摘 要

形状记忆合金是一种同时具有感知和驱动功能的新型功能材料，其具有特殊的高阻尼特性和形状记忆效应。本课题在前期对柱状晶组织Cu基形状记忆合金研究的基础上，进一步研究柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的阻尼性能。

本文采用定向凝固方法制备了柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金，通过万能材料试验机对试样进行循环拉伸，研究其在循环拉伸状态下的静态阻尼性能。同时采用DMA技术分析其不同应变频率下的动态阻尼性能。获得以下实验结果：

（1）采用定向凝固方法制备的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金具有沿凝固方向较为完整的柱状晶组织结构，平直的纵向晶界。柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金在室温条件下为单一的马氏体母相相。如果浇铸后的淬火温度较低，容易形成α析出相。在循环拉伸测试中，随着循环加载应变量的增加，合金的超弹性恢复率会逐渐降低。

（2）在静态阻尼的循环测试中，不含析出相的合金试样的能量耗散程度（反应合金的静态阻尼性能的好坏）随拉伸应变量的增加先增大后减小，在拉伸应变量为26%左右时最高，而含有析出相的试样的能量耗散程度随拉伸应变量的增加而增大。

（3）在DMA热机械分析中，柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金在阻尼-温度谱中，在相变温度附近出现了很明显的阻尼峰，并对应储存模量的最小值。随着DMA频率的增加，合金的相变阻尼逐渐减小。

关键词：Cu-Al-Mn形状记忆合金；阻尼性能；高阻尼金属；柱状晶组织；DMA

Abstract

Shape memory alloy is a new functional material with both sensing and driving functions, which has special high damping characteristics and shape memory effect. In this paper, the damping properties of Cu-Al-Mn shape memory alloys in columnar crystal structure were studied on the basis of the study of Cu-based shape memory alloys.

In this paper, Cu-Al-Mn shape memory alloy with columnar crystal structure was prepared by directional solidification method. The static damping properties of the samples were studied by cyclic stretching of the samples by universal testing machine. At the same time, the dynamic damping performance at different strain frequencies was analyzed by DMA technique. The following experimental results were obtained:

(1) The columnar crystal structure Cu-Al-Mn shape memory alloy prepared by directional solidification method has a columnar crystal structure with a relatively complete grain boundary structure and a straight vertical grain boundary. The columnar crystal structure Cu-Al-Mn shape memory alloy is a single martensitic phase β_1 phase at room temperature. If the quenching temperature after casting is low, it is easy to form the precipitated phase. In the cyclic tensile test, the superelastic recovery rate of the alloy decreases with the increase of the cyclic loading strain.

(2) In the static damping cycle test, the energy dissipation of the alloy sample without α precipitation phase (the static damping performance of the reaction alloy) increases first and then decreases with the increase of the tensile strain, The maximum amount of tensile strain is about 26%, and the energy dissipation of the sample containing α precipitation phase increases with the increase of tensile strain.

(3) In the DSC thermomechanical analysis, the columnar Cu-Al-Mn shape memory alloy has a significant damping peak near the phase transition temperature and corresponds to the minimum value of the storage modulus in the damping-temperature spectrum. With the increase of the DMA frequency, the phase change damping of the alloy decreases gradually.

Key Words：Cu-Al-Mn shape memory alloys；damping performance；high damping metal；columnar crystal structure；DMA

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及目的意义 1

1.1.1 研究背景和课题来源 1

1.1.2 研究目的和研究意义 1

1.2 Cu-Al-Mn形状记忆合金概述 1

1.2.1 形状记忆合金及其特性 1

1.2.2 Cu基形状记忆合金的应用 6

1.2.3 Cu-Al-Mn形状记忆合金的发展前景 8

1.3 形状记忆合金的阻尼性能研究现状 9

1.3.1Cu-Al-Mn形状记忆合金阻尼性能的相关研究 9

1.3.2典型SMA的阻尼解释 9

1.3.3室温结构和相结构与阻尼性能的关系 9

第2章 研究内容与技术路线 12

2.1 研究内容 12

2.1.1 柱状晶组织Cu-Al-Mn合金的制备和显微组织分析 12

2.1.2柱状晶组织Cu-Al-Mn合金的拉伸试验静态阻尼研究 12

2.1.3柱状晶组织Cu-Al-Mn合金的DMA试验动态阻尼研究 12

2.2技术路线 12

第3章 柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的制备和显微组织分析 14

3.1柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的制备 14

3.2柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的微观组织分析 16

3.3本章小结 17

第4章 柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的静态阻尼研究 19

4.1试验材料和方法 19

4.2柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的超弹性性能和静态阻尼 20

4.2.1柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的超弹性性能 20

4.2.2 柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的静态阻尼 22

4.3本章小结 24

第5章柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的动态阻尼研究 25

5.1试验材料和方法 25

5.2柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的动态阻尼性能分析 26

5.3本章小结 32

第6章结论 33

参 考 文 献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1研究背景及目的意义

1.1.1 研究背景和课题来源

本课题来源于国家自然科学基金项目，项目编号为国家自然科学基金51604206。

在本课题的前期研究工作中，采用控制凝固的方法，通过定向凝固制备柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金。研究发现，这种材料具有特殊的组织和功能特性，在受到外力作用下，能够利用应力诱导马氏体相变，实现等应力大幅度变形和应力迟滞，因此具有良好的阻尼减震效果和能量吸收效果。本课题将在前期对柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的研究上，进一步探究形状记忆合金的阻尼性能及其机制。

1.1.2 研究目的和研究意义

前期对柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金的超弹性性能和疲劳性能提升机制进行了研究，也发现合金在超弹性拉伸循环过程中，具有很大的迟滞回线面积，由于迟滞回线面积的大小可以反应合金的能量耗散性能，即阻尼性能。使得合金在减振降噪领域可能具有应用前景，如在汽车工业、人体医学材料和高端减震装置等领域具有应用潜力，被用于吸波减震等装置，例如防噪音装置，汽车的减震器等。在军事领域也有应用，例如潜水艇的螺旋桨、航空航天材料。除此之外，合金具有成产简单，成本较低等优点，在使用频率不是很高，条件要求不是特别高时，其性价比和综合性能都比较优秀。

减震降噪方面的应用需要合金具有很好的阻尼性能，而目前对这个合金阻尼性能的特征不是很明确，基于合金的应用潜力，亟需对该合金的阻尼特性进行研究。本课题将针对柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金具有高的超弹性和应变滞回曲线的现象，采用超弹性拉伸测试以及热机械分析相结合的方法，研究和分析柱状晶Cu-Al-Mn形状记忆合金的阻尼性能，为合金在阻尼吸能方面的应用提供参考和指导。

1.2 Cu-Al-Mn形状记忆合金概述

1.2.1 形状记忆合金及其特性

形状记忆合金（shape memory alloy，简称为SMA）是一种新型的功能材料，已成为功能材料领域热点之一。形状记忆合金与其他材料相比，具有很明显的特性，具体如下。