建筑設計用銅錳合金的熱處理與組織性能研究

葉劍標,余曉云

(亳州職業(yè)技術學院 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用前景[1,2]。然而,在實際加工和熱處理過程中,銅錳合金會由于形成了馬氏體和孿晶組織而影響了其阻尼性能,如何通過控制銅錳合金的生產(chǎn)工藝,來實現(xiàn)對其微觀組織的控制,進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。雖然科研工作者已經(jīng)開展了銅錳合金的變形工藝對阻尼性能的影響方面的研究,但是關于固溶和時效熱處理以及后續(xù)的冷卻方式對銅錳合金微觀組織和阻尼性能的影響方面的報道成果較少[5,6]。在建筑等行業(yè)對銅錳合金的力學性能和阻尼性能的要求越來越高,開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,該研究成果對提高錳銅合金的力學性能和阻尼性能提供科學路徑。

1 試驗材料與方法

試驗材料為建筑設計用冷軋態(tài)銅錳合金板材(厚1.5 mm),具體化學成分采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得為:w(Mn)=31.00%,w(Co)=10.50%,w(Fe)=0.68%,余量為Cu。在Nabertherm熱處理爐中對銅錳合金進行熱處理,具體熱處理工藝如表1。采用線切割方法將經(jīng)過固溶+時效熱處理的試樣加工成阻尼測試試樣,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D8 ADVANCE型X射線衍射儀對熱處理態(tài)銅錳合金進行物相分析;熱處理態(tài)銅錳合金的顯微組織采用IT-500型掃描電鏡進行;采用TA-800型動態(tài)機械熱分析儀進行室溫應變振幅-阻尼曲線測試(頻率為2 Hz、振幅1～100 μm)。

2 結果與分析

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。對比分析可見,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結構的γ相,冷軋態(tài)銅錳合金還在(222)晶面出現(xiàn)γ相。可見,經(jīng)過固溶+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,且前者的衍射峰位置發(fā)生了一定程度左移。究其原因,主要與固溶處理會使得部分在軋制過程中形成的初生相回熔至基體所致,且固溶冷卻過程中銅錳合金會發(fā)生一定程度的晶格畸變,相應地衍射峰位置會發(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?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)明顯細小晶粒,而水冷狀態(tài)銅錳合金中可見細小晶粒,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小,這主要是因為水冷狀態(tài)銅錳合金的冷卻速度較快,晶粒還來不及長大所致,而細小的晶粒尺寸更有利于提高建筑設計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變振幅的變化。對比分析可知,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隨著應變振幅的增加而逐漸增大,在開始階段,三種狀態(tài)的銅錳合金的阻尼變化幅度較小,而當應變振幅增加至10-4及以上時,三種狀態(tài)銅錳合金的阻尼會隨著應變振幅增加而快速增大,且在相同的應變振幅下,銅錳合金的阻尼從大至小順序為:軋制態(tài)>固溶+爐冷態(tài)>固溶+水冷態(tài)。由此可見,經(jīng)過固溶+爐冷和固溶+水冷處理后,建筑設計用銅錳合金的阻尼性能會有一定程度減小,且固溶+水冷方式下銅錳合金的阻尼性能降低幅度較大,仍然需要通過后續(xù)的時效熱處理來進一步調控銅錳合金的微觀組織,以提升銅錳合金的阻尼性能[9]。

從前述的試驗結果可知,固溶+水冷態(tài)銅錳合金的晶粒更為細小,且在相同振幅下,其阻尼最小,所以進一步嘗試對這種狀態(tài)的銅錳合金進行不同時間的時效熱處理,以期提高銅錳合金阻尼性及力學性能。圖4為銅錳合金經(jīng)過水冷熱處理時效試驗后,通過X射線衍射分析結果?？梢?經(jīng)過4～16 h時效熱處理后,銅錳合金的物相組成并沒有發(fā)生改變,仍然由fcc結構的單相γ組成,并沒有出現(xiàn)其它物相。

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

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

圖5為時效前后銅錳合金的掃描電鏡顯微形貌。經(jīng)過4～16 h時效熱處理后,銅錳合金的組織形態(tài)與時效前的固溶+水冷態(tài)合金相似,可見尺寸不等的晶粒,銅錳合金并沒有發(fā)生馬氏體相變。相較于固溶+水冷態(tài)合金,經(jīng)過時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大,且銅錳合金的晶粒尺寸會隨著時效時間延長而逐漸增大。晶粒尺寸的最大會使得銅錳合金的晶界密度減小,但是如果時效時間太長(16 h),銅錳合金中會出現(xiàn)富Mn相的凸起并阻礙馬氏體與基體的界面運動而降低阻尼性能[10]。

圖5 時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為時效處理后銅錳合金的阻尼-應變振幅曲線。對比分析可知,固溶態(tài)、時效4 h、時效8 h、時效12 h和時效16 h后,銅錳合金的阻尼隨著應變振幅的變化趨勢相同,即在應變振幅較小時,銅錳合金的阻尼變化幅度不大,而隨著應變振幅的增加,銅錳合金的阻尼逐漸呈現(xiàn)快速增大的趨勢;相同應變振幅下時效態(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效8 h時較大,其它時效態(tài)銅錳合金的阻尼相對較小。應變振幅的變化對時效態(tài)銅錳合金的阻尼的影響較為敏感,雖然經(jīng)過時效處理后銅錳合金的阻尼性能會提升,但是需要找出合適的時效時間,因為時效時間如果過長,則銅錳合金的晶粒尺寸相對較大,從阻尼-應變振幅曲線可知,固溶+水冷態(tài)銅錳合金的阻尼性能在時效時間為8 h時較為理想。

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

3 結論

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結構的γ相,冷軋態(tài)銅錳合金還在(222)晶面出現(xiàn)γ相。經(jīng)過4～16 h時效熱處理后,銅錳合金的物相組成并沒有發(fā)生改變,仍然由fcc結構的單相γ組成,并沒有出現(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小。

3)應變振幅的變化對時效態(tài)銅錳合金的阻尼的影響較為敏感,雖然經(jīng)過時效處理后銅錳合金的阻尼性能會提升,但適宜的時效時間為8 h。