南航材料学院 王寅岗,*,弹性,弹性材料,普通弹性合金，如弹簧钢,特殊弹性合金,高弹性合金具有高的弹性模量(E=181.3215.6 GPa)、高弹性极限(e=1180 MPa)、高强度(b=11762450 MPa)、高硬度(HRC=3060)、耐蚀、耐高温、无磁、高的疲乏强度、小的弹性后效及良好的加工性与焊接性等。,高弹性合金,恒弹性合金,恒弹性合金亦称埃林瓦Elinvar合金。所谓恒弹性是指在确定温度范围内，材料的弹性模量或共振频率随温度变化很小或不变。具有小的或恒定的弹性模量温度系数E或G，或频率温度系数f，同时要求合金具有高的E、e、b，高的机械品质因数Q值，时间稳定性好等特性。,第八章 弹性合金,1,南航材料学院 王寅岗,金属与合金的弹性,恒弹性合金,弹性模量、弹性模量温度系、频率温度系数、铁磁材料的弹性反常、金属与合金的滞弹性,高弹性合,铁基高弹性合金、其它高弹性合金,铁磁性恒弹性合金、无磁恒弹性合金、特殊性能的恒弹性合金,第六章 弹性合金,2,南航材料学院 王寅岗,8.1 金属与合金的弹性1,一、,弹性极限与弹性模量,1、试验规律,B,C,0,%,MPa,A,弹性变形,弹性极限,3,南航材料学院 王寅岗,弹性模量,杨氏模量,E,剪切模量,G,体积弹性模量,K*,材料在受拉伸或压缩时，不仅沿纵向发生纵向变形，在横向也会同时发生缩短或增大的横向变形。由材料力学知,在弹性变形范围内，横向应变,y,和纵向应变,x,成正比关系，这一比值称为材料的,泊松比,，一般以,表示，即,2、弹性模量,8.1 金属与合金的弹性2,4,南航材料学院 王寅岗,E、G、K的物理意义,对各向同性材料,E、G、K的相互关系,8.1 金属与合金的弹性3,5,南航材料学院 王寅岗,1、原子间结合力与弹性模量,3、影响弹性模量的因素,弹性模量是表征原子间结合力大小的物理量，是组织构造不敏感的力学参数。主要取决于金属与合金的原子构造，点阵类型等本质。,金属弹性模量的周期变化,8.1 金属与合金的弹性4,6,南航材料学院 王寅岗,2、影响弹性模量的因素:,原子构造,点阵类型,晶体学位向,成分与组织,温度,弹性模量温度系数,8.1 金属与合金的弹性5,7,南航材料学院 王寅岗,二、,弹性模量温度系数,弹性模量,E,(,G,)随温度变化而变化，用,E,(,G,)表示温度变化1时弹性模量的相对变化，即：,(1/,C),(1/,C),8.1 金属与合金的弹性6,8,南航材料学院 王寅岗,三、,频率温度系数,弹性元件在动态应用中如用作频率元件，常对频率温度系数这一指标有要求，它表示材料的共振频率随温度的变化，用f表示：,同一材料在同一振动模式下，它的弹性模量温度系数,E,与频率温度系数,f,之间的关系为：,(1/,C),f,0,材料的共振频率。,材料的线膨胀系数。,E,=2,f,8.1 金属与合金的弹性7,9,南航材料学院 王寅岗,四、铁磁材料的,弹性反常,一般金属与合金的弹性模量随温度上升而减小，0，这属于弹性模量的反常变化，称弹性反常。,缘由：相变、有序-无序转变、铁磁性-反铁磁性转变等。,铁磁性材料的弹性模量的反常缘由-力致伸缩,B,0,%,MPa,A,8.1 金属与合金的弹性8,10,南航材料学院 王寅岗,在居里温度,T,c,以下某一温度范围，铁磁材料的,E,可用下式表示：,E,=,E,p,E,=,E,p,(,E,+,E,+,E,A,),E,p,顺磁状态下材料的弹性模量；,E,力致线性伸缩引起,E,值的变化；,E,力致体积伸缩引起的,E,值的变化；,E,A,由自发体积磁致伸缩引起的,E,值的变化。,常见现象,Ni,Ni42Fe58,8.1 金属与合金的弹性9,11,南航材料学院 王寅岗,铁磁材料的E是由Ep和E两局部组成，因此E随温度的变化也应由这两局部的温度系数所构成。Ep随温度上升而减小，但这一减小可由E效应随温度的变化进展补偿，从而使材料的E值随温度变化很小 0；假设超量补偿，则可使E随温度上升而增加 0，消逝弹性反常变化。,对不同材料，E效应中的各重量E、E、EA所占分数不同，所以E随温度的变化表现出不同的特征。对于 0的弹性合金，称其为埃林瓦合金Elinvar，即恒弹性合金。,大多数顺磁性、反铁磁性金属与合金也具有弹性反常行为，因此也可获得恒弹特性。,8.1 金属与合金的弹性10,12,南航材料学院 王寅岗,五、金属与合金的滞,弹性,对于实际弹性体，即使在弹性变形范围内，应力与应变之间也是一种非线性关系，变形不是完整弹性的，这种现象称为,滞弹性,或称为,弹性的不完整性,。,弹性不完整性的大小是弹性合金的重要指标。,各种弹性敏感元件或频率元件一般都要求材料的弹性不完整性越小越好，而作为减振合金则要求其弹性的不完整性越大越好。,8.1 金属与合金的弹性11,13,南航材料学院 王寅岗,主要表现,固定载荷-,弹性后效,循环载荷-,弹性滞后,能量效应-,内耗,弹性的不完整性有5种表现形式,：正/反弹性后效、弹性滞后、应力松弛、模量亏损和内耗。,8.1 金属与合金的弹性12,14,南航材料学院 王寅岗,弹性后效,示意图,t,1,加载10min；,t,2,卸载10min,8.1 金属与合金的弹性13,15,南航材料学院 王寅岗,弹性滞后,示意图,8.1 金属与合金的弹性14,16,南航材料学院 王寅岗,内耗在弹性材料争论中有两种意义：在一些场合下，一些周密仪器仪表中的弹性或频率元件为提高其精度和灵敏度，要求材料的内耗要小，以削减能量的损耗；而在另一些场合，为了减振降噪则需要材料具有大的内耗值，这就是高阻尼材料，即减振合金。,金属材料在振动过程中，即使与外界完全隔绝，其振动机械能也会由于弹性的不完整性而转变成热能，使振动渐渐停顿，从而导致能量的损耗，这一现象称为内耗。,内耗的类型有3种：滞弹性内耗、阻尼共振型内耗和静滞后内耗。,内耗,Q,1,是机械品质因数,Q,的倒数。,8.1 金属与合金的弹性15,17,南航材料学院 王寅岗,W,振动一周能量的损耗；,W,振动一周的总能量；,A,n,和,A,n,+1,第,n,次和第,n,+1次振动的振幅，用扭摆法或共振法测量。,对于减振合金内耗的大小可用防振系数,来表示，即：,8.1 金属与合金的弹性16,18,南航材料学院 王寅岗,弹性不完整性的,起因,微观塑性变形的不均匀性,间隙原子的集中,晶界的粘滞性流淌,弹性不完整性的把握方法,提高弹性极限,降低合金微观区域的不均匀性,8.1 金属与合金的弹性17,19,南航材料学院 王寅岗,8.2 高弹性合金1,一、铁基高弹性合金,铁基高弹性合金应用最广泛的是Ni36CrTiAl(3J1)和在此根底上添加w(Mo)=5%的Ni36CrTiAlMo5(3J2)及w(Mo)=8的Ni36CrTiAlMo8(3J3)合金。该类合金淬火状态具有较好的塑性，可进展各种冷加工及弹性元件的成型。时效后得到强化，具有很高的机械和弹性性能，并且无磁、耐蚀。它们的工作温度分别为250、350、400。,在Ni36CrTiAl合金中，通过参与w(Mo)=5%和w(Mo)=8%的Mo，得到了2个新牌号高弹性合金：Ni36CrTiAlMo5(3J2)，Ni36CrTiAlMo8(3J3)，它们的工作温度可到达350500。,20,南航材料学院 王寅岗,Ni是扩大Fe的区元素，稳定奥氏体组织。在Fe-Ni二元合金中，Ni的质量分数大于36时，用一般冷却速度冷到-196时也不会发生奥氏体向马氏体的转变。在合金中参与w(Cr)=13%也不会明显转变这一状态。这就使合金具有良好的塑性和低温韧性。Ni的另一个作用是与Ti、Al形成面心立方构造的强化相-Ni3(Ti,Al)和密排六方的相，即Ni3Ti，使合金时效后得到弥散强化。但Ni含量过高会降低合金的弹性模量，同时使居里温度Tc提高，合金可能成为铁磁性的。,w,(Ni)=34.5%36.5%，w(Cr)=11.513.0%，,w,(Ti)=2.7%3.2%，,w,(Al)=1.0%1.8%，,w,(C),0.05%,，,w,(Si),0.08%,，,w,(Mn),1.00%,，Fe余量。,1、Ni36CrTiAl合金的成分及组织,各元素在合金中的作用如下：,8.2 高弹性合金2,21,南航材料学院 王寅岗,Cr的参与w(Cr)11.5%可提高合金的电极电位，增加耐蚀性。铬可降低合金的居里温度Tc。在室温以上为顺磁性。同时Cr溶于相的基体中，增加了晶格中原子间结合力，使合金的弹性模量提高。Cr的参与还能增加析出相的数量，起到固溶强化作用。但Cr的质量分数大于13%时，增加合金脆性，冷变形困难。,Ti、Al是合金的重要强化元素，时效时形成-Ni3(Ti,Al)相从固溶体中析出，使合金得到强化，由于Ti的原子半径较大，因此Ti的强化效果比A1的大。但A1能促进相的形核过程，从而增加相的析出量，提高合金的强度。相是亚稳态，时效温度过高时，很简洁发生相的转变。Al的参与可使 相的稳定性增加，抑制 相的转变。但A1含量过高使加工性恶化。综合考虑，Ni36CrTiAl合金中Al含量把握在w(Al)=0.8%1.2%为好。只要Al含量能保证合金生成足够数量的、较稳定的 相就可以了。对于Fe-Ni基高弹性合金，一般承受高Ti低A1，这有利于合金强度的提高。,8.2 高弹性合金3,22,南航材料学院 王寅岗,合金中C含量应尽量低。由于C与Ti生成TiC可降低Ti的强化效果；另外C与Cr生成Cr23C6会造成晶间腐蚀，使合金的耐蚀性下降，故C含量一般把握在w(C)=0.05%左右。,8.2 高弹性合金4,23,南航材料学院 王寅岗,(1)标准一般热处理：固溶处理+时效。固溶温度一般为900950，保温30min后淬火；时效温度为650700，保温4h，空冷。这种工艺得到的是相混合析出构造。主要考虑合金的强度和塑性。,(2)形变热处理：固溶处理+冷变形+时效。形变热处理是在固溶处理后进展冷变形50%，从而导致亚构造细化，位错密度增加，加速时效过程中 相的不连续析出。使合金的强度和硬度大大提高，但塑性恶化。对于简洁的弹性元件的成型，不宜承受此热处理工艺。,(3)二次淬火形变热处理：固溶处理+冷变形+二次淬火+时效。二次快速淬火(3s)可使冷变形过程产生的大量位错进展重新排列，形成稳定的多边化构造。为保证二次淬火过程小第2相来不及析出，仍是过饱和固溶体，一般要求二次淬火时快速加热，短时保温，从而保证在随后的时效过程中相沿分布均匀的多边化位错网均匀析出。二次淬火工艺不仅能显著提高合金的弹性极限，而且保持较好的塑性，抑制了一般形变热处理使塑性下降的缺点。此工艺对小截面元件或半成品片、丝材特殊适用。,(4)为了提高合金或弹性元件的性能及性能稳定性，还可承受稳定化处理、外表电抛光处理、动态时效处理、分级时效处理等热处理工艺。,3、Ni36CrTiAl系列合金的热处理工艺,8.2 高弹性合金5,24,南航材料学院 王寅岗,Ni36CrTiAl合金在淬火状态是单相奥氏体相组织，经550750回火后，从单相固溶体中析出弥散的相，使合金得到强化。该合金缺乏之处是使用温度较低250。为进一步提高合金的使用温度和热稳定性，争论觉察，Mo和B对增加合金的热稳定性和降低非弹性行为有良好的作用。在Ni36CrTiAl合金中参与w(Mo)=5%8%的Mo可大大提高合金的s/b值。w(Mo)=5%和w(Mo)=8%的合金，当温度上升到500时，其强度只减小6%。而且含Mo的合金的相的组成为(Ni,Fe)3(Ti,Al,Mo)。由于相中不溶Mo，所以Mo有稳定相的作用，使相聚拢和相的转变速度大大降低，结果使含Mo合金的e、b、HB、E增加，热稳定性和抗松弛力气提高。,2、热处理和冷变形对合金组织及性能的影响,8.2 高弹性合金6,25,南航材料学院 王寅岗,Ni36CrTiAl合金性能与固溶温度的关系曲线保温20min，水淬,D晶粒尺寸；d点阵常数；电阻率,固溶处理,8.2 高弹性合金7,26,南航材料学院