Al含量和熱處理對Fe-Al合金磁學(xué)-力學(xué)阻尼的影響

周正存，杜 潔，楊 洪，嚴(yán)勇健，顧蘇怡

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

Al含量和熱處理對Fe-Al合金磁學(xué)-力學(xué)阻尼的影響

周正存，杜 潔，楊 洪，嚴(yán)勇健，顧蘇怡

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

用多功能內(nèi)耗儀對Al含量以及熱處理對Fe-Al合金磁學(xué)-力學(xué)阻尼性能的影響規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行研究，實驗結(jié)果表明：Al含量10.5(at.)%的Fe-Al合金經(jīng)空冷阻尼性能最佳，而經(jīng)相同熱處理的29(at.)%Al和38(at.)%Al合金阻尼性能較低。鑄態(tài)和水淬的樣品也顯示出很低的阻尼性能.此外，熱處理時的加熱溫度對阻尼性能也有重要影響，要獲得高阻尼性能，合適的加熱溫度是必要的.與Fe-Cr-Al合金一樣，F(xiàn)e-Al合金的阻尼性能也隨溫度的升高，阻尼值下降。

Fe-Al合金；磁學(xué)-力學(xué)阻尼；Al含量；熱處理

Fe-Al合金是一種鐵磁性材料。鐵磁材料的磁學(xué)-力學(xué)滯后阻尼產(chǎn)生于應(yīng)力誘導(dǎo)的不可逆的磁疇壁的運動，在低頻下，它是這類材料高阻尼的主要來源。這種阻尼最重要的特征是具有強(qiáng)烈的應(yīng)變振幅效應(yīng)并且對內(nèi)應(yīng)力很敏感，這些內(nèi)應(yīng)力是由晶界、位錯、雜質(zhì)、點缺陷和第二相等晶體缺陷產(chǎn)生的[1-8]。Smith和Birchak(S-B)根據(jù)應(yīng)變振幅和內(nèi)應(yīng)力的統(tǒng)計分布提出了一個唯象模型[7]，用來描述這種阻尼性能。這個唯象模型包括兩部分：一部分是在相當(dāng)?shù)偷膽?yīng)變振幅條件下的阻尼公式；另一部分是在高應(yīng)變振幅條件下的最大阻尼值公式；另一部分是在高應(yīng)變振幅條件下的最大阻尼值公式。后一公式一直被廣泛用來研究鐵磁材料的阻尼性能[1-4，9-10]。Masumoto等[10]在很寬的Cr含量范圍內(nèi)研究了鍛造的Fe-Cr合金的阻尼性能，對于在1 200 ℃保溫1 h退火(5 ℃/min)的樣品，發(fā)現(xiàn)最佳阻尼性能(68×10-3)出現(xiàn)在含15%Cr的合金中。Azco?tia等[2]用高應(yīng)變振幅公式研究了Fe-Cr合金中添加Mo和Al對其阻尼性能的作用。本研究將用S-B模型中的低應(yīng)變公式，即：應(yīng)變振幅效應(yīng)，探討Fe-Al合金的磁學(xué)-力學(xué)阻尼性能。與Fe-Cr-X(Al或Mo)一樣，F(xiàn)e-Al合金是另一種有發(fā)展前途的高阻尼材料。但與Fe-Cr合金相比，有關(guān)Fe-Al合金的磁學(xué)-力學(xué)阻尼的研究還很少，尤其是有關(guān)合金元素、加工條件、磁學(xué)性能等因素對這種合金阻尼性能的影響還少有報道。本研究重點考察Al含量、熱處理工藝、磁性能等因素對Fe-Al合金的磁學(xué)-力學(xué)阻尼的影響，探索合金形成高阻尼的物理機(jī)制，為實際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗方法

樣品用工業(yè)純Fe和工業(yè)純Al在真空感應(yīng)電爐中熔煉，測量內(nèi)耗的樣品從鑄坯上切取，尺寸為70×1.7×0.9 mm。為了獲得不同的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對樣品進(jìn)行不同的熱處理，在不同的溫度下加熱1 h，然后分別進(jìn)行爐冷、空冷和水冷。

用內(nèi)耗(Q-1)表征阻尼性能，在多功能內(nèi)耗儀上用自由衰減和強(qiáng)迫振動方法測量。除此之外，還對樣品進(jìn)行了磁滯回線、顯微硬度(Hv)、楊氏模量(E) 的測量。其中楊氏模量的測量在聲頻內(nèi)耗儀上完成，磁滯回線在超導(dǎo)量子干涉儀上完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻尼對應(yīng)變振幅的依賴性

2.1.1 Al含量的影響

空冷條件下，不同Al含量的Fe-Al合金的阻尼性能與應(yīng)變振幅的關(guān)系見圖1。由圖1可看出，F(xiàn)e-Al合金的阻尼性能表現(xiàn)明顯的應(yīng)變振幅依賴性，且這種應(yīng)變振幅效應(yīng)的強(qiáng)弱隨Al含量呈非單調(diào)性地變化。

圖1 不同Al含量空冷Fe-Al合金的阻尼與應(yīng)變振幅的關(guān)系（自由衰減）

實驗開始時，應(yīng)變振幅效應(yīng)隨Al含量的增加而增加，到10.5(at.)%Al時，應(yīng)變振幅效應(yīng)最強(qiáng)。這種應(yīng)變振幅效應(yīng)與S-B模型所描述的規(guī)律一致。在低應(yīng)變振幅條件下，磁學(xué)-力學(xué)滯后阻尼與應(yīng)變振幅的線性關(guān)系[8]為

式中：K是無量綱的常數(shù)；λs是飽和磁致伸縮系數(shù)；E是楊氏模量；ε是應(yīng)變振幅；σI是內(nèi)應(yīng)力。

由式(1)可以看出：應(yīng)變振幅效應(yīng)(SR)與λs、E成正比，與內(nèi)應(yīng)力σI成反比。由于σI起初也是隨著Al含量的增加而快速增加[11]，因此SR隨Al含量的增加是自然的。但是λs的最大值與SR的最大值所對應(yīng)的Al含量是不同的，前者出現(xiàn)在17(at.)%Al附近[11]，這似乎與式(1)相矛盾。

E和Hv隨Al含量的變化見圖2。由圖2可看出，E隨Al含量的減小和σI隨Al含量的增加導(dǎo)致了SR的降低。楊氏模量E隨Al含量的增加而降低。這是因為當(dāng)Al含量增加時，短程有序區(qū)的量增加，有序區(qū)和無序區(qū)的界面之間會產(chǎn)生微塑性變形，導(dǎo)致模量軟化[11]。當(dāng)Al含量達(dá)到29(at。)%時，其有序度不再隨Al含量而增加，E幾乎保持常量。

圖2 楊氏模量(E)和硬度(Hv)隨Al含量的變化

Al含量增加、顯微硬度升高，表明內(nèi)應(yīng)力也增加[12]。實際上，替代式原子的引入將引起晶格畸變，使內(nèi)應(yīng)力增加，合金元素含量越高，內(nèi)應(yīng)力增加的幅度就越大[12]。當(dāng)Al含量達(dá)到29(at.)%時，硬度不再明顯增加也與有序度不再發(fā)生變化有關(guān)。因此，盡管17(at.)%Al的合金具有較大的λs，但其E值較小而內(nèi)應(yīng)力較大，所以其SR較小。

此外，F(xiàn)e-Al合金的磁性隨Al含量的增加而下降，直到26.8(at.)%Al時達(dá)到最小[13]。因此，29%Al和38%Al的Fe-Al合金表現(xiàn)出很小的應(yīng)變振幅效應(yīng)。

2.1.2 冷卻方式的影響

不同冷卻方式對10.5(at.)%Al合金應(yīng)變振幅效應(yīng)的影響見圖3。與Fe-Cr-Al合金不同的是，空冷的Fe-Al合金樣品顯示出最強(qiáng)的應(yīng)變振幅效應(yīng)而非爐冷的樣品。水淬和鑄態(tài)樣品顯示出較弱的應(yīng)變振幅效應(yīng)。

由于鑄態(tài)樣品的內(nèi)應(yīng)力太大，因此，其SR很小。對于水淬的樣品，由于其含有較多的180°磁疇，同時其內(nèi)應(yīng)力也較大，因此，其SR也較小，這種情況與Fe-Cr-Al合金相似[4]。

不僅可以由式(1)理解爐冷樣品和空冷樣品振幅效應(yīng)的差別，也可用磁性能與磁學(xué)-力學(xué)滯后阻尼的關(guān)系來解釋。依據(jù)文獻(xiàn)[14]，磁學(xué)-力學(xué)滯后阻尼(φh)可表示為

圖3 不同冷卻方式的樣品的阻尼與應(yīng)變振幅的關(guān)系（自由衰減）

式中：α是系數(shù)；Ms是飽和磁化強(qiáng)度。

由式可看出，φh與Ms成反比。圖4和圖5分別顯示了空冷和爐冷的10.5(at.)%Al樣品的磁滯回線。很明顯，空冷樣品的飽和磁化強(qiáng)度比爐冷樣品要小，由式(2)可以推算，空冷樣品的阻尼比爐冷樣品大。

圖4 空冷樣品的磁滯回線

圖5 爐冷樣品的磁滯回線

由圖4和圖5可以看出，空冷樣品和爐冷樣品的矯頑力相當(dāng)，但兩者達(dá)到磁飽和所需的磁場強(qiáng)度不同，空冷樣品的磁飽和在較小的磁場強(qiáng)度下就能達(dá)到，而爐冷樣品的磁飽和卻需要較高的磁場強(qiáng)度。這樣，爐冷樣品的磁化過程可能以自發(fā)磁化矢量的轉(zhuǎn)動為主，而空冷樣品的磁化過程則可能以磁疇壁的不可逆移動為主。

2.1.3 加熱溫度的影響

空冷條件下，10.5(at.)%Al合金的阻尼與應(yīng)變振幅的關(guān)系見圖6。由圖6可以看出，隨加熱溫度的增加，應(yīng)變振幅效應(yīng)隨之增強(qiáng)。由此可知，加熱溫度的提高不僅有利于顯微組織和成分的均勻化、降低內(nèi)應(yīng)力，而且能增加飽和磁致伸縮系數(shù)(λs)，由式(1)可知，SR隨之增大?？墒?，SR并不是單調(diào)地隨加熱溫度的增加而增大。當(dāng)加熱溫度超過900 ℃時，SR反而開始減小。這是因為過高的加熱溫度容易造成固溶體中雜質(zhì)的富集，不利于阻尼性能的提高，這一情況與文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]所報道的情況類似。

圖6 10.5 (at.)%Al合金從不同溫度空冷時的阻尼與應(yīng)變振幅的關(guān)系（自由衰減）

2.2 阻尼對溫度的依賴性

磁學(xué)-力學(xué)滯后阻尼對溫度的依賴關(guān)系見圖7。由圖7可以看出，阻尼隨溫度的增加而下降，到450 ℃時達(dá)到最低。這一特征與Fe-Cr-Al合金一致，其原因是隨著溫度的升高，樣品的磁性逐漸減小并最終變?yōu)轫槾?，?dǎo)致由不可逆磁疇壁運動所產(chǎn)生的阻尼也隨溫度的增加而減小，這一趨勢與磁性隨溫度變化相同，也與Fe-Cr-Al合金的阻尼特征相似[4]。

圖7 磁學(xué)-力學(xué)滯后阻尼對溫度的依賴性(強(qiáng)迫振動)

3 結(jié)論

Fe-Al合金的高阻尼性能來源于磁學(xué)-力學(xué)滯后阻尼，其主要特點是具有很強(qiáng)的應(yīng)變振幅效應(yīng)并隨溫度的升高而下降。Al含量和熱處理對這種阻尼性能的影響非常大，要獲得高阻尼性能，不僅要有合適的Al含量，而且要采用合適的熱處理。冷卻方式宜采用空冷，加熱溫度在900 ℃左右為最佳。這些因素對阻尼性能的影響是通過改變飽和磁致伸縮系數(shù) 、楊氏模量 、內(nèi)應(yīng)力 、磁性能以及磁疇結(jié)構(gòu)等來實現(xiàn)的。

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(責(zé)任編輯：李 華)

The Influence of Al Content and Heat Treatment on Magneto-mechanical Hysteresis Damping of Fe-Al Alloys

ZHOU Zhengcun，DU Jie，YANG Hong，YAN Yongjian，GU Suyi
(School of Mechano-electrical Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

The influencing rules and mechanisms of Al content and heat treatment on the magneto-mechanical hysteresis damping of Fe-Al alloys are investigated in this paper using a functional internal friction apparatus. It shows that the air-cooled Fe-10.5 (at.%) Al alloy possesses the optimum damping capacity and the Fe-29(at.)%Al and Fe-38(at.) %Al alloys have lower damping than the Fe-10.5 (at.%) Al alloy with the same heat treatment. The as-cast and water-quenched Fe-Al alloys exhibit low damping capacity. In addition，the heat treatment temperature has an important effect on the damping capacity of the Fe-Al alloys. An appropriate heating temperature is necessary to obtain high damping capacity for Fe-Al alloys. Like Fe-Cr-Al alloys the damping capacity of Fe-Al alloys decreases when the heating temperature is rises.

Fe-Al alloys；magneto-mechanical hysteresis damping；Al contents；heat treatment

TG132.2

A

1008-5475(2017)01-0001-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.01.001

2016-11-30；

2016-12-16

江蘇青藍(lán)工程資助項目；江蘇省高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項目(JHZD2012-48)；蘇州市科技計劃資助項目(應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃—工業(yè)部分)(SGZ2012058)；蘇州市職業(yè)大學(xué)資助項目(2013SZDYJ05)

周正存(1962-)，男，安徽舒城人，教授，博士，主要從事內(nèi)耗與高阻尼材料的研制研究。

周正存，杜 潔，楊 洪，等.Al含量和熱處理對Fe-Al合金磁學(xué)-力學(xué)阻尼的影響[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，28(1)：1-4，15.