Mg-Sn合金的阻尼机理研究.pdf

第 ? 卷?第 ? 期 ? 年? 月 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?合金的阻尼机理研究 陈?宇? 刘红梅? 王峰阳? 高天学 ?西南交通大学 材料科学与工程学院? 四川 成都? 摘要?研究了不同的 ? 含量? ?质量分数?的 ? ? ? ? 合金在不同状态下?铸态? ?固溶态? ?固溶 ?时效态? ?的阻 尼性能? 结果表明随着 ? 含量的增加? ? ? ? ? 合金阻尼性能中与应变相关的阻尼值?阻尼因子 ? ? ?会相应的增加? ? ? ? ? 合金 阻尼机理为位错阻尼和相界阻尼的共同作用?相界阻尼来自于合金中层片状共晶组织? ? ? 与 ? ? ? ? ?相界面摩擦阻尼? 高应变 振幅下?含 ? ? 的 ? ? ?因子变化规律为? ? ? ? ? ?位错机制占主导地位?含 ? ? 的阻尼因子 ? ?变化规律为? ? ? ? ? ?相界面摩擦阻尼占主导地位? 关键词? ? ? ? 合金?固溶和时效?层片状共晶组织?相界阻尼 中图分类号? ? ? ?文献标志码? ?文章编号? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 收稿日期? ? ? 基金项目?国家自然科学基金? 作者简介?陈?宇?男?硕士?主要研究方向?镁合金阻尼性能? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 通讯作者?刘红梅?副教授?联系电话? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 纯镁拥有很高的阻尼性能?合金元素的种类和含 量对阻尼性能有较大的影响? 一般来说添加在镁中固 溶度比较小的合金元素?在受到外界应力时?位错由于 能够自由运动消耗了能量?因而具有较好的阻尼性 能? 目前广泛被使用的商业镁合金如? ? ? ? ? 等?由于合金元素的影响导致阻尼性能普遍比较低? 传统的阻尼合金如 ? ? ? ? ? ? ? 等?合金密度大?耐 热性差?而镁合金具有轻质?比强度?比刚度高?阻尼性 能好等优点?被广泛应用于航天航空?汽车和电子等工 业领域? 但是在纯镁的基础上通过添加合金元素增强 了力学性能但却会降低其阻尼性能? 因此?研究开发 具有高阻尼的镁合金具有重要的意义? 本文研究了不同含量? ?质量分数?下 同?不同状态?铸态? ?固溶? ?固溶 ?时效 ? ? ? ? ? 合金的阻尼性能?通过观察微观组织与 阻尼性能的关系?分析不同成分及不同状态 ? ? ? ? 合 金的阻尼机制?从而指导新的具有高阻尼高强度镁合 金的设计? ?试验材料与方法 试验材料为纯度为 ? ?的商业高纯镁以及纯 度为 ? ?的高纯锡? 将装有镁锭的坩埚放入井式 电阻加热炉中?并将模具在 ? ?下进行预热? 当镁 锭开始熔化的时候?通入 ? ? 的 ? ?和 ?的混合气 体? 将电阻炉内温度升高至 ? ?并且保温 ? ? ? ? 然后将预热好的锡锭加入已熔化的镁液中?在 ? ? 下保温 ? ? ? ? 后开始搅拌并除渣?再在 ? ?下保温 ? ? ? ? 将 ? ? ? 合金液倒入已准备好的不锈钢模具 中?得到含 ? ? 的 ? ? ? 合金锭? 将得到的 ? ? ? 合金锭分别进行固溶处理后?再进行时效处理? 具体工艺如表 ? 所示? 将得到的 ? ? ? 合金铸锭加工成? ? ? ? ? ? ? ? 的阻尼丝?用葛氏扭摆进行测试?测试过程在室温条件 下进行?应变范围为 ? ? ? ? ? ? ? ?测试频率 第 ? 期陈?宇?等? ? ? ? 合金的阻尼机理研究 ? ? ? ? ? ? ? ?测试结果用 ? ? ?品质因素的倒数?表示? 表 ? ? ?合金的热处理工艺 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 编号固溶温度? ?固溶时间? ?固溶温度? ?固溶时间? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?试验结果与讨论 ? ?铸态 ? ? ?合金阻尼性能 图? 为铸态 ? ? ? 合金的阻尼应变振幅曲线?由图 ? 可知? ? ? ? 合金的阻尼值都比较高?在应变为 ? ? ? ? ? 时 ? ? ? ? 合金最高阻尼值可以达到 ? ? ? ? ? 合金的阻尼随应变振幅的变化可以很明显的分 为两个阶段?第一阶段?阻尼值的大小基本不随应变振 幅的增大而增大?我们把这一部分的阻尼称为应变无 关型阻尼?此时材料的主要阻尼机理是空位以及杂质 原子的弱钉扎作用?所以阻尼性能随着应变振幅的增 加变化不大?而在第二阶段因为此时位错摆脱钉扎?可 以大幅度的运动而消耗能量?所以阻尼值快速增加? 图 ?铸态 ? ? ? 合金的阻尼应变振幅曲线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 纯镁及镁合金的阻尼值?都有随应变振幅增大而 增大的趋势? 由图 ? 可以看出? ? ? ? 合金的阻尼 因子随应变振幅增大而增大?并且 ? 含量越高?其临 界应变振幅越大?在小应变振幅下?随着 ? 含量的增 加?合金的阻尼值减小?因为合金元素的添加?使得合 金中第二相数量增加?降低该合金基体中的位错在外 力作用下的可动性? 位错的可动性越高?则该合金消 耗外界振动能的能力越强?即合金的阻尼性能越好? 目前?镁合金的阻尼机制主要被认为是由于点缺 陷和位错的交互作用引起的? ? ? ?位错钉扎理论认 为?位错型阻尼可以由如下公式表示? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 式中? ? ? ? ? 为与应变无关的阻尼? ? ? ? ? ?为与应变相 关的阻尼? 是材料的位错密度?是一常系数? 是位 错被钉扎的长度? ?为角频率大小?是剪切模量? 为位错的柏氏矢量? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?是位 错受到的弱钉扎力?为强钉扎位错线间的平均长 度?为弱钉扎位错线间的平均长度?是材料的弹 性模量? 如果合金的阻尼机制与 ? ? ?理论相符合的 话?那么 ? ? ? ? ? ? ?曲线应该是一条直线? ?为直 线的截距? ?为直线的斜率? 图 ?铸态 ? ? ? ? 合金的 ? ? ?曲线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 从铸态 ? ? ? ? 系合金的 ? ? ?曲线可看出 ? ? ? ? 合 金的 ? ? ?曲线并不是标准的直线?尤其是在较高应变的 阶段?更加偏离原来的直线?原因是 ? ? ? ? 合金的阻尼 机制并不是单纯的位错机制?而是其他因素的影响? ? ? ? ? ? 态 ? ? ?合金阻尼性能 进一步分析 ? ? ? ? 合金热处理态的阻尼性能见 图 ? 由图 ? 可以看出?当 ? 含量低于 ?时?固溶 ? 时效处理后?在低应变区阻尼性能 ? ? ? ? ? ? ? ?而在高 应变区?则是 ? ? ? ? 热处理工艺对 ? ? ? ? 合金 阻尼性能的影响与目前所报道的单纯由位错机制阻尼 镁合金不同?在铸态时?其品质因子的倒数 ? ? ?为? ? ? ? ?通过 ? ? 处理?合金中的共晶组织 ? ? ? 因固溶 处理而分解?所以 ? ? ?有所降低?为? ? ? ? ?而位错 型机制的镁合金?经过固溶处理 ? ? ?的值会升高? 经 过 ? ? 处理的合金析出了细小的 ? ? ? 金属间化合 物?对位错产生强钉扎作用? ? ? 的值进一步降低为 ? ? 第 ? 卷 图 ?不同成分 ? ? ? ? 合金的 ? ? ? ? 态阻尼应变曲线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图 ? ? ? ? ? ? ? ?的 ?态扫描电镜照片 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 造成以上结果的原因可能是?高应变振 幅下?阻尼性能主要受第二相含量及分布的影响? ? ?不同状态下 ? ? ?合金组织 ? ? ? ? 二元合金铸态显微组织如图 ? ?所示? 由图? 中可以看出?铸态时 ? ? ? ? 合金呈树枝晶组织? 主要由 ? ? ? ? 组成?随着 ? 含量的增加?合金中生成 了层片状的共晶组织? ? ? ? ? ? ? ?且大小?数量随 锡含量的增加而增加? 此外由于组织偏析?还有少量 ? ? ? 以离异共晶的形成呈块状或骨骼状分布在树枝 晶间? 固溶 ?时效处理后 ? ? ? ? 二元合金如图 ? ? 所示?共晶 ? ? ? 相消失? 以溶质原子的形式固溶 入镁基体中?形成过饱和的 ? ? ? ?组织? 固溶后进行 时效的微观组织如图 ? 所示?合金中弥散析出了金属 间化合物 ? ? ? ? 由于含有 ? 元素的镁合金中生成了层片状的 ? ? ? 共晶相?这种共晶相由硬的 ?相? ?与软 的基体相? ? ? ? ?组成?其界面在受到振动时会发生粘 弹性作用或第二相变形而吸收振动能?而实现振动能 量的耗散? 因此? ? ? ? 系列合金的阻尼性能呈现了与 位错机制镁合金不同的规律?高应变振幅下?当 ? 含量 低于?时?其阻尼变化规律为? ? ? ? ? ?位错机制 应占主导地位?层片状共晶组织的相界摩擦也阻尼也有 一定贡献? 当 ? 的含量大于?时?其阻尼性能的变化 规律为? ? ? ? ? ?呈现出相界阻尼主导的特征? 通过 ? ? 和 ? ? 处理表明?特有的共晶组织致使合 金具有位错和复相两种阻尼机制? 对于位错型阻尼机 制镁合金?通过 ? ? 处理?合金中的析出相因固溶处理 第 ? 期陈?宇?等? ? ? ? 合金的阻尼机理研究 ? ? 图 ? ? ? ? 合金的 ? ? 态? ? ? 态? ?的显微组织 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 而分解?使其成为过饱和固溶体?对位错线的钉扎作用 减弱?从而提高了在高应变振幅下的阻尼性能? 而经 过 ? ? 处理的合金析出的第二相更多?所以同理阻尼性 能减小得更多? 在 ? 含量低的时候符合位错机制?因 为层片状的共晶组织很少?当 ? 含量高的时候是位错 与相界混合机制?因为此时层片状共晶组织比较多?相 界阻尼起主要作用? ?结论 ? ? ? ? ? 系合金都具有较好的阻尼性能?阻尼值 ? ? ? ? ? ?且总体来说?随着 ? 含量的增加?阻尼值 有减小的趋势? ? 根据 ? ? ?曲线可以看出?尤其是在高应变区? ? ? ?曲线偏离严重?说明 ? ? ? ? 合金并不是单纯的位 错阻尼机制?纯位错机制 ? ? ?曲线为直线? ? 通过对 ? ? ? ? 合金热处理前后的阻尼线曲线 分析?高应变振幅下?含 ? ? 的阻尼变化规律 为 ? ? ? ? ? ?为位错阻尼和界面阻尼共同作用的结 果?但位错机制占主导地位?含 ? ? 的阻尼变 化规律为 ? ? ? ? ? ?相界阻尼占主导地位? 参考文献? ? 胡小石? 王晓军? 冯?聪? 等?均匀化热处理对 ? ? ? ? 合金阻尼性 能的影响? ? ? ? 第十次全国热处理大会? 天津? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 张?佳? 刘楚明? 朱秀荣? 等?热轧及退火对 ? ? ? ? ? 系阻尼合金组 织和性能的影响? ?金属热处理? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 张?佳? 吴?炜? 蒋?彦? 等?退火温度对热轧态 ? ? ? ? ? 合金 阻尼性能的影响? ?金属热处理? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?