08-弹性合金

南航材料学院王寅岗1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、高的疲劳强度、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。所谓恒弹性是指在一定温度范围内，材料的弹性模量（或共振频率）随温度变化很小或不变。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。第八章弹性合金南航材料学院王寅岗2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南航材料学院王寅岗38.1金属与合金的弹性（1）一、弹性极限与弹性模量1、实验规律BC0,%,MPaA弹性变形弹性极限南航材料学院王寅岗4弹性模量杨氏模量E剪切模量G体积弹性模量K*llaaxy//EG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）南航材料学院王寅岗5E、G、K的物理意义12EG213EK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）南航材料学院王寅岗6（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）南航材料学院王寅岗7（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）南航材料学院王寅岗8二、弹性模量温度系数TEEdd1ETGGdd1G弹性模量E(G)随温度变化而变化，用E(G)表示温度变化1℃时弹性模量的相对变化，即：(1/C)(1/C)8.1金属与合金的弹性（6）南航材料学院王寅岗9三、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化，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：Tdfdf10f(1/C)f0——材料的共振频率。——材料的线膨胀系数。E=2f8.1金属与合金的弹性（7）南航材料学院王寅岗10四、铁磁材料的弹性反常一般金属与合金的弹性模量随温度升高而减小，0，这是正常变化。而一些金属和合金的弹性模量，在室温附近的一定温度范围内变化很小（0），甚至增加（0），这属于弹性模量的反常变化，称弹性反常。原因：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原因---力致伸缩B0,%,MPaA8.1金属与合金的弹性（8）南航材料学院王寅岗11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=EpE=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值的变化；E——力致体积伸缩引起的E值的变化；EA——由自发体积磁致伸缩引起的E值的变化。常见现象'EEE正常铁磁NiENi42Fe58EAEEEE'8.1金属与合金的弹性（9）南航材料学院王寅岗12铁磁材料的E是由Ep和E两部分组成，因此E随温度的变化也应由这两部分的温度系数所构成。Ep随温度升高而减小，但这一减小可由E效应随温度的变化进行补偿，从而使材料的E值随温度变化很小（0）；如果超量补偿，则可使E随温度升高而增加（0），出现弹性反常变化。对不同材料，E效应中的各分量E、E、EA所占分数不同，所以E随温度的变化表现出不同的特征。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）南航材料学院王寅岗13五、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）南航材料学院王寅岗14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）南航材料学院王寅岗15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）南航材料学院王寅岗16弹性滞后示意图8.1金属与合金的弹性（14）南航材料学院王寅岗17内耗在弹性材料研究中有两种意义：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，以减少能量的损耗；而在另一些场合，为了减振降噪则需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，使振动逐渐停止，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Q1是机械品质因数Q的倒数。8.1金属与合金的弹性（15）南航材料学院王寅岗18%100AAAWW2n21n2n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）南航材料学院王寅岗19弹性不完整性的起因微观塑性变形的不均匀性间隙原子的扩散晶界的粘滞性流动弹性不完整性的控制方法提高弹性极限降低合金微观区域的不均匀性8.1金属与合金的弹性（17）南航材料学院王寅岗208.2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℃。南航材料学院王寅岗21Ni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%也不会明显改变这一状态。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）南航材料学院王寅岗22Cr的加入（w(Cr)11.5%）可提高合金的电极电位，增强耐蚀性。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，增强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，很容易发生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含量控制在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，一般采用高Ti低A1，这有利于合金强度的提高。8.2高弹性合金（3）南航材料学院王寅岗23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含量一般控制在w(C)=0.05%左右。8.2高弹性合金（4）南航材料学院王寅岗24(1)标准（普通）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。对于复杂的弹性元件的成型，不宜采用此热处理工艺。(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相沿分布均匀的多边化位错网均匀析出。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、丝材特别适用。(4)为了提高合金或弹性元件的性能及性能稳定性，还可采用稳定化处理、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）南航材料学院王寅岗25Ni36CrTiAl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。该合金不足之处是使用温度较低（250℃）。为进一步提高合金的使用温度和热稳定性，研究发现，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，当温度升高到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，热稳定性和抗松弛能力提高。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）南航材料学院王寅岗26Ni36CrTiAl合金性能与固溶温度的关系曲线（保温