TiNi-Cu层状复合材料阻尼性能的实验与分子动力学研究
发布时间：2020-12-14 00:24
阻尼材料在航天、航空、交通以及各种机械运动设备上有着重要应用。由于传统单组元金属阻尼材料阻尼性能与弹性性能难以兼得,且两者往往存在“反比”关系,本文致力于开发具有高阻尼性能的金属层状复合材料,试图通过将高弹性模量与高阻尼性能的金属材料复合化获得具有高阻尼金属材料,并使用分子动力学方法探究金属材料阻尼的微观机制与复合化对阻尼性能的影响。本文首先根据阻尼性能、界面反应、耐蚀性与熔点为依据,优选出Ti Ni与Cu作为组元,使用放电等离子烧结的方法制备了Ti Ni-Cu-Ti Ni层状复合材料,Cu层设计厚度为0.1,0.2,0.3mm;Ti Ni层厚度为7mm与10mm,Ti Ni中Ni原子含量约50.4 at.%。首先,根据原材料力学性能,确定热处理工艺为800℃固溶1h后400℃时效4h;然后利用光学显微镜与扫描电子显微镜表征了复合材料的界面结构与断口形貌;使用单向拉伸实验与三点弯曲研究了复合材料的力学性能;最后通过动态热机械测试仪研究了复合材料的阻尼特性,优化了复合材料结构;并在此基础上设计界面结构,获得了更高的阻尼性能。实验表明,该方法可以制得致密的复合材料;在固溶-时效处理后,Cu...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
滞弹性阻尼随温度与频率的变化
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-及镁合金（第二相合金组元为Zr,Si,Ni等）有着最高的阻尼性能。其优势在于低密度与可热处理。其劣势在于力学性能难以满足要求。（5）含有高浓度氢原子的高阻尼材料，其阻尼机理为Snoek型或Zener型氢原子在应力下重取向，或是氢原子扩散与材料缺陷相互作用。例如：锆基金属玻璃，TiNi合金等。1.2.3阻尼性能评价标准由于阻尼在多个领域有着不同的具体内涵，因此有着多种测试材料阻尼的方法，材料阻尼性能也有着多种定义与表征方法。根据材料被激发振动的模式，阻尼的测试方法可分为自由振动衰减法、强迫共振法与强迫非共振法三种。具体的测试设备有动态热机械分析仪（DynamicThermomechanicalAnalysisDMA）、葛式扭摆仪[14]、振动测试平台以及声学检测设备等。DMA针对不同弹性模量与粘弹性的材料有单悬臂梁、双悬臂梁、拉伸、剪切、三点弯曲等多种测试模式，因此得到了广泛的应用。阻尼的常规表征方法有损耗角正切、对数衰减率与减振系数。（1）损耗角正切对于理想弹性体，应力总是与应变同时产生，且保持线性关系。在实际材料中，由于点、线、面缺陷的存在与其它非线性因素（如相变、热弹性、压电效应等），应变变化相对于应力往往表现出滞后性。对于振动载荷，在周期性应力作用下材料产生周期性同频率应变，但应变位相由于阻尼作用总是滞后于应力。使用这个相位差的正切值来描述材料的阻尼性能。显然，该值越大，材料阻尼性能越好。如图1-2所示。图1-2阻尼现象示意图(a)应力-应变相位差；(b)相位差对应应力-应变滞回环
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-8-*E为材料的复弹性模量。当阻尼系数较低时，该指标与测量得到的损耗模量基本一致。文献[16]提出了另一种阻尼材料的价值指数（MeritIndex），可表达为：1/21/21/2max2tanWMIEEEWΨ===ππ（1-6）统计可知，传统阻尼材料MI较低。高分子材料MI一般小于0.3；高阻尼合金MI在0.2~0.6之间。1.3近等原子比TiNi合金相变特征简介1.3.1TiNi各物相参数TiNi合金指Ni元素原子比为48%～52%，其余元素为Ti的合金。TiNi合金独特的形状记忆效应（ShapeMemoryEffect）、伪塑性变形（PseudoElasticity）与本质高阻尼的特性而受到广泛的关注。这些特性均与TiNi合金相变温度接近室温的相变有关。一般认为[16]，升温过程中近等原子比TiNi合金存在马氏体相（B19’相）→R相→无公度相→母相（B2相）的相变过程，在降温过程存在母相（B2相）→无公度相→R相→马氏体相（B19’相），如图1-3所示。有约束的B2相转变形成的马氏体相具有大量孪晶结构，孪晶间可以发生滑动。在应力作用下，具有孪晶的马氏体相(TwinnedMartinsite)可以发生重取向，表现出伪塑性，并转变成为取向单一的解孪晶马氏体（DetwinnedMartensite）。图1-3TiNi合金马氏体相变现象简介(a)TiNi相变过程中各相出现顺序；(b)TiNi相变对应温度-应力-应变曲线温度对TiNi合金的力学特性有重大影响。当奥氏体转变温度低于测试温度时，在拉伸过程中，材料组织由奥氏体转变为马氏体，表现出伪塑性变形；卸
【参考文献】：
期刊论文
[1]NiTi合金(B2,B19’和R相)键合特征与弹性性质的第一性原理研究[J]. 张然,谢东,冷永祥,景凤娟,黄楠. 材料导报. 2019(S2)
[2]热弹性结构阻尼对微谐振器品质因子的影响[J]. 孟思,郝淑英,高芬,冯晶晶,张琪昌. 天津理工大学学报. 2019(02)
[3]NiTi合金力学和阻尼性质研究及伪弹性退化分析[J]. 张振华,刘翼豪,张爱蒙,绳飘. 应用力学学报. 2019(01)
[4]Ti2Ni/TiNi微叠层复合材料的制备及表征[J]. 张由景,程兴旺,周士猛,才鸿年,万明明. 稀有金属材料与工程. 2018(01)
[5]Ti3Ni4析出相对富镍TiNi合金阻尼行为的影响[J]. 高智勇,吴博森,鲁玺丽,唐振宇. 稀有金属材料与工程. 2007(09)
[6]Ni含量和热处理对Ti-Ni形状记忆合金相变和形变行为的影响[J]. 贺志荣,王芳,周敬恩. 金属热处理. 2006(09)
[7]一氧化钛表面的润湿性能[J]. 钟晖,李庆奎,戴艳阳,钟海云. 中南大学学报(自然科学版). 2005(03)
[8]TiNi形状记忆合金阻尼特性的研究[J]. 黄学文,董光能,王慧,周仲荣,谢友柏. 材料工程. 2003(05)
[9]应力应变对马氏体相变动力学及相变塑性影响的研究[J]. 刘春成,姚可夫,高国峰,刘庄. 金属学报. 1999(11)
[10]晶界弛豫研究50年[J]. 葛庭燧. 物理. 1999(09)
博士论文
[1]Ti2AlN/TiAl相界面模型及变形机理的原子尺度研究[D]. 柳培.哈尔滨工业大学 2019
[2]新型NiTi/TiAl层状复合材料的制备与性能研究[D]. 汪恩浩.哈尔滨工程大学 2017
[3]TiNi_f/Al复合材料的界面结构与力学性能研究[D]. 胡杰.哈尔滨工业大学 2014
[4]优化造孔剂法烧结制备多孔NiTi合金与复合材料及其相关性能研究[D]. 李大圣.华南理工大学 2009
硕士论文
[1]复合材料有序多孔结构阻尼机理及振动控制[D]. 陈云龙.哈尔滨工业大学 2018
[2]Mn-Cu阻尼合金与四种金属材料的摩擦振动噪声特性对比研究[D]. 蒋宇航.西南交通大学 2017
[3]纳米尺寸NiTi合金中马氏体相变尺寸效应的原位TEM研究[D]. 李海鑫.北京工业大学 2014
[4]负膨胀金属材料的探索[D]. 江惠芳.厦门大学 2009
本文编号：2915454
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
滞弹性阻尼随温度与频率的变化
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-及镁合金（第二相合金组元为Zr,Si,Ni等）有着最高的阻尼性能。其优势在于低密度与可热处理。其劣势在于力学性能难以满足要求。（5）含有高浓度氢原子的高阻尼材料，其阻尼机理为Snoek型或Zener型氢原子在应力下重取向，或是氢原子扩散与材料缺陷相互作用。例如：锆基金属玻璃，TiNi合金等。1.2.3阻尼性能评价标准由于阻尼在多个领域有着不同的具体内涵，因此有着多种测试材料阻尼的方法，材料阻尼性能也有着多种定义与表征方法。根据材料被激发振动的模式，阻尼的测试方法可分为自由振动衰减法、强迫共振法与强迫非共振法三种。具体的测试设备有动态热机械分析仪（DynamicThermomechanicalAnalysisDMA）、葛式扭摆仪[14]、振动测试平台以及声学检测设备等。DMA针对不同弹性模量与粘弹性的材料有单悬臂梁、双悬臂梁、拉伸、剪切、三点弯曲等多种测试模式，因此得到了广泛的应用。阻尼的常规表征方法有损耗角正切、对数衰减率与减振系数。（1）损耗角正切对于理想弹性体，应力总是与应变同时产生，且保持线性关系。在实际材料中，由于点、线、面缺陷的存在与其它非线性因素（如相变、热弹性、压电效应等），应变变化相对于应力往往表现出滞后性。对于振动载荷，在周期性应力作用下材料产生周期性同频率应变，但应变位相由于阻尼作用总是滞后于应力。使用这个相位差的正切值来描述材料的阻尼性能。显然，该值越大，材料阻尼性能越好。如图1-2所示。图1-2阻尼现象示意图(a)应力-应变相位差；(b)相位差对应应力-应变滞回环
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-8-*E为材料的复弹性模量。当阻尼系数较低时，该指标与测量得到的损耗模量基本一致。文献[16]提出了另一种阻尼材料的价值指数（MeritIndex），可表达为：1/21/21/2max2tanWMIEEEWΨ===ππ（1-6）统计可知，传统阻尼材料MI较低。高分子材料MI一般小于0.3；高阻尼合金MI在0.2~0.6之间。1.3近等原子比TiNi合金相变特征简介1.3.1TiNi各物相参数TiNi合金指Ni元素原子比为48%～52%，其余元素为Ti的合金。TiNi合金独特的形状记忆效应（ShapeMemoryEffect）、伪塑性变形（PseudoElasticity）与本质高阻尼的特性而受到广泛的关注。这些特性均与TiNi合金相变温度接近室温的相变有关。一般认为[16]，升温过程中近等原子比TiNi合金存在马氏体相（B19’相）→R相→无公度相→母相（B2相）的相变过程，在降温过程存在母相（B2相）→无公度相→R相→马氏体相（B19’相），如图1-3所示。有约束的B2相转变形成的马氏体相具有大量孪晶结构，孪晶间可以发生滑动。在应力作用下，具有孪晶的马氏体相(TwinnedMartinsite)可以发生重取向，表现出伪塑性，并转变成为取向单一的解孪晶马氏体（DetwinnedMartensite）。图1-3TiNi合金马氏体相变现象简介(a)TiNi相变过程中各相出现顺序；(b)TiNi相变对应温度-应力-应变曲线温度对TiNi合金的力学特性有重大影响。当奥氏体转变温度低于测试温度时，在拉伸过程中，材料组织由奥氏体转变为马氏体，表现出伪塑性变形；卸
【参考文献】：
期刊论文
[1]NiTi合金(B2,B19’和R相)键合特征与弹性性质的第一性原理研究[J]. 张然,谢东,冷永祥,景凤娟,黄楠. 材料导报. 2019(S2)
[2]热弹性结构阻尼对微谐振器品质因子的影响[J]. 孟思,郝淑英,高芬,冯晶晶,张琪昌. 天津理工大学学报. 2019(02)
[3]NiTi合金力学和阻尼性质研究及伪弹性退化分析[J]. 张振华,刘翼豪,张爱蒙,绳飘. 应用力学学报. 2019(01)
[4]Ti2Ni/TiNi微叠层复合材料的制备及表征[J]. 张由景,程兴旺,周士猛,才鸿年,万明明. 稀有金属材料与工程. 2018(01)
[5]Ti3Ni4析出相对富镍TiNi合金阻尼行为的影响[J]. 高智勇,吴博森,鲁玺丽,唐振宇. 稀有金属材料与工程. 2007(09)
[6]Ni含量和热处理对Ti-Ni形状记忆合金相变和形变行为的影响[J]. 贺志荣,王芳,周敬恩. 金属热处理. 2006(09)
[7]一氧化钛表面的润湿性能[J]. 钟晖,李庆奎,戴艳阳,钟海云. 中南大学学报(自然科学版). 2005(03)
[8]TiNi形状记忆合金阻尼特性的研究[J]. 黄学文,董光能,王慧,周仲荣,谢友柏. 材料工程. 2003(05)
[9]应力应变对马氏体相变动力学及相变塑性影响的研究[J]. 刘春成,姚可夫,高国峰,刘庄. 金属学报. 1999(11)
[10]晶界弛豫研究50年[J]. 葛庭燧. 物理. 1999(09)
博士论文
[1]Ti2AlN/TiAl相界面模型及变形机理的原子尺度研究[D]. 柳培.哈尔滨工业大学 2019
[2]新型NiTi/TiAl层状复合材料的制备与性能研究[D]. 汪恩浩.哈尔滨工程大学 2017
[3]TiNi_f/Al复合材料的界面结构与力学性能研究[D]. 胡杰.哈尔滨工业大学 2014
[4]优化造孔剂法烧结制备多孔NiTi合金与复合材料及其相关性能研究[D]. 李大圣.华南理工大学 2009
硕士论文
[1]复合材料有序多孔结构阻尼机理及振动控制[D]. 陈云龙.哈尔滨工业大学 2018
[2]Mn-Cu阻尼合金与四种金属材料的摩擦振动噪声特性对比研究[D]. 蒋宇航.西南交通大学 2017
[3]纳米尺寸NiTi合金中马氏体相变尺寸效应的原位TEM研究[D]. 李海鑫.北京工业大学 2014
[4]负膨胀金属材料的探索[D]. 江惠芳.厦门大学 2009
本文编号：2915454
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