（材料加工工程专业论文）er、zn及挤压变形对mg06zr合金力学性能和阻尼行为的影响.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文以m g 0 6 z r 合金为研究对象，采用e r 、z n 合金化、挤压变 形及退火等试验方法，研究了m g o z r 系合金在不同处理状态下的力学 性能和阻尼行为；采用o m 、t e m 、s e m 、m f i f a 等仪器对m g - z r 系合金的观察与测试，较为深入地分析了其强化机制和阻尼机制，并 结合k g - l 模型探讨了位错阻尼与频率、振幅的相关性，实验结果 表明： l 、加入0 6w t e r + 1w t z n ，显著细化了m g - 0 6 z r 合金的铸态组 织。晶界处存在含m g 、e r 、z n 的质点，尺寸约为o 1 9 m ，呈不 连续分布状，在凝固过程中减缓枝晶的生长并在其它加工状态 下钉扎位错、晶界，从而稳定m g - 0 6 z r 合金的铸态和挤压态的 组织，抑制合金的晶粒长大，使得m g - 0 6 z r - 0 6 e r - l z n 合金铸态 晶粒尺寸为“o 岬；经2 8 0 挤压后晶粒尺寸减小至6p m ；在 4 0 0 。c 挤压过程中的晶粒长大程度较m g - 0 6 z r 合金小。 2 、加入0 6w t e r + 1w t z n ，使得铸态m g - 0 6 z r - 0 6 e r - l z n 合金抗拉 强度、屈服强度、伸长率分别达到1 9 8 8m p a 、8 3 0m p a 和2 2 5 ，均匀化后经2 8 0 挤压( 挤压比为2 5 ) 其抗拉强度、屈服强 度、伸长率分别达到2 3 2 5m p a 、1 4 7 8m p a 和2 3 3 ，较m g - 0 6 z r 均有不同程度的提高。其铸态合金在2 x 1 0 2 应变条件下的阻尼 值达到 4 8s d c 属于高阻尼范畴。 3 、 m g z r 系合金阻尼行为符合k - g l 位错钉扎模型。低频时合金 在低振幅状态下内耗与频率呈线性相关性，高振幅状态下合金 阻尼形式为静态滞后型，内耗与频率几乎无相关性；在1 0 h z 下 应变振幅与合金的内耗有一定的相关性，应变提高，合金的阻 尼性能变好。 关键词m g 一0 6 z r 合金，e r 、z n 合金化，阻尼行为，力学性能，变形 及其热处理，k - g - l 位错钉扎模型 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i sm g - 0 6 z ra l l o yi s i n v e s t i g a t e df o rm e c h a n i c a la n d d a m p i n gp r o p e r t i e st h r o u g ha l l o y i n g ，h o te x t r u d i n g ，a n da n n e a l i n g t h e s t r e n g t h e n i n ga n dd a m p i n gm e c h a n i s m a r ed e e p l ya n a l y z e db ym e a n so f o m ，d m a ，t e ma n ds e m t h ek - g - lm o d e l i si n t r o d u t e dt os t u d yt h e c o r r e l a t i o no ft h ed a m p i n g f r e q u e n c ya n dd a m p i n g s t r a i na m p l i t u d e e x p e r i m e n t r e s u l t sa leo b t a i n e da sf o l l o w s 1 、 i tc a l lb eo b s e r v a b l yr e f i n e do ft h em i c r o s t r u c t u r eb ya d d e d0 6 e ra n d1 z ni nt h em g - 0 6 z ra l l o y t h es e c o n dp h a s eo f m g - e r , m g - z na n dm g - e r - z n , a b o u to 1p a n ，i sd i s t r i b u t e dd i s c o n t i n u o u s n e a r b yt h eb o u n d a r y i tc a ns l o wd o w nt h ed e n d r i t et og r o wu pi n s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ，a n dn a i lt h eb o u n d a r ya n dd i s l o c a t i o ni n o t h e rp r o c e s s s o 也ec a s t m g 0 6 z r - 0 6 e r - lz na l l o yh a sb e e n t h i n n e dd o w nt o6 0u m a n da f t e re x t r u d e di n2 8 0 ，t h eg r a i n s i z eo fm g 一0 6 z r - 0 6 e r - lz na l l o yd e c r e a s et o6u m a n dt h ed e g r e e o fg r a i n g r o w t ho ft h em g 一0 6 z r o o 6 e r - lz na l l o yi sl e s st h a nt h e m g 一0 6 z ra l l o ya f t e re x t r u s i o ni n4 0 0 2 、b e c a u s eo fs t r e n g t h e n i n ge f f e c to fs o l i d s o l u t i o n ，g r a i n r e f i n i n g ， a n dt h es e c o n d p h a s e ，t h eo b ，盯0 2 a n de l o n g a t i o no ft h e m g 一0 6 z r - 0 6 e r - l z na l l o yw a sa b o v e1 9 8 8 m p a ，8 3 0 m p a , a n d 2 2 5 a f t e rh o m o g e n i z e da n de x t r u d e di n2 8 0 ( 2 = 2 5 ) ，t h e o r b ， o 0 2 a n de l o n g a t i o no ft h ea l l o yi n c r e a s e dt o2 3 2 5m p a ，14 7 8 m p aa n d2 3 3 t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l l o y sh a v eb e e n i n c r e a s e di nv a r i o u sd e g r e e s 3 、t h ei n t e r n a lf r i c t i o nb e h a v i o ro ft h e m g 一0 6 z ra l l o y s w a s r e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a t m g 一0 6 z ra l l o y s d a m p i n g b e h a v i o rc a nb e e x p l a i n e db y t h ek g lm o d e l i nt h e l o w - f r e q u e n c yc o n d i t i o n ，d a m p i n g f r e q u e n c yb e h a v i o ri ss h o w na s l i n e a rc o r r e l a t i o nu n d e rl o ws t r a i n a m p l i t u d e ；a n di t i sn e a r l y i r r e s p e c t i v ea ss t a t i c d e l a yt y p eu n d e rh i g hs t r a i na m p l i t u d e t h e r e i sr a t h e rp e r t i n e n ta b o u td a m p i n g s t r a i na m p l i t u d ec a p a c i t i e st h a t t h e d a m p i n gc a p c i t yi si m p r o v e db yt h e i n c r e a s eo fs t r a i n a m p l i t u d ei n10h zf r e q u e n c yc o n d i t i o n 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d sm g 一0 6 z ra l l o y , e r & z na l l o y i n g ，d a m p i n gc a p a c i t i e s ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d e f o r m a t i o na n dh e a t m e n t ，k g lm o d e l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：进噬月互日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述弟一早义陬琢硷 随着世界经济的发展，环境问题和能源问题已成为人们关注的焦点。材料作 为2 1 世纪的支柱，既是人类赖以生存的物质基础，又是能源、资源消耗和环境 污染的大户，走可持续发展道路是我国实现现代化的必然选择。材料有5 个方面 的变化趋势【l 】：即从黑色金属向有色金属变化，从金属材料向非金属材料变化， 从结构材料向功能材料变化，从多维材料向低维材料变化，从单一材料向复合材 料变化。同时新材料产业的发展必须遵循以下原则【2 】：首先要逐步实现材料设计、 开发、生产、消费、回收和过程的环境友好，控制资源依赖型、高能耗、污染产 业发展；其次，要走材料工业循环经济发展道路，提高材料质量和再利用率，以 替代材料数量的简单叠加；再次要发展新型节能材料、环境友好材料。镁及镁合 金由于具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工， 易回收等一系列优点，镁的这些优点使其被誉为“2 1 世纪重要的绿色工程金属结 构材料”【3 ，4 1 ，在航天航空、汽车制造、精密仪器仪表等行业得到了广泛的应用。 随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富的优势日益受到重视，特别 是结构轻量化技术及环保问题的需求更加刺激了镁工业的发展。因此，镁及镁合 金材料的研究已成为世界性的热点网。 近代工业和交通业不断发展，振动和噪声已成为三大公害之一，阻尼材料从 材料本身的角度出发，以达到减振降噪为目的，得到广泛开发及应用【6 l 。早在2 0 世纪5 0 年代，人们就根据材料的滞弹性理论，开始探索金属型的高阻尼材料1 7 1 。 由于现代工业的发展是以构件设计轻量化、高强度化、运行高速化以及尽可能采 用整体加工工艺成型为特点，因此，所选用的高阻尼材料还必须兼有高强度和其 他性能( 如耐蚀性等) 【s 】金属镁及其合金是目前应用的最轻的结构材料，具有 铝和钢不可替代的性能，如高比强度、高比弹性模量等，而且镁合金的高阻尼减 振性更是其他结构材料所难具备的特剧9 ，有良好的应用前景。 我国是镁资源大国，储量居世界首位。中国有色金属工业协会统计【u 】，2 0 0 5 年原镁产量近4 7 万吨，2 0 0 6 年达到5 1 5 4 万吨，自1 9 9 8 年以来镁产量一直居世 界首位，开发高品质镁合金材料在我国具有独特的优势。不断完善现有的镁合金 系，开发成本低、性能好的新型镁合金，对我国高性能材料领域的发展将具有极 大的推动作用。与铝合金相比，强度偏低、耐腐蚀性能差是制约镁合金大规模发 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 展与应用的瓶颈问题。充分挖掘稀土等合金元素在镁合金中的诸多优良特性的潜 力，提高镁合金的强度、韧性、耐蚀、耐热、阻尼和可成型性等综合性能，使高 性能镁合金成为重要的轻量化结构材料，是镁合金科研工作者重点研究方向。 近年来，自行车、汽车工业和电子工业以及航空航天产品的迅速发展，对 降低产品自重，提高便携性，降低能源消耗和减振降噪性等都提出了更迫切的要 求，因此低密度、高阻尼、高强度的镁合金材料将迅速得到日益广泛的应用【l 玉1 6 j 。 但前人对阻尼镁合金材料的研究并不多，研究内容也比较零散，现有的阻尼镁合 金材料强度普遍偏低，因此开发具有高的力学性能和阻尼性能的新型结构功能一 体化镁合金材料有望成为材料研究者新的探索方向。 1 2 镁合金的强化机制 纯镁的力学性能很低，室温塑性差，不能直接用作结构材料。但通过合金化 设计、变形与热处理、引入颗粒增强相与镁合金复合等方法综合运用，镁合金的 力学性能会得到大幅度的提高。长期以来，人们对镁合金的强化机理进行了大量 研究，镁合金的强化通常有以下几种途径，即固溶强化、第二相强化( 沉淀强化、 弥散强化) 、细晶强化、形变强化以及复合强化等。下面详细介绍固溶强化、第 二相强化以及细晶强化的相关理论。 1 2 1 固溶强化【1 7 j 一般来说，无论置换固溶体还是间隙固溶体，固溶体的硬度、强度总是比组 成它的纯金属要高，并且随着溶质原子浓度的增加，溶质原子和溶剂原子尺寸差 别的增大( 置换固溶体情况下) ，强化的效果加大。就固溶强化的微观机理而言， 固溶强化是由于溶质原子和位错的交互作用的结果。 晶体中的溶质原子是点缺陷的一种，会引起其周围发生弹性畸变。通常把围 绕位错而形成的溶质原子聚集物，称为“柯氏气团”，它可以阻碍位错运动，产生 固溶强化效应。间隙式或者置换式溶质原子在刃型位错弹性交互作用时，交互能 为负的情况下，溶质在基体中不会形成均匀分布( 当然是指在位错应力场范围 内) ，它们要偏聚到位错周围，形成所谓“柯氏气团”。此时，位错如果要运动就 必须从气团中挣脱出来或拖着气团一起运动。于是产生了较强的固溶强化效应。 类似“柯氏气团”，还有“史氏气团”也产生固溶强化效应。当间隙溶质原子在 体心立方晶体中产生非对称畸变时，它既和刃型位错也和螺型位错发生交互作 用，即为“史氏气团”。 另外“铃木气团”也产生相对较弱的固溶强化效应。在面心立方金属中，全位 错带常可以分解为两个肖克莱位错，中间夹以层错区。在层错区原子的错排构成 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 两个原子层厚的h o p 结构。溶质原子在基体中与在层错中的分布是不同的。溶质 原子在层错区的偏聚可以降低层错能。如果扩展位错从富集溶质的层错中运动出 来，将使系统自由能升高，外力必须克服阻力作功。溶质原子在层错中的偏聚即 称为“铃木气团”。因为铃木气团不像柯氏气团那样产生点阵畸变，因此铃木气 团不属于弹性交互作用，而被认为是一种化学的交互作用。铃木气团的阻力比较 小，只有柯氏气团的1 1 0 。 假如溶质原子不是偏聚到位错周围，或者不是作有序分布，也就不形成上述 的几种气团，而是以单个原子或原子团的形式无规则地在基体中分布，位错在基 体中运动，也会产生交互作用。此时引起均匀固溶强化。 有关均匀固溶强化的理论认为主要是由溶质与基体原子的弹性模量与原子 尺寸失配度产生的内应力场造成。位错线在运动时是可弯曲的，弯曲的程度反映 了溶质原子作用的强弱。而且溶质原子间距的每一段都对位错运动构成阻力。 除了溶质原子和位错发生交互作用，空位也能够和位错发生交互作用，而且 一般情况下要超过溶质原子引起的强化。 由于合金元素的扩散和合金相的分解过程缓慢，故镁合金的淬火敏感性低， 淬火时不需要快速冷却，可以在静止的空气中或者人工强制流动的气流中冷却。 而且绝大多数镁合金对自然时效不敏感，淬火后能在室温下长期保持固溶状态。 1 2 2 细晶强化 镁合金和其它金属结构材料一样，细化组织既能提高强度、塑性，又能改善 变形均匀性，是提高力学性能，改善加工性能的最有效途径之一。镁合金的细晶 强化主要是通过控制镁合金晶粒度的方法实现。细晶强化时，晶界是滑移传递的 有效障碍，晶界前方的应力集中使得更多的滑移系被激活，合金的整体变形更加 均匀，带来合金强度和韧性的提高；由于镁合金结晶温度范围宽、热导率较低、 体收缩较大，晶粒粗化倾向严重，并且在凝固过程中易产生缩松、热裂等铸造缺 陷，而细小的晶粒则有助于减少热裂和疏松等铸造缺陷，从而使合金的性能得到 提高。因此细晶强化对于密排六方( h o p ) 结构的镁合金效果更加明显。镁合金的屈 服强度与晶粒尺寸的关系可用h a l l p e t c h 公式来表示：o o 2 = o 矿k d 。o 一。式中k 值为 2 8 0 - , , 3 2 0m p a p m o 一，而铝合金的k 值仅在6 8m p a 耐5 左右【l s 】，因而与铝合 金相比，镁合金晶粒的细化更能有效地提高合金的强度。c h c c e r e s 等【l9 】发现 a z 9 1 合金晶粒直径小于0 1m m 时，晶粒尺寸减小，屈服强度提高。 细化镁合金晶粒的方法有两种：一种是在镁合金中加入晶粒细化剂，另一种 则是通过变形工艺进行晶粒细化。 ( 1 ) 添加合金元素和晶粒细化剂等工艺措施和方法可获得细小晶粒。 加z r 、c a 和s r 等合金元素，可以起到优良的晶粒细化效果【2 0 1 。z r 除了有 3 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 极为显著的晶粒细化作用外，还可以减轻合金的壁厚效应，大大缩小合金的结晶 温度范围并起净化合金液的作用，如与f e 化合生成z r 2 f e 3 和或z r f e 硷，提高合 金纯净度，改善耐蚀性能，与h 形成z r h 2 固态化合物，大大降低合金熔液中的 含氢量，对疏松减轻有利。c a 能明显细化镁及其合金晶粒的原因可用c a 抑制晶 粒生长理论加以解释【2 1 】：在纯镁及其合金中加入少量的c a ，在生长的固液界面 前沿的扩散层内产生成分过冷，由于溶质元素c a 的扩散较慢而限制了晶粒的生 长，导致晶粒生长速率减小。此外，在扩散层内的界面前沿处，成分过冷区中的 形核剂有可能被活化，导致进一步形核而细化晶粒。由于c a 能促进z r 在镁合金 中的溶解和扩散，因此z r 和c a 联合添加将比单独添加z r 产生更好的晶粒细化 效果，如对于m g - z n 合金，当z r 和c a 的复合加入量均大于1 ，合金的晶粒细 化效果相当显著。关于s r 细化镁合金晶粒的机理还不是十分清楚。一种观剧捌 从s r 在镁中的固溶度低( 5 2 6 k ) 下，能与镁形成无限固溶体。 ( 2 )原子尺寸因素溶质和溶剂原子大小的相对差值在1 5 以内才可能 形成无限固溶体。对镁来说，可能形成无限固溶体的金属元素中约有1 2 ，约1 1 0 的金属元素相对差值在1 5 左右，其他则在1 5 以外。 ( 3 ) 电负性因素溶质元素与溶剂元素之间的电负性相关越大，生成的化合物 越稳定。d a r k e n g m r y 理论认为，电负性差值大于o 4 的元素不易形成固溶体。 镁具有较强的正电性，当它与负电性元素形成合金时，几乎一定形成化合物。这 些化合物往往具有l a v e s 型结构，同时其成分具有正常的化学价规律。l a v e s 相是 一种金属间化合物，它借大小原子排列的配合而实现密堆结构，其分子式为a b 2 ， a 原子半径大于b 原子半径。尽管形成l a v e s 相的主要因素是尺寸因素，但电子 尝试在确定其结构类型和稳定性方面起着重要作用。典型的l a v e s 相包括三种： m g c u 2 ( 立方) 、m g z n 2 ( 六方) 、m g n i 2 ( 六方) 。其稳定性可用熔点表示。 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 - 1 合金元素在镁中的部分析出相和相关的晶体学参数 娶j 鼋墨量釜墨驽罢罨罨萼龟替喜墨娶罄誉罨耄毒罨星；型 釜妄罢旦妄西茧墨星呈墨零墨笔吕兽昌暑舄豁笛宕g ；岛 节寸价价价竹审mm_价mi n 审历西砸西寻寻西南面 鹫露斟霉岔霜；：盆防霉簪昌鬲兽葛甜密葛掣帘8 砖争毋兽 j 一一一“一“一“一“一“一“一“ 篁等皇三笛0 舌0 弓占刍占gj 离- c o 罱盘主痨昌看h r 4 如爵毒盘 ( 4 ) 原子价因素 当溶质和溶剂的原子价相差越大，则溶解度越小。与低 7 卜节【价o o h 卜i o n n 西0 卜西一心o n n 卜o m 价西m 0 o _ i 斟o o n 西价0 _ n 科口。竹n 协0 j l n h m n 审一 。卜n _ 1 价卜口o m n o in 昌口0 h m 0 o 【n o 价葛o。寸_协no 譬 寸一un 誓 口n _ 一u 冉n 目 一u n 日 望； o n o 心o 卜一。卜o o j l n 一 - 日 n n 吧o o o 卜卜审卜。价0 o n 【o _ 【o 寸上oo 口寸o o 卜寸寸一 ：n 兮o 卜节n o 口n o i 审n t h 价。西0 o n n o j n 【n 口0o n n 0由寸口。寸心审o j l m o i o 口。价“西o n n 0 【tn 一 p u ：8 节一un 价自 一。日 一 2 n 而n 厶 = 8 卟_ h o o 0 _ 8 寸 卜目 卜崎= o o 0 h o 可 o o 0 n _ 卜h 9 饥& a o i n 口葛c 9 树 n o - 0o d 0 o o n t on 8h 0 n 卜n n 叱骂 g ig i寻? 价_斜o斟审孵嘲耗s 上上嘲薤g _ e h 留oo t -c 1 5 9留每 盘o 0 唰瓠 o o 一 荨o o _ i 口o s = 岛 d ) 矗嚼暑 q 工u 毫 嚣】i卜罱量葛一一柚量王留毽蕾 声邑_ 譬g 皇毒 k 玺盎薯 出器墨 = 裔毫 管电黾毫 t 1 旺v b 毛口 强磊o 瓦蔷k舛鬲磊h 日 话暑u 【罨_u 看u 诌苇u 韫罱_ 备暑三 lt蒿h 西黾 一l h a 盖兮正 u u 守工守4亨正分鼻 椒雍 分工 u u uu u u 分工u u 声学1 l争正 台、iu 占u u u台占 u u 钕粥 u u u u u口u u 乎正 寸 n n 一 一 n 一 审一可 一 1 协 一f 一寸一j l n 1 一 n 卜【 西一 o 西由 n n n 一 n 价【 一j l 审节 n 节o “ 寸品 价n o n 价 _ 寸 n _ n z o 卜i o 卜_ - 寸 0 z i 价h 价n h o 卜n 9 节 西_ h h o 斜n o _ n 卜 叶 n 一一 一甘一 一n m n 卜卜 审 n n n 卜n n 卜n n 廿n 【i 一m 一 西町 n 町甘一 一o 寸一一 审节一 一n o n o 卜 一 西o 卜 协o i 甘n 价o n o n 1 卜价一 n n 一 卜 n 一一 。卜 卜毋“ 卜。西价 n 审n 一 卜心一 曲n 价_ o 价o 伪 n n n 一 n 一 一寸一 心竹价 n o 毋一 节心 n o o 由 审 n 【一 。寸一 西卜 o 卜口 n 西山1 “= 1 h n n 口价叮9 n o o 一 。节 西n o 价价一 价 n o n n n i 卜n o o n 审价n 卜一 节o n n 一 竹 一心一 卜n 审o 叮田 n o 卜n n n 西一 d 【 1 9 o 价0 _ n 【n 一 寸n 节心 n 卜一 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 价元素相比，较高价元素在镁中的溶解度较大。 纯镁的晶体结构为密排六方，依照晶体学中的刚球模型，镁的原子半径为 o 1 7 2 n m 。因此若仅从原子的尺寸因素，原子半径与镁原子半径相差4 - 1 5 的范围 内，周期表中大约有4 0 种元素有可能与镁形成无限固溶体。但由于这些元素与 镁的晶格类型、电化学性质和电子浓度之间的差别，镁与它们之间只能形成有限 固溶体，而过饱和的合金元素与镁能形成中间相同，镁与这些中间相往往都能形 成共晶体。 考虑到镁的合金化一般都是利用固溶强化、细晶强化、析出强化和弥散强化 来提高合金的常温和高温力学性能，因此其合金化设计应从晶体学、原子的相对 大小、原子价以用电化学因素等方面进行考虑。选择的合金元素应在镁基体中有 较高的固溶度，并且随温度变化有明显变化，在过程中合金化元素能形成强化效 果比较突出的过渡相【3 q ；合金化除了对力学性能进行优化外，还要考虑合金化后 材料的阻尼性能以及抗蚀性、加工性能和抗氧化性能的影响。 1 3 2 合金元素在镁中的作用 在已应用的镁合金强化元素中，根据合金化元素对二元镁合金力学性能的影 响，可以将合金化元素分为三类【3 7 】。 ( 1 ) 提高强度与韧性的元素按合金元素作用从强到弱排序砧、z n 、a g 、 c e 、g a 、n i 、c i u 、t h ( 以强度为评价指标) ：t h 、g a 、z n 、a g 、c e 、c a 、a i 、 n i 、c u ( 以韧性为评价指标) 。 ( 2 ) 增强韧性而强度变化不大的元素c d 、t i 、l i 。 ( 3 ) 明显增强强度，降低韧性的元素s n 、p b 、b i 、s b 。 下面分别简述一些常用镁合金中主要合金元素的作用。 锆【3 8 制】：固溶体中的锆起到异质核心的作用，能有效地细化晶粒，可以添加 到含锌、稀土、钍或这些元素的合金中充当晶粒细化剂，改善室温力学性能，但 易与f e 、s i 、a i 、m n 、c 、n 、o 、h 等形成稳定的化合物而失去细化效果。 刽4 2 ，4 3 】：增加熔体流动性，弱晶粒细化剂，有形成显微疏松倾向，高含量的 锌有固溶强化和沉淀硬化的作用，但低含量z n 对镁合金的影响鲜有研究。 稀土【删：稀土元素有净化合金液、改善合金的铸造性能、细化和变质组织、 提高力学性能以及提高合金的抗氧化和蠕变性能等作用。 铝【4 5 】：改善合金铸造性能，但有形成显微缩松的倾向，是固溶强化元素，在 低温下( 3 9 3 k ) 会产生沉淀强化，含铝量过高时合金的应用腐蚀倾向加剧，脆 性提高，一般铝含量不高于1 0 ，铝含量为6 时，合金的强度和延展性匹配最 好。在含锆的镁合金加铝后，锆会与铝形成a 1 3 z r 粒子，大大减弱或消除了锆所 带来的细化效果，一般应控制合金中铝的含量，以避免铝带来的毒化互面影响。 8 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 钙1 4 6 1 ：有明显细化晶粒作用，可抑制熔体金属的氧化，可改善抗蠕变性能， 提高薄板的可轧制性。 钾牡s o ：稀土e r 有良好的除f e 效果，适量的稀土e r 还具有阻燃和净化镁 合金液体的作用，能够有效地去除夹杂，低含量的铒可能与m g 、z n 形成化合物， 显著提高合金的力学性能，为开发新型高强高阻尼的镁合金提供新的思路。 杂质元素【5 l 】：镁合金中的杂质元素一般为重金属元素，如f c 、c ! l l 、n i 等， 在腐蚀性环境中，它们形成的沉淀析出成为局部电腐蚀电极，大大影响了合金的 耐蚀性，所以必须严格限制它们的含量。 本论文所研究的镁合金为m g - z r 系合金，同时研究合金中添加少量e r 和z n 元素对m g - z r 合金性能的影响，相应的二元合金状态图如图1 1 。 ( a ) m g - e r ，( b ) m g - z n ，( c ) m g - z a ，( d ) e r - z n 图1 - 1 几种典型二元合金相图【5 2 1 9 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 金属材料的阻尼及其机制 1 4 1 材料的阻尼 振动着的物体，即使与外界完全隔绝，其机械振动也会逐渐衰减下来，这种 由于物体内部的某种物理过程而引起的能量耗散称为内耗( i n t e r n a lf r i c t i o n ) 。 在工程上，人们把这种物体消耗振动能量的能力称为阻尼性能( d a m p i n g c a p a c i t y ) ，在高频振动中称为超声衰减( u l t r a s o n i c a t t e n u a t i o n ) 。材料阻尼性能 是指材料内部在经受振动变形过程中损耗振动能量的能力，是一个与由时间决定 的弹性相关的物理性能。当材料承受一定的振动策动力时，由于存在缺陷和不均 匀结构，材料内部的变化滞后于外部的策动力，应力应变关系出现滞后回线， 从而消耗振动能量。在一定的频率和温度范围内，材料阻尼与材料内部微观或宏 观结构有关，主要包括磁效应( 磁致弹性和磁致化学磁滞) ，热效应( 热弹性现象、 热传导、热扩散和热流动等) 和原子的再构造( 错位、晶格的集中缺陷、声子电子 效应、晶粒边界上的应力衰减、在固溶体中的相变过程、在多晶体材料中的单元 等) 。 1 4 2 材料阻尼性能的表征 测定材料阻尼性能的常用实验方法有：自由振动法、强迫振动法和自由衰减 法等【5 3 铡。常用阻尼度量方式参数：对数衰减率艿、损耗系数t 觚痧、阻尼损耗因 子，7 、比阻尼s d c 或、品质因数的倒数q 1 等来表征材料的阻尼性能。 ( 1 ) 对数衰减率( l o g a r i t h m i cd e c r e m e n t ) 万 对数衰减率是材料阻尼常用度量的另一种表征，它从作自由振动样品的振幅 衰减而求得： 万：三l n ( 生) ( 1 1 ) n 、a j o 其中4 和4 + 。分别是周期振荡中第f 次循环和第i + n 次循环的振幅。 ( 2 ) 损耗系数( l o s sf a c t o r ) t a n 矽 当存在内阻尼时，应力与应变之比可用一复模量f 表示，r 为此复模量的虚 数部分与实数部分之比，即： e + = = ( 鱼) ( c o s s i n 痧) = e + i e e “ ( 1 2 ) s o - + 二 t a n 矽= 等3 ， 其中，e 为损失模量；e 7 为存储模量；矽是应变滞后应力的损失角；t a n 矽 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 称为损耗正切。 ( 3 ) 阻尼损耗因子r ，7 = j l ( 1 4 ) ，7 = 一 1 q 歹 。2 万 式中，d 为简谐振动时的耗能，氏为最大变形能。 ( 4 ) 比阻尼( s p e c i f i cd a m p i n gc a p a c i t y ) s d c 或沙 材料承受循环载荷时，由于应变滞后于应力，在应力应变曲线上形成了一 个滞后圈，低应力下滞后圈的幅度代表了阻尼性能，缈定义为一完整循环中散失 能量( a w ) 与最大储存能量( w ) 之比： c = y = 等 ( 1 5 ) ( 5 )品质因数的倒数( 1 n v e r s eq u a l i t yf a c t o r ) q _ q 一- ：华 ( 1 6 ) ) r 其中，石和厶为受迫振动样品的半功率点；z 为受迫振动样品的共振频率。 ( 6 ) 相互转换 对相对较小的阻尼性能( t a l l 矽 4 0 ，通常用吵来表征材料的内耗性能。此 时存在： y = 1 一e x p ( - 2 9 f ) ( 1 8 ) 1 4 3 金属材料的阻尼机制 根据内耗谱的特征，金属材料内耗大体可分为四大类型【5 6 1 ：动滞后型、静滞 后型、共振型和相变机制型。动滞后型内耗，又称为弛豫型或滞弹性内耗，其特 点是内耗性能与振幅无关，而与频率f 、温度t 有关。静滞后型内耗，其特点是 内耗性能与振幅有关，而与频率、温度无关。共振型内耗与动滞后型内耗相似， 但材料的固有频率随温度的变化较小。相变机制型内耗指材料发生相变时，其内 耗性能明显改善，其特点是内耗性能与振幅无关，而与唧为加热或冷却速率) 成正比。 具体内耗机制主要包括以下几个方面： 1 4 3 1 热弹性内耗 z e n e r 首次分析了热弹性内耗机制。当材料处于不均匀变形时，如采用d m t a 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 仪测试材料的内耗性能试样动态弯曲导致其压缩侧被加热，而拉伸侧被冷却， 这样，当这种应力感生的热梯度引起不可逆的热量穿过试样时出现的应力松弛和 热量耗散。热弹性内耗对内耗性能的贡献可表示为： q = a r 芑 c o r ( i + 缈2 f 2 ) ( 1 9 ) 式中留为热弹性松弛强度，等于e a 2 t c ，。( e 为杨氏模量，a 为热扩散系 数，t 为绝对温度，c ，为等容比热) ，等于2 加厂，f 为松弛时间，等于乞f 2 万2 d ( t 为试样厚度，d 为热导率) 。当缈彳= l ，即f = 缈“2 万) = 1 ( 2 n r ) 时，在q 一曲 线上存在一内耗峰。该峰值对应的频率被称为z o n e r 松弛频率。此式表明，热弹 性内耗与振动频率和试样厚度有关。 1 4 3 2 位错内耗 金属中普遍而重要的内耗源是位错。位错内耗的特征是它强烈依赖于冷加工 状态，因而可和其他的内耗源区别开。位错运动有不同的形式，因而产生内耗的 机制也有多种。不同类型的内耗一般出现在不同的温度、频率或振幅范围，并有 不同特征，因而可以分别加以研究。迄今为止，各种类型的内耗机制虽尚未达到 完全清楚，但有些实验规律己应用于位错和范性性质的研究。其中，钉扎位错 ( p i n n e dd i s l o c a t i o n ) p 勺耗现象研究最多，且最为成熟。 研究表明【5 7 】，冷加工增加内耗，且内耗一应变振幅曲线分成两部分，即低振 幅下的振幅无关内耗6 ：，及高振幅的振幅有关内耗以，总内耗 万= 瓯+ 如 ( 1 1 0 ) 式中万即前面式1 1 所定义的对数衰减率。 由于内耗对冷加工敏感，首先可以肯定这种内耗与位错有关。以部分与振 幅有关而与频率无关，可以认为这是静滞型内耗。一与振幅无关与频率有关， 但温度影响不似弛豫型那样敏感， j s k o e h l e r 首先提出钉扎位错弦的内耗共振 模型，并认为万h 是位错脱钉过程所引起。以后a g r a n a t o 和k l u c k c 给出了更细 致的处理，并得到能定量符合许多实验规律的理论，简称为k g l 理论【5 8 l 。 k g l 理论模型如图1 2 所示，晶体中位错除去被一些不可动的点缺陷( 一般 为位错网络节点或沉淀粒子) 钉扎外还有一些可以脱开的点缺陷( 如杂质原子、空 位等) 钉扎于其间。前者称强钉，后者称弱钉。在外加交变应力不大时，位错段 l c 像弦一样“弓出”作往复运动( 图1 2a ，b ，c ) ，在运动过程中要克服阻尼力， 因而引起内耗。当外加应力增加到脱钉应力时，弱钉被位错抛脱，而发生所谓“雪 崩式”的脱钉过程( 图l 一2d ) ，继续增加应力，位错段l n 继续弓出( 图i - 2e ) ， 应力去除时位错段l n 作弹性收缩( 图1 2e ，d ) ，最后重新被钉扎( 图1 2a ) ，在脱 钉与缩回的过程中位错的运动情况不同，对应的应力一应变曲线( 图1 2 ) 应当包 1 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 含了一个滞后迥线，因而产生内耗，导致阻尼增加。因此，位错型阻尼与应变振 幅关系曲线可以分为两部分，起始与最大应变振幅无关的阻尼q i 1 和之后随最大 应变振幅改变而变化的阻尼q h - 1 。在高应力状态下会形成位错环( 图1 - - 2f g ) 。 h i l i ln r o 1 ? l u a i n 。r _ 。；哩l r t r 们忡 图1 - 2k - g 也位错钉扎阻尼模型 1 4 3 3 晶界内耗 z e a l 4 5 9 1 认为晶界具有粘性，并且在切应力的作用下产生弛豫现象，从而引 起晶界内耗。1 9 4 7 年，葛庭隧1 6 0 1 用自己设计的扭摆内耗仪发现了纯铝的晶界内 耗峰，根据这个内耗峰的峰巅温度随测量频率的变化，测出了与内耗峰相联系的 激活能，从而提出了晶界的滑动机制，第一次从实验上证明了晶界本身具有粘滞 性质，晶界内耗峰的发现以及其机制的阐明，为随后关于晶界结构的研究以及各 种因素对于晶界性质的影响，例如晶界偏析、晶界沉淀和晶界诱导脆性等问题， 开辟了广阔的途径。 葛庭隧【6 l 】描述了细晶粒间的粘滞滑动行为，并推导出标准滞弹性固体的应力 应变方程： f g + g = 仨乇o r + j 置o r ( 1 1 1 ) 式中，j u 为未弛豫顺度，j r 为己弛豫顺度。 晶界内耗对温度十分敏感。随温度的升高，内耗值增大。通常在高温下，晶 界表现出良好的内耗特性，但此时材料的物理、力学性能较差。故晶界高温内耗 峰( o p 葛峰) 通常无法应用。但其低温内耗背景( 1 0 wt e m p e r a t u r ed a m p i n gb a c k g r o u d ) 可以用来改善较低温度下材料的内耗性能。低温内耗背景对内耗性能的贡 献可表示为： q = a f e x p ( - n h k t ) ( 1 1 2 ) 式中a 、n 为与材料显微组织相关的常数，h 为过程的松弛恰。n 为玻尔兹 曼常数。低频率时( f 1 0 h z ) ，对许多常用的金属与合金，n = 0 2 0 5 。 1 3 ，。田 、矗、q一=，叶， t，上 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 3 4 界面内耗 界面内耗通常指由于相界面移动引起应力松弛的结果。s c h o e c k 【6 2 】利用 e s h e l b y 夹杂理论研究了合金中沉淀相与基体界面结构对合金内耗性能的影响， 发现半共格或非共格界面提高合金的内耗。s c h o e c k 将研究结果推广到复合材料， 提出了界面结合较强的颗粒增强金属基复合材料的界面内耗对高温内耗性能的 贡献的表达式： 一 q 一1 = 8 ( 1 - o ) 一1 q 3 ( ) ，2 ( 3 r d l s 2 y ) ( 1 1 3 ) 式中为外切应力，d 为泊松比，矿为试样体积，a ，为椭球形i 的半径，( ) ， 为只。在椭球形i 上可松弛面上的应力分量。 1 4 3 5 孪晶界内耗 孪晶界内耗与材料中孪晶界的移动有关。热弹性马氏体( 如记忆合金) 通常随 温度下降而长大，随温度上升而收缩。由于孪晶界具有易动性。在这些过程中会 出现孪晶界的移动，引起应力松弛和能量消耗。 1 4 3 6 磁畴壁内耗 磁畴壁内耗与材料中磁畴壁的移动有关。在磁场作用下，磁畴壁移动，为磁 滞伸缩效应；若施力n j , b 力，为磁滞伸缩逆效应，从而磁化发生变化。去掉外力后， 磁畴壁不能恢复原状，引起能量消耗。 1 5 高强高阻尼镁合金的研究进展 1 5 1 镁合金的阻尼研究进展 减振降噪己成为工业生产中一个亟待解决的问题，其有效解决方法是制备高 阻尼合金。在目前所研究和应用的高阻尼合金中，镁合金具有高的阻尼性能，且 具有低密度和高比强度，因此近年来越来越受到材料界的青睐。研究的镁合金包 括m g - a 1 、m g z r 、m g l i 和m g - n i 系等合金，研究方法包括合金化、热处理、 热冷加工、复合化和快速凝固等。 金属型阻尼材料按照其减震机理分为复合型( a i z n ，f e c s i 等) 、共晶型或 界面型( m n - c u , t i - n i 等) 、位错型( m g ，m g - z r , m g s i 等) 、铁磁型( f c - n i ，f e c r 等) 4 类。镁合金是位错型阻尼材料，在镁合金组织中有析出物或杂质原子，它 们对位错钉扎作用，在外力作用下位错线作不可逆的往复运动，因此产生静滞后 型内耗。晶体中位错除了一些不可动的点缺陷( 一般位错网节点或沉淀粒子) 钉 扎外，还被一些可以脱开的点缺陷( 如杂质原子、空位等) 钉扎着。镁合金随振 幅大小而改变的那部分内耗( q h - 1 ) 是由基体位错的运动以及它与杂质原子的交 1 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 互作用引起的，镁合金阻尼对振幅的依赖程度跟单个晶粒的结晶方向非常敏感