家具设计用Mn-Cu合金组织的影响

摘要：采用X射线衍射分析仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、动态机械热分析仪（DMA）等分析了固溶/时效热处理对家具设计用Mn-Cu合金组织与阻尼性能的影响，得出了较为适宜的热处理工艺，并探讨了显微组织与阻尼性能之间的关系。结果表明：在相同的应变振幅下，固溶/炉冷Mn-Cu合金的阻尼值要高于固溶/水冷Mn-Cu合金的阻尼值，且都小于轧制态Mn-Cu合金的阻尼值；随着时效时间的增加，同一应变振幅下的Mn-Cu合金的阻尼值呈现先增加而后降低的趋势，在时效时间为8h时获得的阻尼值最大；因此，Mn-Cu合金经过时效处理后，并不是时效时间越长阻尼性能越好，Mn-Cu合金适宜的时效保温时间为8h。

关键词：固溶；时效；Mn-Cu合金；组织；阻尼性能

家具设计作品的完成需要具有良好综合性能的一系列材料来配合，其中，Mn-Cu合金由于具有良好的硬度、刚度、色泽和其它陶瓷、玻璃等不具备的延展性而被广泛应用于家具设计中，如电子器件、仪表、铰链、门把手、门窗框架或者室内装饰配件等[1]。随着对建筑功能化使用要求的提高，多功能综合性建筑应运而生，尤其是随着振动和噪声问题的出现，采用对人们健康有益且能减振降噪的材料成为了科研工作者急需解决的问题[2]。本文通过研究热处理工艺对家具设计用Mn-Cu合金组织与阻尼性能的影响，有助于揭示阻尼性能与材料显微组织之间的对应关系，以期为开发出具有较高阻尼性能的室内用材提供必要参考。

1试验材料与方法试验材料为家具设计用

Mn-Cu合金.从Mn-Cu合金板材上截取30mm×10mm×2mm的试块若干，在卡博莱特CWF通用型马弗炉中进行固溶和时效热处理。分别进行4种热处理工艺：A：835℃/0.5h炉冷；B：835℃/0.5h水冷；C：835℃/0.5h炉冷+425℃/（4～16h）炉冷；D：835℃/0.5h水冷+425℃/（4～16h）炉冷。将热处理后的试样加工成30mm×5mm×1mm阻尼测试片，用砂纸打磨和清洗吹干备用。不同热处理制度下的Mn-Cu合金的物相分析采用帕纳科AxiosmAX型X射线衍射仪进行，扫描速度为2°/min；采用VEGAILMU可变真空钨灯丝扫描电子显微镜观察不同状态下Mn-Cu合金的显微形貌；应变振幅-阻尼性能测试在Q800动态机械热分析仪上进行，试验中采用单悬臂梁振幅扫描磨损，频率为1Hz，温度为常温，振幅范围在0.5～100μm，测试试样在室温下阻尼值随着振幅的缓慢变化，得出阻尼随振幅增加的应变振幅-阻尼曲线。

2结果与分析

2.1固溶处理对合金组织的影响

（工艺A）和固溶/水冷（工艺B）态Mn-Cu合金的X射线衍射分析结果。物相分析结果表明，对于轧制态Mn-Cu合金，合金中都为面心立方结构的单相γ，衍射峰出现在（111）（200）（220）（311）和（222）晶面；经过固溶/炉冷和固溶/水冷处理后，Mn-Cu合金中（222）晶面的衍射峰基本消失，尤其是在固溶/炉冷态下（222）晶面的衍射峰完全消失。除此之外，固溶/水冷后的Mn-Cu合金的衍射峰，相对于轧制态发生了左侧偏移，这主要与固溶/水冷导致的晶格畸变有关[3]。对轧制态、固溶/炉冷和固溶/水冷态Mn-Cu合金的显微形貌进行观察。轧制态下的Mn-Cu合金发生了晶粒破碎和部分再结晶现象，晶粒尺寸分布不均匀，合金中第二相有在轧制过程中破碎和沿着轧制方向变形的特征；经过固溶/炉冷处理后，合金中主要为单一的亚稳γ相，没有发现明显的晶粒；而经过固溶/水冷后，Mn-Cu合金中可见明显的细小六边形晶粒存在。这主要是由于水冷后Mn-Cu合金的冷却速度较快，合金晶粒来不及长大所致[4]。因为固溶/水冷后的合金的晶粒尺寸较为细小，合金诱发马氏体相变所需要的能量就会越大，在相同热处理条件下越不容易形成马氏体，从而使合金的阻尼性能有所降低[5]。

2.2固溶/时效处理对合金阻尼性能的影响

炉冷和固溶/水冷Mn-Cu合金的阻尼值随着应变振幅的变化曲线。其中，阻尼值用品质因子的倒数Q1表示（无量纲参数），应变振幅（无量纲参数）为一个应变周期中最大应变和最小应变之差的二分之一。可以看出，无论是轧制态还是固溶态Mn-Cu合金，阻尼值都会随着应变振幅的增加而逐渐增大。但是相对而言，在较小的应变振幅下，3种状态下合金的阻尼值的变化幅度较小。对比分析可见，在相同的应变振幅下，固溶/炉冷Mn-Cu合金的阻尼值要高于固溶/水冷Mn-Cu合金，且都小于轧制态Mn-Cu合金。相对而言，虽然固溶/炉冷的阻尼性能相对固溶/水冷更好，但是与轧制态Mn-Cu合金仍然有一定差距，需要进一步通过时效热处理方法加以提高。水冷态和不同时间时效态Mn-Cu合金的X射线衍射分析结果。对比分析可以发现，虽然时效热处理时间不同，但是时效态合金的物相还都为面心立方结构单相γ，衍射峰出现在（111）（200）（220）（311）和（222）等晶面，与固溶/水冷态合金的物相种类基本相同。由此可见，经过时效热处理后，Mn-Cu合金中没有出现新的物相。对固溶/水冷态、时效4h、时效8h和时效16h热处理后的Mn-Cu合金的进行扫描电镜显微形貌观察。在固溶/水冷后进行时效热处理，合金中并没有出现明显的马氏体形态。这可能是由于时效后的冷却速度较慢，不具备形成马氏体的条件。经过时效热处理后合金的晶粒尺寸相对于固溶/水冷态更大，且随着时效时间的延长，晶粒尺寸呈现逐渐增加的趋势，且在时效时间为16h时的合金中出现了局部富Mn（凸起部分）。晶粒尺寸的粗化会在一定程度上降低晶界密度，从而有助于时效过程阻尼性能的降低，但是晶界处富Mn相的产生会阻碍马氏体和基体之间的界面运动，从而降低阻尼性能[6-7]。水冷态和不同时间时效态Mn-Cu合金的阻尼值随着应变振幅的变化曲线。可以看出，在相同应变振幅下，经过不同时间时效处理后的Mn-Cu合金，其阻尼品质因子的倒数Q-1都要高于固溶/水冷态合金；随着应变振幅的增加，固溶/水冷态和不同时效态Mn-Cu合金的阻尼值Q-1都呈现逐渐上升的趋势。由此可见，经过固溶/水冷处理后的Mn-Cu合金的阻尼性能对应变振幅较为敏感。在固溶/水冷制度相同的条件下，随着时效时间的延长，同一应变振幅下的Mn-Cu合金的阻尼值呈现固溶/炉冷固溶/水冷先增加而后降低的趋势，在时效时间为8h时取得最大值。综合而言，经过时效处理后，Mn-Cu合金的阻尼值有所升高，但是并不是时效时间越长阻尼性能越好，而是在中间某一时效时间时取得最大值，本文适宜的时效时间为8h。

3结论

（1）轧制态Mn-Cu合金中都为面心立方结构的单相γ，衍射峰出现在（111）（200）（220）（311）和（222）晶面；经过固溶/炉冷和固溶/水冷处理后，Mn-Cu合金中（222）晶面的衍射峰基本消失，尤其是在固溶/炉冷态下，（222）晶面的衍射峰完全消失。（2）无论是轧制态还是固溶态Mn-Cu合金，阻尼值都会随着应变振幅的增加而逐渐增大。但是相对而言，在较小的应变振幅下，3种状态下合金的阻尼值的变化幅度较小；在相同的应变振幅下，固溶/炉冷Mn-Cu合金的阻尼值要高于固溶/水冷Mn-Cu合金，且都小于轧制态Mn-Cu合金。（3）在相同应变振幅下，经过不同时间时效处理后的Mn-Cu合金的阻尼值，都要高于固溶/水冷态合金；随着时效时间的延长，同一应变振幅下的Mn-Cu合金的阻尼值呈现先增加而后降低的趋势，在时效时间为8h时取得最大值。

参考文献:

[1]王敬丰，凌闯，胡耀波，等．热处理对Mn-Cu合金微观组织和阻尼性能的影响[J]．功能材料，2011，10(42)：1902-1906．

[2]赵雪微，陆家文，汤皓，等．Fe含量和时效对Mn-Cu阻尼合金力学性能的影响[J]．热加工工艺，2017，46(14)：51-53．

[3]YinFX，IwasakiS，SakaguchiT．TheimproveddampingbehaviorofMn-Cyhighdampingalloyobtainedbysolidficationprocesscontrol[J]．ProgressinPhysics，2006，26(3/4)：323-330.

[4]WangJ，LuR，WeiW．Effectoflongperiodstackingordered(LPSO)structureonthedampingcapacitiesofMg-Cu-Mn-Zn-Yalloys[J]．JournalofAlloys&Compounds，2012，537(1)：1-5．

[5]陈泠俐，李宁，文玉华．Mn-Cu阻尼合金减振性能的研究[J].热加工工艺，2011，40(24)：15-17．

[6]翁端，刘爽，何嘉昌．锰基阻尼合金研发及产业化国内外现状[J]．科技导报，2014，32(3)：77-83．

[7]殷福星．实用M2052合金阻尼行为表征(英文)[J]．金属学报，2003，39(11)：1139-1144.

作者:金晚霞 陈启祥 秦莹 单位:湖北工业大学工业设计学院 武汉理工大学材料工程系