金屬橡膠力學(xué)特性的熱處理工藝影響

劉寶龍 馬艷紅 張大義 洪 杰

(北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191)

金屬橡膠是一種具有較強(qiáng)環(huán)境適用性的金屬類(lèi)功能性結(jié)構(gòu)阻尼材料，由于具有類(lèi)似橡膠阻尼材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)，又是全金屬制品而得名.與普通金屬相比具有高彈性、高阻尼、低密度、孔隙度可控等優(yōu)點(diǎn)并且易于根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要制成特定的形狀;同時(shí)又具備普通橡膠阻尼材料所不具備的耐高低溫特性.

金屬橡膠完全由金屬絲材制備而成，其制備工藝包含金屬螺旋絲的卷制、編織以及模壓成型等多道工序.在這些工藝過(guò)程中，金屬橡膠內(nèi)部的金屬絲螺旋卷存在著彈塑性變形和殘余應(yīng)力，從而對(duì)金屬橡膠的宏觀力學(xué)性能(如金屬橡膠構(gòu)件的剛度、阻尼特性)產(chǎn)生影響.隨著金屬橡膠應(yīng)用范圍的拓寬，尤其在不同溫度條件下的推廣應(yīng)用，這一影響日益受到研究者的關(guān)注［1－4］.

金屬橡膠的宏觀力學(xué)性能由其內(nèi)部的金屬絲螺旋卷組織結(jié)構(gòu)決定:其剛度由金屬絲螺旋卷自身的壓縮變形以及金屬絲螺旋卷間的相互擠壓產(chǎn)生;阻尼由相互接觸的金屬絲螺旋卷間的干摩擦耗能產(chǎn)生［5－6］.金屬絲螺旋卷作為金屬橡膠微元體結(jié)構(gòu)歷經(jīng)的工藝過(guò)程與彈簧具有相似性，借鑒彈簧的去應(yīng)力退火工藝［7］對(duì)冷態(tài)模壓后的金屬橡膠進(jìn)行熱處理，有利于消除模壓成型后的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定金屬橡膠的組織和尺寸，并使其在高溫條件下獲得穩(wěn)定的剛度和阻尼性能.

本文以GH4169絲材制備的金屬橡膠為對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了熱處理工藝對(duì)金屬橡膠在不同安裝約束條件、不同工作溫度時(shí)的剛度、阻尼特性的影響規(guī)律，為應(yīng)用于高溫環(huán)境的金屬橡膠構(gòu)件設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 金屬橡膠靜態(tài)遲滯特性

金屬橡膠構(gòu)件受載時(shí)，內(nèi)部金屬絲螺旋卷之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，接觸表面具有很大的摩擦力.加載過(guò)程中，載荷P由螺旋卷的彈性力和摩擦力平衡，相當(dāng)于減小了載荷的作用，摩擦力阻礙變形的增加，即增大了金屬橡膠剛度.卸載過(guò)程中，摩擦力阻滯了螺旋卷的彈性變形的恢復(fù)，相當(dāng)于減小了恢復(fù)作用力，使得金屬橡膠的剛度減小.

如圖1所示，金屬橡膠構(gòu)件在一個(gè)加載和卸載循環(huán)中的遲滯特性曲線為OMNO，如果不考慮摩擦力的作用，加載曲線與卸載曲線將重合為OC.從遲滯特性曲線可以看出，面積OMNO部分即為加載和卸載循環(huán)中由摩擦力轉(zhuǎn)化為熱能所消耗的功.

圖1 金屬橡膠阻尼材料的遲滯回線

圖1中P1和P2分別為遲滯回線的加載曲線和卸載曲線;F為摩擦力;L為回線的中線;A為變形幅值;P為載荷;X為位移.

由遲滯回線可知:構(gòu)件的平均剛度:

構(gòu)件的損耗因子:

式中，ΔW為遲滯回線包圍面積，表示單個(gè)加載-卸載循環(huán)內(nèi)耗散的能量;U為回線中線與橫軸圍成的面積，表示變形過(guò)程中最大彈性勢(shì)能.

2 金屬橡膠準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)

為了對(duì)比研究去應(yīng)力退火工藝對(duì)金屬橡膠在常溫和高溫環(huán)境下工作時(shí)的剛度和阻尼性能，本文對(duì)熱處理前后的金屬橡膠進(jìn)行20～500℃溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，此外在試驗(yàn)中分別考慮金屬橡膠自由狀態(tài)和預(yù)緊安裝兩種初始安裝條件的影響.

準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)在配裝有保溫箱的電子蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖2所示，加載速率為0.5 mm/min.保溫箱的溫度通過(guò)溫控儀進(jìn)行設(shè)置，實(shí)際溫度通過(guò)熱電偶測(cè)得.

圖2 金屬橡膠準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

金屬橡膠試驗(yàn)件工藝參數(shù)如表1所示，其中d，D，H分別為絲徑、螺旋徑和金屬橡膠初始高度，ρ－為相對(duì)密度(即金屬橡膠和金屬絲材密度之比)，“Y”表示該試件經(jīng)過(guò)熱處理，“N”則表示未經(jīng)過(guò)熱處理.熱處理工藝為去應(yīng)力退火，具體為:高溫爐內(nèi)將試驗(yàn)件在1/6 h內(nèi)由室溫20℃加熱到600℃，保持600℃恒溫1h后空冷.試驗(yàn)件成型面截面尺寸均為20 mm×20 mm，高度如表1中所列.

表1 金屬橡膠試驗(yàn)件工藝參數(shù)表

3 自由狀態(tài)下的力學(xué)性能

自由狀態(tài)是指金屬橡膠試件在加載及非加載方向均無(wú)初始預(yù)壓縮，從而保證試件在加載方向的壓縮變形以及與其正交的橫向變形均無(wú)約束.選用表1中1#和2#試驗(yàn)件進(jìn)行自由狀態(tài)下的力學(xué)性能試驗(yàn)，考核分別處于常溫和高溫工作環(huán)境中時(shí)，熱處理工藝對(duì)自由狀態(tài)下金屬橡膠力學(xué)性能的影響規(guī)律.

3.1 常溫環(huán)境力學(xué)性能

常溫環(huán)境下的力學(xué)性能試驗(yàn)在室溫為20℃條件下進(jìn)行.如圖3所示為1#，2#試驗(yàn)件常溫環(huán)境下的剛度曲線，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火處理的1#試驗(yàn)件，由于冷態(tài)成型工藝后金屬絲材內(nèi)部的殘余應(yīng)力在熱處理中消除，進(jìn)入屈服階段的金屬絲螺旋卷恢復(fù)到彈性階段，因而其剛度明顯大于未經(jīng)退火處理的2#試驗(yàn)件.此外熱處理后1#試驗(yàn)件剛度“硬特性”(即剛度隨變形量增加而增大)也比2#試驗(yàn)件更顯著，從而導(dǎo)致1#，2#試驗(yàn)件的剛度比K1/K2隨變形量增大而增大，如圖4所示.由圖4可見(jiàn)變形為0.18 mm 時(shí)的 K1/K2約為1.6，當(dāng)變形增大到1.8 mm時(shí)，K1/K2則增加到約2.6.

圖3 1#，2#試驗(yàn)件常溫剛度曲線(自由狀態(tài))

圖4 1#，2#試驗(yàn)件剛度比(自由狀態(tài))

與之相反的是，熱處理對(duì)于金屬絲螺旋卷的干摩擦耗能影響很小，因此金屬橡膠試驗(yàn)件的阻尼性能在熱處理前后變化不大.以變形量為2 mm下的試驗(yàn)結(jié)果為例，1#，2#試驗(yàn)件的損耗因子分別為0.221和0.227，變化幅度僅3%，考慮到試驗(yàn)誤差可以認(rèn)為去應(yīng)力退火對(duì)金屬橡膠常溫、自由狀態(tài)下的損耗因子幾乎沒(méi)有影響.

3.2 高溫環(huán)境力學(xué)性能

未經(jīng)去應(yīng)力退火處理的金屬橡膠試驗(yàn)件在高溫環(huán)境、自由狀態(tài)下工作時(shí)，由于發(fā)生宏觀幾何尺寸的變化，導(dǎo)致其相對(duì)密度改變，因而不具備穩(wěn)定的剛度和阻尼性能.因此高溫環(huán)境下的力學(xué)性能試驗(yàn)選用表1中1#試驗(yàn)件進(jìn)行，從室溫20℃開(kāi)始以100℃為間隔一直加熱到500℃，對(duì)比其在不同溫度下的剛度、阻尼性能.

如圖5所示為1#試驗(yàn)件不同溫度下的剛度曲線，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火的1#金屬橡膠試驗(yàn)件在變形量小于1 mm(即應(yīng)變量小于5%)范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的剛度性能，工作溫度對(duì)其影響很小可以忽略不計(jì);在變形大于1 mm范圍內(nèi)，剛度隨工作溫度的升高而增大，說(shuō)明工作溫度對(duì)金屬橡膠剛度的硬特性的影響較為明顯.

圖5 1#試驗(yàn)件不同溫度下剛度曲線(自由狀態(tài))

圖6 1#試驗(yàn)件不同工作溫度下?lián)p耗因子(自由狀態(tài))

1#試驗(yàn)件在不同工作溫度下的損耗因子如圖6所示，可見(jiàn)損耗因子隨溫度升高略有減小，其中500℃時(shí)的損耗因子比室溫時(shí)減小約7%;考慮到試驗(yàn)誤差的影響，可以認(rèn)為經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火處理的金屬橡膠的阻尼性能幾乎不隨工作溫度的變化而變化，意味著其在高溫環(huán)境下工作時(shí)具有穩(wěn)定的阻尼性能.

4 預(yù)壓縮狀態(tài)下的力學(xué)性能

金屬橡膠在實(shí)際安裝中往往具有一定的初始預(yù)壓縮量以保證其在工作中具有穩(wěn)定的剛度.為了研究熱處理工藝對(duì)安裝狀態(tài)下金屬橡膠力學(xué)性能的影響，選用3#和4#試驗(yàn)件在初始預(yù)壓縮1mm條件下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn).

4.1 常溫環(huán)境力學(xué)性能

3#和4#試驗(yàn)件在常溫下的剛度曲線如圖7所示，可見(jiàn)在預(yù)壓縮狀態(tài)下4#試驗(yàn)件在準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的變形范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的剛度，而經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火處理的3#試驗(yàn)件則表現(xiàn)出明顯的剛度硬特性，從而導(dǎo)致3#，4#試驗(yàn)件的剛度比K3/K4隨變形量增大而增大，變形為 0.18 mm時(shí)的 K3/K4約為2.3，當(dāng)變形增大到1.8mm 時(shí)，K3/K4則增加到約4.5.對(duì)比自由狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，二者具有類(lèi)似的規(guī)律.

圖7 3#，4#試驗(yàn)件常溫剛度曲線(預(yù)壓縮狀態(tài))

去應(yīng)力退火工藝對(duì)阻尼性能的影響很小.以變形量為2 mm下的試驗(yàn)結(jié)果為例，3#、4#試驗(yàn)件的損耗因子分別為0.213和0.227，考慮到試驗(yàn)誤差可以認(rèn)為去應(yīng)力退火對(duì)金屬橡膠常溫、預(yù)壓縮狀態(tài)下的損耗因子沒(méi)有影響.

4.2 高溫環(huán)境力學(xué)性能

3#和4#試驗(yàn)件在初始預(yù)壓縮1mm條件下，間隔100℃進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)得到的剛度曲線分別如圖8、圖9所示.由圖8可見(jiàn)，對(duì)于經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火的3#試驗(yàn)件，在金屬絲螺旋卷熱膨脹受約束導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力作用下，金屬橡膠的剛度隨著溫度升高而增大;并且隨著溫度升高，金屬橡膠試件在較大變形時(shí)的剛度硬特性增強(qiáng)，硬特性段增加.

對(duì)比未經(jīng)去應(yīng)力退火處理的4#試驗(yàn)件可見(jiàn)，其在不高于200℃的溫度范圍內(nèi)，剛度幾乎不隨溫度的升高而變化;當(dāng)溫度大于300℃后，剛度隨溫度升高而迅速增大，同時(shí)硬特性段增加.

由圖10所示對(duì)應(yīng)于2mm靜態(tài)變形幅值時(shí)3#和4#金屬橡膠試驗(yàn)件的損耗因子隨溫度變化曲線可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)去應(yīng)力退火處理的3#試驗(yàn)件在高溫環(huán)境下具備更穩(wěn)定的阻尼性能，損耗因子基本保持在約0.21以上，變化幅度不超過(guò)10%;而未經(jīng)去應(yīng)力退火處理的4#試驗(yàn)件在溫度高于300℃時(shí)的阻尼性能略有衰減，損耗因子從20℃時(shí)的0.21減小到500℃的0.19，但是變化幅度也不足10%.

圖8 3#試驗(yàn)件不同溫度下剛度曲線(預(yù)壓縮狀態(tài))

圖9 4#試驗(yàn)件不同溫度下剛度曲線(預(yù)壓縮狀態(tài))

圖10 3#，4#試驗(yàn)件不同溫度下?lián)p耗因子(預(yù)壓縮狀態(tài))

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了去應(yīng)力退火對(duì)GH4169絲材制備的金屬橡膠在不同約束條件下的力學(xué)特性的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明:①去應(yīng)力退火對(duì)金屬橡膠構(gòu)件的剛度影響明顯，而對(duì)阻尼幾乎沒(méi)有影響;②經(jīng)過(guò)退火處理的金屬橡膠構(gòu)件，其剛度在自由狀態(tài)下隨溫度的變化規(guī)律受變形影響:小變形時(shí)幾乎不隨溫度改變，大變形(應(yīng)變大于5%)時(shí)隨溫度升高而增大;在預(yù)壓縮狀態(tài)時(shí)，由于熱膨脹內(nèi)應(yīng)力的作用，金屬橡膠剛度隨著溫度的升高而增大;損耗因子在自由狀態(tài)和預(yù)壓縮狀態(tài)均保持穩(wěn)定，在20～500℃溫度范圍內(nèi)的變化率不超過(guò)10%;③未經(jīng)熱處理的金屬橡膠構(gòu)件在工作溫度高于200℃時(shí)，由于退火效應(yīng)的出現(xiàn)，剛度明顯增大并伴隨阻尼性能衰減，如果處于自由狀態(tài)則將同時(shí)發(fā)生成型方向高度的小幅增長(zhǎng).因此，應(yīng)用于高溫環(huán)境的金屬橡膠阻尼構(gòu)件為了獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能，有必要進(jìn)行合理的熱處理.

References)

［1］契戈達(dá)耶夫(俄).金屬橡膠構(gòu)件的設(shè)計(jì)［M］.李中郢，譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2000 Chegodayev D E(Russia).The designing of component is made of metal rubber［M］.Edited by Li Zhonge.Beijing:Industry Publishing Company of National Defence，2000(in Chinese)

［2］季正勇，李春福，宋開(kāi)紅，等.金屬橡膠的應(yīng)用研究及進(jìn)展［J］.熱加工工藝，2011，40(16):96－99 Ji Zhengyong，Li Chunfu，Song Kaihong，et al.Application research and development of metal rubber［J］.Journal of Hot Working Technology，2011，40(16):96－99(in Chinese)

［3］趙程，羅昆，李響.去應(yīng)力退火對(duì)金屬橡膠損耗因子的影響［J］.熱加工工藝，2011，40(12):79－80 Zhao Cheng，Luo Kun，Li Xiang.Effect of relief annealing on metal rubber loss factor［J］.Journal of Hot Working Technology，2011，40(12):79－80(in Chinese)

［4］Ertas B H，Luo Huageng.Nonlinear dynamic characterization of oil-free wire mesh dampers［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2008，130/032503:1－8

［5］Hong Jie，Zhu Bin，Ma Yanhong.Theoretical and experimental investigation on nonlinear characterization of metalrubber［C］//2011 ASME Turbo Expo.Vancouver:ASME，GT2011-45772:1－10

［6］朱彬，馬艷紅，洪杰.金屬橡膠剛度阻尼模型理論分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37(10):1298－1302 Zhu Bin，Ma Yanhong，Hong Jie.Theoretical analysis on stiffness and damping characteristics of metal rubber［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2011，37(10):1298－1302(in Chinese)

［7］張英會(huì)，劉輝航，王德成.彈簧手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003 Zhang Yinghui，Liu Huihang，Wang Decheng.Spring manual［M］.Beijing:China Machine Press，2003(in Chinese)