家具設(shè)計(jì)用Mn-Cu合金組織的影響

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摘要：采用X射線衍射分析儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀（DMA）等分析了固溶/時(shí)效熱處理對家具設(shè)計(jì)用mn-cu合金組織與阻尼性能的影響，得出了較為適宜的熱處理工藝，并探討了顯微組織與阻尼性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在相同的應(yīng)變振幅下，固溶/爐冷Mn-Cu合金的阻尼值要高于固溶/水冷Mn-Cu合金的阻尼值，且都小于軋制態(tài)Mn-Cu合金的阻尼值；隨著時(shí)效時(shí)間的增加，同一應(yīng)變振幅下的Mn-Cu合金的阻尼值呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢，在時(shí)效時(shí)間為8h時(shí)獲得的阻尼值最大；因此，Mn-Cu合金經(jīng)過時(shí)效處理后，并不是時(shí)效時(shí)間越長阻尼性能越好，Mn-Cu合金適宜的時(shí)效保溫時(shí)間為8h。

關(guān)鍵詞：固溶；時(shí)效；Mn-Cu合金；組織；阻尼性能

家具設(shè)計(jì)作品的完成需要具有良好綜合性能的一系列材料來配合，其中，Mn-Cu合金由于具有良好的硬度、剛度、色澤和其它陶瓷、玻璃等不具備的延展性而被廣泛應(yīng)用于家具設(shè)計(jì)中，如電子器件、儀表、鉸鏈、門把手、門窗框架或者室內(nèi)裝飾配件等[1]。隨著對建筑功能化使用要求的提高，多功能綜合性建筑應(yīng)運(yùn)而生，尤其是隨著振動(dòng)和噪聲問題的出現(xiàn)，采用對人們健康有益且能減振降噪的材料成為了科研工作者急需解決的問題[2]。本文通過研究熱處理工藝對家具設(shè)計(jì)用Mn-Cu合金組織與阻尼性能的影響，有助于揭示阻尼性能與材料顯微組織之間的對應(yīng)關(guān)系，以期為開發(fā)出具有較高阻尼性能的室內(nèi)用材提供必要參考。

1試驗(yàn)材料與方法試驗(yàn)材料為家具設(shè)計(jì)用

Mn-Cu合金.從Mn-Cu合金板材上截取30mm×10mm×2mm的試塊若干，在卡博萊特CWF通用型馬弗爐中進(jìn)行固溶和時(shí)效熱處理。分別進(jìn)行4種熱處理工藝：A：835℃/0.5h爐冷；B：835℃/0.5h水冷；C：835℃/0.5h爐冷+425℃/（4～16h）爐冷；D：835℃/0.5h水冷+425℃/（4～16h）爐冷。將熱處理后的試樣加工成30mm×5mm×1mm阻尼測試片，用砂紙打磨和清洗吹干備用。不同熱處理制度下的Mn-Cu合金的物相分析采用帕納科AxiosmAX型X射線衍射儀進(jìn)行，掃描速度為2°/min；采用VEGAILMU可變真空鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察不同狀態(tài)下Mn-Cu合金的顯微形貌；應(yīng)變振幅-阻尼性能測試在Q800動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀上進(jìn)行，試驗(yàn)中采用單懸臂梁振幅掃描磨損，頻率為1Hz，溫度為常溫，振幅范圍在0.5～100μm，測試試樣在室溫下阻尼值隨著振幅的緩慢變化，得出阻尼隨振幅增加的應(yīng)變振幅-阻尼曲線。

2結(jié)果與分析

2.1固溶處理對合金組織的影響

（工藝A）和固溶/水冷（工藝B）態(tài)Mn-Cu合金的X射線衍射分析結(jié)果。物相分析結(jié)果表明，對于軋制態(tài)Mn-Cu合金，合金中都為面心立方結(jié)構(gòu)的單相γ，衍射峰出現(xiàn)在（111）（200）（220）（311）和（222）晶面；經(jīng)過固溶/爐冷和固溶/水冷處理后，Mn-Cu合金中（222）晶面的衍射峰基本消失，尤其是在固溶/爐冷態(tài)下（222）晶面的衍射峰完全消失。除此之外，固溶/水冷后的Mn-Cu合金的衍射峰，相對于軋制態(tài)發(fā)生了左側(cè)偏移，這主要與固溶/水冷導(dǎo)致的晶格畸變有關(guān)[3]。對軋制態(tài)、固溶/爐冷和固溶/水冷態(tài)Mn-Cu合金的顯微形貌進(jìn)行觀察。軋制態(tài)下的Mn-Cu合金發(fā)生了晶粒破碎和部分再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒尺寸分布不均勻，合金中第二相有在軋制過程中破碎和沿著軋制方向變形的特征；經(jīng)過固溶/爐冷處理后，合金中主要為單一的亞穩(wěn)γ相，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒；而經(jīng)過固溶/水冷后，Mn-Cu合金中可見明顯的細(xì)小六邊形晶粒存在。這主要是由于水冷后Mn-Cu合金的冷卻速度較快，合金晶粒來不及長大所致[4]。因?yàn)楣倘?水冷后的合金的晶粒尺寸較為細(xì)小，合金誘發(fā)馬氏體相變所需要的能量就會(huì)越大，在相同熱處理?xiàng)l件下越不容易形成馬氏體，從而使合金的阻尼性能有所降低[5]。

2.2固溶/時(shí)效處理對合金阻尼性能的影響

爐冷和固溶/水冷Mn-Cu合金的阻尼值隨著應(yīng)變振幅的變化曲線。其中，阻尼值用品質(zhì)因子的倒數(shù)Q1表示（無量綱參數(shù)），應(yīng)變振幅（無量綱參數(shù)）為一個(gè)應(yīng)變周期中最大應(yīng)變和最小應(yīng)變之差的二分之一。可以看出，無論是軋制態(tài)還是固溶態(tài)Mn-Cu合金，阻尼值都會(huì)隨著應(yīng)變振幅的增加而逐漸增大。但是相對而言，在較小的應(yīng)變振幅下，3種狀態(tài)下合金的阻尼值的變化幅度較小。對比分析可見，在相同的應(yīng)變振幅下，固溶/爐冷Mn-Cu合金的阻尼值要高于固溶/水冷Mn-Cu合金，且都小于軋制態(tài)Mn-Cu合金。相對而言，雖然固溶/爐冷的阻尼性能相對固溶/水冷更好，但是與軋制態(tài)Mn-Cu合金仍然有一定差距，需要進(jìn)一步通過時(shí)效熱處理方法加以提高。水冷態(tài)和不同時(shí)間時(shí)效態(tài)Mn-Cu合金的X射線衍射分析結(jié)果。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然時(shí)效熱處理時(shí)間不同，但是時(shí)效態(tài)合金的物相還都為面心立方結(jié)構(gòu)單相γ，衍射峰出現(xiàn)在（111）（200）（220）（311）和（222）等晶面，與固溶/水冷態(tài)合金的物相種類基本相同。由此可見，經(jīng)過時(shí)效熱處理后，Mn-Cu合金中沒有出現(xiàn)新的物相。對固溶/水冷態(tài)、時(shí)效4h、時(shí)效8h和時(shí)效16h熱處理后的Mn-Cu合金的進(jìn)行掃描電鏡顯微形貌觀察。在固溶/水冷后進(jìn)行時(shí)效熱處理，合金中并沒有出現(xiàn)明顯的馬氏體形態(tài)。這可能是由于時(shí)效后的冷卻速度較慢，不具備形成馬氏體的條件。經(jīng)過時(shí)效熱處理后合金的晶粒尺寸相對于固溶/水冷態(tài)更大，且隨著時(shí)效時(shí)間的延長，晶粒尺寸呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，且在時(shí)效時(shí)間為16h時(shí)的合金中出現(xiàn)了局部富Mn（凸起部分）。晶粒尺寸的粗化會(huì)在一定程度上降低晶界密度，從而有助于時(shí)效過程阻尼性能的降低，但是晶界處富Mn相的產(chǎn)生會(huì)阻礙馬氏體和基體之間的界面運(yùn)動(dòng)，從而降低阻尼性能[6-7]。水冷態(tài)和不同時(shí)間時(shí)效態(tài)Mn-Cu合金的阻尼值隨著應(yīng)變振幅的變化曲線。可以看出，在相同應(yīng)變振幅下，經(jīng)過不同時(shí)間時(shí)效處理后的Mn-Cu合金，其阻尼品質(zhì)因子的倒數(shù)Q-1都要高于固溶/水冷態(tài)合金；隨著應(yīng)變振幅的增加，固溶/水冷態(tài)和不同時(shí)效態(tài)Mn-Cu合金的阻尼值Q-1都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。由此可見，經(jīng)過固溶/水冷處理后的Mn-Cu合金的阻尼性能對應(yīng)變振幅較為敏感。在固溶/水冷制度相同的條件下，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，同一應(yīng)變振幅下的Mn-Cu合金的阻尼值呈現(xiàn)固溶/爐冷固溶/水冷先增加而后降低的趨勢，在時(shí)效時(shí)間為8h時(shí)取得最大值。綜合而言，經(jīng)過時(shí)效處理后，Mn-Cu合金的阻尼值有所升高，但是并不是時(shí)效時(shí)間越長阻尼性能越好，而是在中間某一時(shí)效時(shí)間時(shí)取得最大值，本文適宜的時(shí)效時(shí)間為8h。

3結(jié)論

（1）軋制態(tài)Mn-Cu合金中都為面心立方結(jié)構(gòu)的單相γ，衍射峰出現(xiàn)在（111）（200）（220）（311）和（222）晶面；經(jīng)過固溶/爐冷和固溶/水冷處理后，Mn-Cu合金中（222）晶面的衍射峰基本消失，尤其是在固溶/爐冷態(tài)下，（222）晶面的衍射峰完全消失。（2）無論是軋制態(tài)還是固溶態(tài)Mn-Cu合金，阻尼值都會(huì)隨著應(yīng)變振幅的增加而逐漸增大。但是相對而言，在較小的應(yīng)變振幅下，3種狀態(tài)下合金的阻尼值的變化幅度較小；在相同的應(yīng)變振幅下，固溶/爐冷Mn-Cu合金的阻尼值要高于固溶/水冷Mn-Cu合金，且都小于軋制態(tài)Mn-Cu合金。（3）在相同應(yīng)變振幅下，經(jīng)過不同時(shí)間時(shí)效處理后的Mn-Cu合金的阻尼值，都要高于固溶/水冷態(tài)合金；隨著時(shí)效時(shí)間的延長，同一應(yīng)變振幅下的Mn-Cu合金的阻尼值呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢，在時(shí)效時(shí)間為8h時(shí)取得最大值。

參考文獻(xiàn):

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作者:金晚霞 陳啟祥 秦瑩 單位:湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院 武漢理工大學(xué)材料工程系