高强韧ADI阻尼性能及机理研究

Austempered ductile iron(ADI) has obvious advantages in mechanical properties, self-lubricating property and low specific gravity compared with low alloyed steel. Therefore, low alloyed steel as the material of transmission gears and other transmission components is being gradually replaced by ADI. However, the damping capacity of ADI has a direct impact on the vibration and noise of transmission system. In order to provide theoretical basis for expanding the application of ADI on transmission components, it is urgent to study the damping capacity and damping mechanism of ADI. This project is based on the control of spheroidal graphite, matrix microstructure and surface stress which is produced by shot peening method. The effects of spheroidal graphite, matrix microstructure and the interface between spheroidal graphite and matrix microstructure on damping capacity are studied. The internal friction physical model for the describing interface is established. The damping mechanism of the interface is revealed. Moreover, the effects of surface stress on damping capacity are investigated. The internal relationships among microstructure, surface stress, damping capacity and mechanical properties are clarified. The influences of temperature, frequency and amplitude on damping capacity are studied. The damping mathematical model considered the temperature, frequency and amplitude is established. The researches mentioned above provide the guidance for further application of ADI.

等温淬火球墨铸铁（ADI）具有综合力学性能优异、自润滑特性、较低合金钢比重低等优势，在变速箱齿轮等传动部件上正逐渐取代低合金钢。ADI的阻尼性能直接影响传动系统的振动和噪声，为拓宽ADI在不同传动部件上的应用提供依据，亟待开展ADI阻尼性能及机理研究。本项目从ADI球状石墨、基体组织、喷丸处理形成表面应力的调控入手，研究球状石墨和基体组织及其界面对阻尼性能的影响规律，建立球状石墨与基体界面内耗的物理模型，揭示球状石墨和基体组织及其界面的阻尼机理；查明ADI表面应力对阻尼性能的影响规律，揭示ADI表面应力层的阻尼机理，阐明ADI微观组织、表面应力与阻尼性能和力学性能之间的内在联系；研究ADI阻尼性能随温度、振幅和频率的变化规律，建立温度、频率、振幅与ADI阻尼性能的数学模型，为拓宽ADI应用范围提供有力依据、奠定坚实的理论基础。

等温淬火球墨铸铁（ADI）的阻尼性能直接影响传动系统的振动和噪声，为拓宽ADI的应用，本课题通过调控球化剂加入量、热处理和喷丸工艺参数制备多种组织特征的两步法ADI试样，利用SEM、TEM、DMA等分析测试手段，对显微组织、力学性能和阻尼性能等进行研究，揭示了ADI合金的阻尼机理，建立了ADI工作温度、频率、振幅的动态阻尼性能数学模型。.通过调控球化剂加入量，获得了不同石墨形貌的ADI试样。随球化率提高，ADI力学性能显著增加，但降低了阻尼性能。石墨数量越多，石墨与基体的界面面积越大，引发石墨与基体界面相对运动累积塑性变形量越大，导致ADI阻尼性能越好。因此，为追求ADI高阻尼性能，在保证综合力学的性能前提下，可适当降低球化率。.为制备兼具高强韧性的ADI，本项目通过调控两步等温淬火处理工艺获得了不同基体组织及性能的ADI。随一步等温淬火温度（240~320℃）的增加，综合力学性能和阻尼性能均先升高后降低，一步等温处理280℃x10min时阻尼性能最佳，Q-1为0.022，σb为1340MPa。奥氏体减少，大幅降低了ADI振动波吸收能力。随二步等温淬火温度（320~400℃）的增加，奥氏体逐渐分解，并析出了大量弥散分布的Fe3C相，不仅改善了ADI强度（360℃时σb最高可达1350MPa），而且Fe3C-基体界面面积大幅增加，界面运动能耗增加，导致阻尼性能逐渐提高（Q-1由0.02升至0.035）。.为提高ADI疲劳性能，ADI齿轮等零件须进行喷丸处理，本项目采用表面喷丸处理，获得不同应力层厚度的ADI试样。垂直于喷丸表面，表层压应力沿深度方向先逐渐增大后逐渐减小，并向拉应力转变，应力层厚度为60μm时，残余压应力可达550MPa。经喷丸处理的ADI阻尼性能急剧降低（Q-1由0.08降至0.006）。喷丸处理严重破坏了石墨结构，并导致石墨脱落，形成了大量孔洞，降低了材料致密度，降低了石墨、石墨-基体界面吸收振动的能力。因此，为保障ADI阻尼性能，应严格控制喷丸处理工艺。.基于分数导数模型，将ADI的阻尼损耗因子分离为仅与频率相关及与频率、温度均相关的两个分量，并分别用Kelvin分数导数的损耗因子模型和高斯函数模型表达两个分量，以此为基准建立了ADI工作温度、频率、振幅的动态阻尼性能数学模型。