錳合金的變形工藝對(duì)阻尼性能的影響方面的研究,但是關(guān)于固溶和時(shí)效熱處理以及后續(xù)的冷卻方式對(duì)銅錳合金微觀組織和阻尼性能的影響方面的報(bào)道成果較少[5,6]。在建筑等行業(yè)對(duì)銅錳合金的力學(xué)性能和阻尼性能的要求越來(lái)越高,開(kāi)展熱處理工藝以提高銅錳合金阻尼性能為目的的研究尤為重要。本文分析了軋制態(tài)、固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)錳銅合金的組織與性能方面的研究成果,該研究成果對(duì)提高錳銅合金的力學(xué)性能和阻尼性能提供科學(xué)路徑。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為建筑設(shè)計(jì)用冷軋態(tài)銅錳合金板材(厚1.5 mm),具體化學(xué)成分采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)得為:w(Mn)=31.00%,w(Co)=10.50%,w(Fe)=0.68%,余量為Cu。在Nabertherm熱處理爐中對(duì)銅錳合金進(jìn)行熱處理,具體熱處理工藝如表1。采用線切割方法將經(jīng)過(guò)固溶+時(shí)效熱處理的試樣加工成阻尼測(cè)試試樣,尺寸為30 mm×5 mm×1 mm。

表1 銅錳合金的熱處理工藝Tab.1 Heat treatment process of copper manganese alloy

采用德國(guó)D8 ADVANCE型X射線衍射儀對(duì)熱處理態(tài)銅錳合金進(jìn)行物相分析;熱處理態(tài)銅錳合金的顯微組織采用IT-500型掃描電鏡進(jìn)行;采用TA-800型動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀進(jìn)行室溫應(yīng)變振幅-阻尼曲線測(cè)試(頻率為2 Hz、振幅1～100 μm)。

2 結(jié)果與分析

圖1 銅錳合金的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Cu-Mn alloy

圖1為銅錳合金的X射線衍射分析,分別列出了冷軋態(tài)、固溶+水冷和固溶+空冷狀態(tài)下銅錳合金的XRD圖譜。對(duì)比分析可見(jiàn),冷軋態(tài)、固溶+水冷和固溶+空冷態(tài)銅錳合金都主要在(111)(200)(220)和(311)晶面出現(xiàn)了fcc結(jié)構(gòu)的γ相,冷軋態(tài)銅錳合金還在(222)晶面出現(xiàn)γ相。可見(jiàn),經(jīng)過(guò)固溶+水冷和固溶+空冷后銅錳合金在(222)晶面的衍射峰消失,而在(220)晶面的衍射峰有所增強(qiáng),且前者的衍射峰位置發(fā)生了一定程度左移。究其原因,主要與固溶處理會(huì)使得部分在軋制過(guò)程中形成的初生相回熔至基體所致,且固溶冷卻過(guò)程中銅錳合金會(huì)發(fā)生一定程度的晶格畸變,相應(yīng)地衍射峰位置會(huì)發(fā)生改變[7]。

圖2為銅錳合金的掃描電鏡顯微形貌,分別列出了冷軋態(tài)、固溶+水冷和固溶+爐冷狀態(tài)下銅錳合金的顯微形貌?？梢?jiàn),冷軋狀態(tài)下銅錳合金中存在著顆粒狀初生相以及沿軋制方向變形的晶粒;經(jīng)過(guò)固溶+水冷和固溶+空冷處理后,銅錳合金中初生相基本消失,此時(shí)的銅錳合金表現(xiàn)為單一γ相形態(tài),但是固溶+水冷和固溶+空冷態(tài)銅錳合金的顯微形貌存在較大差異,表現(xiàn)為固溶+水冷態(tài)合金中未出現(xiàn)明顯細(xì)小晶粒,而水冷狀態(tài)銅錳合金中可見(jiàn)細(xì)小晶粒,平均晶粒尺寸約為36 μm。相較而言,雖然固溶處理后不同的冷卻方式都可以使得初生相發(fā)生回熔以及軋制形態(tài)消失,但是固溶+空冷態(tài)銅錳合金的晶粒較大,而固溶+水冷狀態(tài)銅錳合金的晶粒較為細(xì)小,這主要是因?yàn)樗錉顟B(tài)銅錳合金的冷卻速度較快,晶粒還來(lái)不及長(zhǎng)大所致,而細(xì)小的晶粒尺寸更有利于提高建筑設(shè)計(jì)用銅錳合金的阻尼性能[8]。

圖2 銅錳合金的掃描電鏡顯微形貌Fig.2 SEM morphology of Mn-Cu alloy

圖3為銅錳合金的阻尼-應(yīng)變振幅曲線,分別列出了冷軋態(tài)、固溶+水冷和固溶+爐冷狀態(tài)下銅錳合金的阻尼隨著應(yīng)變振幅的變化。對(duì)比分析可知,冷軋態(tài)、固溶+水冷和固溶+空冷狀態(tài)下銅錳合金的的阻尼都會(huì)隨著應(yīng)變振幅的增加而逐漸增大,在開(kāi)始階段,三種狀態(tài)的銅錳合金的阻尼變化幅度較小,而當(dāng)應(yīng)變振幅增加至10-4及以上時(shí),三種狀態(tài)銅錳合金的阻尼會(huì)隨著應(yīng)變振幅增加而快速增大,且在相同的應(yīng)變振幅下,銅錳合金的阻尼從大至小順序?yàn)?軋制態(tài)>固溶+爐冷態(tài)>固溶+水冷態(tài)。由此可見(jiàn),經(jīng)過(guò)固溶+爐冷和固溶+水冷處理后,建筑設(shè)計(jì)用銅錳合金的阻尼性能會(huì)有一定程度減小,且固溶+水冷方式下銅錳合金的阻尼性能降低幅度較大,仍然需要通過(guò)后續(xù)的時(shí)效熱處理來(lái)進(jìn)一步調(diào)控銅錳合金的微觀組織,以提升銅錳合金的阻尼性能[9]。

從前述的試驗(yàn)結(jié)果可知,固溶+水冷態(tài)銅錳合金的晶粒更為細(xì)小,且在相同振幅下,其阻尼最小,所以進(jìn)一步嘗試對(duì)這種狀態(tài)的銅錳合金進(jìn)行不同時(shí)間的時(shí)效熱處理,以期提高銅錳合金阻尼性及力學(xué)性能。圖4為銅錳合金經(jīng)過(guò)水冷熱處理時(shí)效試驗(yàn)后,通過(guò)X射線衍射分析結(jié)果。可見(jiàn),經(jīng)過(guò)4～16 h時(shí)效熱處理后,銅錳合金的物相組成并沒(méi)有發(fā)生改變,仍然由fcc結(jié)構(gòu)的單相γ組成,并沒(méi)有出現(xiàn)其它物相。

圖3 銅錳合金的阻尼-應(yīng)變振幅曲線Fig.3 Damping value-strain amplitude curve of Cu-Mn alloy

圖4 銅錳合金的X射線衍射分析結(jié)果Fig.4 X-ray diffraction analysis of Cu-Mn alloy

圖5為時(shí)效前后銅錳合金的掃描電鏡顯微形貌。經(jīng)過(guò)4～16 h時(shí)效熱處理后,銅錳合金的組織形態(tài)與時(shí)效前的固溶+水冷態(tài)合金相似,可見(jiàn)尺寸不等的晶粒,銅錳合金并沒(méi)有發(fā)生馬氏體相變。相較于固溶+水冷態(tài)合金,經(jīng)過(guò)時(shí)效熱處理后銅錳合金的晶粒都發(fā)生了一定程度地粗化與長(zhǎng)大,且銅錳合金的晶粒尺寸會(huì)隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增大。晶粒尺寸的最大會(huì)使得銅錳合金的晶界密度減小,但是如果時(shí)效時(shí)間太長(zhǎng)(16 h),銅錳合金中會(huì)出現(xiàn)富Mn相的凸起并阻礙馬氏體與基體的界面運(yùn)動(dòng)而降低阻尼性能[10]。

圖5 時(shí)效前后銅錳合金的掃描電鏡顯微形貌Fig.5 Scanning electron microscopic morphology of Cu-Mn alloy under different aging time

圖5 (續(xù))Fig.5 (Continue)

圖6為時(shí)效處理后銅錳合金的阻尼-應(yīng)變振幅曲線。對(duì)比分析可知,固溶態(tài)、時(shí)效4 h、時(shí)效8 h、時(shí)效12 h和時(shí)效16 h后,銅錳合金的阻尼隨著應(yīng)變振幅的變化趨勢(shì)相同,即在應(yīng)變振幅較小時(shí),銅錳合金的阻尼變化幅度不大,而隨著應(yīng)變振幅的增加,銅錳合金的阻尼逐漸呈現(xiàn)快速增大的趨勢(shì);相同應(yīng)變振幅下時(shí)效態(tài)銅錳合金的阻尼性能都高于固溶態(tài),且銅錳合金的阻尼在時(shí)效8 h時(shí)較大,其它時(shí)效態(tài)銅錳合金的阻尼相對(duì)較小。應(yīng)變振幅的變化對(duì)時(shí)效態(tài)銅錳合金的阻尼的影響較為敏感,雖然經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后銅錳合金的阻尼性能會(huì)提升,但是需要找出合適的時(shí)效時(shí)間,因?yàn)闀r(shí)效時(shí)間如果過(guò)長(zhǎng),則銅錳合金的晶粒尺寸相對(duì)較大,從阻尼-應(yīng)變振幅曲線可知,固溶+水冷態(tài)銅錳合金的阻尼性能在時(shí)效時(shí)間為8 h時(shí)較為理想。

圖6 時(shí)效處理后銅錳合金的阻尼-應(yīng)變振幅曲線Fig.6 Damping value-strain amplitude curve of Cu-Mn alloy under different aging time

3 結(jié)論

1)冷軋態(tài)、固溶+水冷和固溶+空冷態(tài)銅錳合金都主要在(111)(200) (220)和(311)晶面出現(xiàn)了fcc結(jié)構(gòu)的γ相,冷軋態(tài)銅錳合金還在(222)晶面出現(xiàn)γ相。經(jīng)過(guò)4～16 h時(shí)效熱處理后,銅錳合金的物相組成并沒(méi)有發(fā)生改變,仍然由fcc結(jié)構(gòu)的單相γ組成,并沒(méi)有出現(xiàn)其它物相。

2)雖然固溶處理后不同的冷卻方式都可以使得初生相發(fā)生回熔以及軋制形態(tài)消失,但是固溶+空冷態(tài)銅錳合金的晶粒較大,而固溶+水冷狀態(tài)銅錳合金的晶粒較為細(xì)小。

3)應(yīng)變振幅的變化對(duì)時(shí)效態(tài)銅錳合金的阻尼的影響較為敏感,雖然經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后銅錳合金的阻尼性能會(huì)提升,但適宜的時(shí)效時(shí)間為8 h。