建筑设计用铜锰合金的热处理与组织性能研究

叶剑标,余晓云

(亳州职业技术学院 建筑工程系,安徽 亳州 236800)

0 引言

铜锰合金由于具有良好的强塑性、阻尼性能和减震降噪性能等,在建筑行业中具有较为广泛的应用前景[1,2]。然而,在实际加工和热处理过程中,铜锰合金会由于形成了马氏体和孪晶组织而影响了其阻尼性能,如何通过控制铜锰合金的生产工艺,来实现对其微观组织的控制,进而得到具有良好阻尼性能的铜锰合金[3,4],是广大科研工作者和生产企业共同探索研究的热点。虽然科研工作者已经开展了铜锰合金的变形工艺对阻尼性能的影响方面的研究,但是关于固溶和时效热处理以及后续的冷却方式对铜锰合金微观组织和阻尼性能的影响方面的报道成果较少[5,6]。在建筑等行业对铜锰合金的力学性能和阻尼性能的要求越来越高,开展热处理工艺以提高铜锰合金阻尼性能为目的的研究尤为重要。本文分析了轧制态、固溶态和时效态锰铜合金的组织与性能方面的研究成果,该研究成果对提高锰铜合金的力学性能和阻尼性能提供科学路径。

1 试验材料与方法

试验材料为建筑设计用冷轧态铜锰合金板材(厚1.5 mm),具体化学成分采用电感耦合等离子发射光谱法测得为:w(Mn)=31.00%,w(Co)=10.50%,w(Fe)=0.68%,余量为Cu。在Nabertherm热处理炉中对铜锰合金进行热处理,具体热处理工艺如表1。采用线切割方法将经过固溶+时效热处理的试样加工成阻尼测试试样,尺寸为30 mm×5 mm×1 mm。

表1 铜锰合金的热处理工艺Tab.1 Heat treatment process of copper manganese alloy

采用德国D8 ADVANCE型X射线衍射仪对热处理态铜锰合金进行物相分析;热处理态铜锰合金的显微组织采用IT-500型扫描电镜进行;采用TA-800型动态机械热分析仪进行室温应变振幅-阻尼曲线测试(频率为2 Hz、振幅1～100 μm)。

2 结果与分析

图1 铜锰合金的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of Cu-Mn alloy

图1为铜锰合金的X射线衍射分析,分别列出了冷轧态、固溶+水冷和固溶+空冷状态下铜锰合金的XRD图谱。对比分析可见,冷轧态、固溶+水冷和固溶+空冷态铜锰合金都主要在(111)(200)(220)和(311)晶面出现了fcc结构的γ相,冷轧态铜锰合金还在(222)晶面出现γ相。可见,经过固溶+水冷和固溶+空冷后铜锰合金在(222)晶面的衍射峰消失,而在(220)晶面的衍射峰有所增强,且前者的衍射峰位置发生了一定程度左移。究其原因,主要与固溶处理会使得部分在轧制过程中形成的初生相回熔至基体所致,且固溶冷却过程中铜锰合金会发生一定程度的晶格畸变,相应地衍射峰位置会发生改变[7]。

图2为铜锰合金的扫描电镜显微形貌,分别列出了冷轧态、固溶+水冷和固溶+炉冷状态下铜锰合金的显微形貌。可见,冷轧状态下铜锰合金中存在着颗粒状初生相以及沿轧制方向变形的晶粒;经过固溶+水冷和固溶+空冷处理后,铜锰合金中初生相基本消失,此时的铜锰合金表现为单一γ相形态,但是固溶+水冷和固溶+空冷态铜锰合金的显微形貌存在较大差异,表现为固溶+水冷态合金中未出现明显细小晶粒,而水冷状态铜锰合金中可见细小晶粒,平均晶粒尺寸约为36 μm。相较而言,虽然固溶处理后不同的冷却方式都可以使得初生相发生回熔以及轧制形态消失,但是固溶+空冷态铜锰合金的晶粒较大,而固溶+水冷状态铜锰合金的晶粒较为细小,这主要是因为水冷状态铜锰合金的冷却速度较快,晶粒还来不及长大所致,而细小的晶粒尺寸更有利于提高建筑设计用铜锰合金的阻尼性能[8]。

图2 铜锰合金的扫描电镜显微形貌Fig.2 SEM morphology of Mn-Cu alloy

图3为铜锰合金的阻尼-应变振幅曲线,分别列出了冷轧态、固溶+水冷和固溶+炉冷状态下铜锰合金的阻尼随着应变振幅的变化。对比分析可知,冷轧态、固溶+水冷和固溶+空冷状态下铜锰合金的的阻尼都会随着应变振幅的增加而逐渐增大,在开始阶段,三种状态的铜锰合金的阻尼变化幅度较小,而当应变振幅增加至10-4及以上时,三种状态铜锰合金的阻尼会随着应变振幅增加而快速增大,且在相同的应变振幅下,铜锰合金的阻尼从大至小顺序为:轧制态>固溶+炉冷态>固溶+水冷态。由此可见,经过固溶+炉冷和固溶+水冷处理后,建筑设计用铜锰合金的阻尼性能会有一定程度减小,且固溶+水冷方式下铜锰合金的阻尼性能降低幅度较大,仍然需要通过后续的时效热处理来进一步调控铜锰合金的微观组织,以提升铜锰合金的阻尼性能[9]。

从前述的试验结果可知,固溶+水冷态铜锰合金的晶粒更为细小,且在相同振幅下,其阻尼最小,所以进一步尝试对这种状态的铜锰合金进行不同时间的时效热处理,以期提高铜锰合金阻尼性及力学性能。图4为铜锰合金经过水冷热处理时效试验后,通过X射线衍射分析结果。可见,经过4～16 h时效热处理后,铜锰合金的物相组成并没有发生改变,仍然由fcc结构的单相γ组成,并没有出现其它物相。

图3 铜锰合金的阻尼-应变振幅曲线Fig.3 Damping value-strain amplitude curve of Cu-Mn alloy

图4 铜锰合金的X射线衍射分析结果Fig.4 X-ray diffraction analysis of Cu-Mn alloy

图5为时效前后铜锰合金的扫描电镜显微形貌。经过4～16 h时效热处理后,铜锰合金的组织形态与时效前的固溶+水冷态合金相似,可见尺寸不等的晶粒,铜锰合金并没有发生马氏体相变。相较于固溶+水冷态合金,经过时效热处理后铜锰合金的晶粒都发生了一定程度地粗化与长大,且铜锰合金的晶粒尺寸会随着时效时间延长而逐渐增大。晶粒尺寸的最大会使得铜锰合金的晶界密度减小,但是如果时效时间太长(16 h),铜锰合金中会出现富Mn相的凸起并阻碍马氏体与基体的界面运动而降低阻尼性能[10]。

图5 时效前后铜锰合金的扫描电镜显微形貌Fig.5 Scanning electron microscopic morphology of Cu-Mn alloy under different aging time

图5 (续)Fig.5 (Continue)

图6为时效处理后铜锰合金的阻尼-应变振幅曲线。对比分析可知,固溶态、时效4 h、时效8 h、时效12 h和时效16 h后,铜锰合金的阻尼随着应变振幅的变化趋势相同,即在应变振幅较小时,铜锰合金的阻尼变化幅度不大,而随着应变振幅的增加,铜锰合金的阻尼逐渐呈现快速增大的趋势;相同应变振幅下时效态铜锰合金的阻尼性能都高于固溶态,且铜锰合金的阻尼在时效8 h时较大,其它时效态铜锰合金的阻尼相对较小。应变振幅的变化对时效态铜锰合金的阻尼的影响较为敏感,虽然经过时效处理后铜锰合金的阻尼性能会提升,但是需要找出合适的时效时间,因为时效时间如果过长,则铜锰合金的晶粒尺寸相对较大,从阻尼-应变振幅曲线可知,固溶+水冷态铜锰合金的阻尼性能在时效时间为8 h时较为理想。

图6 时效处理后铜锰合金的阻尼-应变振幅曲线Fig.6 Damping value-strain amplitude curve of Cu-Mn alloy under different aging time

3 结论

1)冷轧态、固溶+水冷和固溶+空冷态铜锰合金都主要在(111)(200) (220)和(311)晶面出现了fcc结构的γ相,冷轧态铜锰合金还在(222)晶面出现γ相。经过4～16 h时效热处理后,铜锰合金的物相组成并没有发生改变,仍然由fcc结构的单相γ组成,并没有出现其它物相。

2)虽然固溶处理后不同的冷却方式都可以使得初生相发生回熔以及轧制形态消失,但是固溶+空冷态铜锰合金的晶粒较大,而固溶+水冷状态铜锰合金的晶粒较为细小。

3)应变振幅的变化对时效态铜锰合金的阻尼的影响较为敏感,虽然经过时效处理后铜锰合金的阻尼性能会提升,但适宜的时效时间为8 h。