铝基复合材料阻尼性能的研究.doc

ZA-27 铝基复合材料的阻尼及蠕变性能的研究摘 要颗粒颗粒增强铝基复合材料与尺寸为1,2,3，4的钢筋通过混合的方法制成混凝土。样本以经过机械加工后大小为70x10x2 毫米的试样样的铸锭。利用机械动态热分析仪测试了在300500。C金属基的阻尼性能、弹性模量和增强基颗粒的机械性能。金属材料的阻尼性能随着温度的升高，位错密度减小，位错阻尼对材料的整体阻尼贡献下降。在较低温度下的基体相同颗粒相之间更容易发生界面之间的滑移，造成摩擦内耗提高阻尼性能，所以高温情况下复合材料的阻尼机制主要是由界面阻尼机制所提供 。关键词：结构材料，复合材料，铸造，阻尼性能1引言金属基复合材料为设计人员提供了许多便利的条件。因为金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、耐高温、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数小、化学稳定性和尺寸稳定性好等优点。目前，材料设计人员对陶瓷颗粒增强金属基复合材料产生浓厚的兴趣。与传统的低强度合金相比，金属基复合材料在实际应用中表现出提高弹性模量，强度，刚度低的热膨胀系数与摩擦学性能等优点。铝基复合材料在几十年前铜原件供应短缺的时期已经达到成熟阶段。在欧洲和北美洲铝锌合金已经被应用到轴承长达数十年之久，而许多其他零配件依旧是青铜制造。从高性能、高铝锌铸造，是目前常用的三种基本合金之一，并作为先进复合材料将逐步取代部分传统的金属材料而广泛用于低速高负荷的轴承、轴承套的应用。陶瓷增强铝基复合材料具有较大的比强度模量、耐磨强度、抗腐蚀性、 降低摩擦系数。材料的阻尼性能常被定义为材料在振动中由于内部原因引起机械振动能消的现象，这种损耗来源于材料内部的结构特点和结构缺陷，材料的阻尼性可灵敏地反映材料内部的特点。由于金属基复合材料技术的出现，它与非金属的结合 金属和合金的阻尼行为得以修正。陶瓷增强金属/ 中金属基体的延展性和韧性与陶瓷颗粒高强度，高模量相结合，往往保留同一级别的阻尼性能13,14。金属材料的动态模数或硬度能承受的动载荷对于原子间潜在性能、蠕变性能和热膨胀性能的研究至关重要。对金属基复合材料动态性能的测量往往为标准静态测试技术 提供一种更为灵活和精确测量的方法。1.1 一般理论一个应力周期的应力和应变之间的关系作为标准给了以下公式：其中应力和应变，f为振动频率，t为时间 为损耗角，损耗角是由于应力应变滞后造成的。理想的弹性材料的弹性模数为 和。不过，大部分材料都是滞弹性的为 和应力应变比的综合 可以表示为下列关系： 其中 是复模量的实部 ，被称为储能模量或动态模量 ；是复模量的一部分，是虚部，被称为损耗模量。因子代表阻尼容量；是明确的阻尼容量。目前工作报告研究的是铝颗粒增强ZA-27复合材料的加工过程的铸造技术。基于上述观点，进行了关于铝颗粒增强ZA-27 金属基复合材料的在多种温度下阻尼性能的评估，而对没有被增强的铝基复合材料也进行了同一组实验，是增强材料的阻尼性能进一步得到验证。目前的工作，利用动态分析仪（型号983，杜邦，杜邦内穆尔公司，威尔明顿，DE，美国）测量储能模量和动态模量。实验过程2.1实验材料本实验所用基体合金为ZA-27 。按照基体合金的化学成分。美国ASTM B669 - 82锭规格（见表1）铝基基体的密度为1.66的含水的硫酸盐 ，平均颗粒度约 50-90 毫米 。它的化学成分是。表1.ZA - 27合金化学成分 （美国ASTM B669 - 82）铝氧石的质量百分比变化范围为1至4。用于制备复合材料标本的铸造技术，这是类似于夏尔马等人所使用的方法。在这个过程中，基体合金（杂- 27）是第一个高于其熔化温度和搅拌发起均质温度的热处理。在半固态金属中加入增强体，搅拌一定时间后升温至基体合金液相线温度以上，并搅拌一定时间后冷却。在这温度 （440）预热矾颗在这温度被预热的矾粒子进入溶浆之内后被引入熔融浆。活泼的直到粒子和基体界面点阵式之间的充分融合。熔体过热高于其液相线温度为500，基体合金浇铸到模具中的预制块上时，需施加一定压力并保压一段时间以便合金液充分浸渗到预制块中。该标本加工并抛光到大小70X10X2毫米。标本样品表面钻石进行抛光1毫米 四个复合样品在相同条件下进行测试，以验证重复性的数据。 2.2动态力学分析仪测试DMA包括样本臂，夹具，可线性的易变微分变压器, 电的磁性驱动器，和计算机控温接口。式样通过受到弯曲产生正弦应变振幅，同时由此测定弯曲应力。样本在一个封闭的空间夹持在两个终端之间加热和冷却，该电磁驱动程序适用于弯曲应变的标本样品上的应力LVDT的测量结果 。在本研究中，试样在磁盘夹子被移置 250个毫米峰，对应的至最大应变样本在夹子之间被测量的长度是大约 38个毫米。试样的温度变化范围为30至300 ，加热和冷却的循环率均为10 /min，既可以得到损失系数的对应曲线图和储存系数。3. 结果3.1 微观结构显微组织在合金的和复合材料所有性能中扮演重要角色。物理性能由显微组织决定，而在 ZA-27 合金中 , 显微组织的变化是铸造法中加热和冷却速率 的一个重要的标志。关于Zn - Al相图的一项研究表明，当 ZA- 27从熔体冷却到室温，它经过以下几个阶段：(+L)、(+)、最后(+)。ZA-27 合金中引入含量较低的铜377时通过三元共晶反应： 将产一种铜锌金属间化合物（）。在较低温度268时将由反应：产生 三项合金 。ZA-27合金基体组成中富Al时，产物为面心立方，枝晶间富锌的相为密排六方，（）和。 光蚀刻组成如图。 a)是富铝（一）阶段，而灰色的结构围绕着它是一种富锌（ ）和富铝相。黑暗区是富锌（ ）阶段。微观结构如（图1b）所示，矾增强铝基复合材料矾微粒溶解度无论是在富铝，或是富锌阶段。晶粒尺寸ZA-2 和合金的大。结果，在混合物的富矾区，矾被大量消耗，当含矾达到4%时，矾偏析很显著。当在高放大倍率进行了分析，（图1C）的结构表明相对较冷的金属颗粒是金属冷却并形成临界晶核和。树枝状生长的结构，由于树枝晶间的限制所造成的溶质粒子富集。因此，从晶粒内部向外液体逐渐冷却后剩下的粒子和液体凝固共晶。但是，没有发现粒子与基体之间的间隙，粒子被认为是与基体结合良好。3.2 阻尼效果一般来说，通常用于测量阻尼系数的指标包括正切损耗角，损耗因子，逆质因子，阻尼电容，对于一个阻尼性能较小材料来说有如下公式： 大多数动态的技术有动态系数和阻尼性能有同时测量的能力。动态系数的实验数据，损失系数，基体合金和复合材料的阻尼性能对照情况由表2给出。 图1.微观组织（a）ZA-27基体合金；（b）ZA- 27为 4铝金属基复合材料低分辨率显微图；以及（c）ZA-27为4铝金属基复合材料高分辨率显微图。矾含量为1、2、3、4%增强铝基复合材料的动态模量和损耗模量在30-300时的显示图。阻尼性能随温度的升高而升高，储能系数随温度的升高而降低长阻尼系数何储能模量随重量的增加产生显著变化。4讨论各种机制可能有助于合金和复合的全部阻尼行为的因素。金属合金及复合材料的阻尼行为21。据报道，具有高阻尼锌铝合金淬火时。从上面的共晶温度在+两相的范围22。这证明高阻尼能力适合工作的原因。铝颗粒对全部的 MMC 阻尼性能在陶瓷的微粒子之间由于热应变失调可能在阵 。铝微粒对于金属基复合材料的影响与陶瓷基体和ZA-27在组建过程中产生的热应变配合不当而引起的基体之间的位错度有关。对于AZ61合金及其为基体的复合材料，在室温下的阻尼-应变振幅可以采用G-L理论来解释这是因为在室温下，材料的其它缺陷在测量应变范围内开动的可能性很小，当应变振幅较小时，试样的阻尼(Q以)很小，当应变振幅小于10-4时，几乎不随应变的增加而变化；在应变振幅大于10-4时，开始随应变振幅的增大而快速增加。因此，根据GL位错钉扎理论，可以表示成应变无关部分和应变的下列关系：其中C1和C2为材料常数，是应变，位错阻尼的预测随着温度的升高而下降，因为其浓度下降25。在本研究中，ZA-27合金热膨胀系数为26m/m而矾为7.4m/m。正因为热膨胀系数在数值上的差异如此大，较高的阻尼性能的铝增强ZA- 27合金与基体合金相比，在室温下，可能是由于热失配产生位错。基体与增强体之间的界面对复合材料的阻尼性能发挥重要作用。位错的存在因热膨胀系数的影响，界面和反应物的存在一样也具有粘接强度，温度升高时，界面效应可能会变得更加重要，因为基体合金变软相对于陶瓷微粒和界面的可逆的运动是有可能发生。由Schoeck提供一种关于基体沉淀物界面阻尼性能。假定一个黏着性的交界在高温的界面存在，对阻尼性能的贡献率近似于 其中为松泊常数，比例=0.33，Vf 为铝颗粒的体积分数，Q-1=0.0157。此观测值在高温下与实际阻尼增加相一致。热弹性阻尼效应是由齐纳提出的关于能源是基于事实的消退27在物质流所造成的不可逆热应力致热升降率。任何时候一种材料的应力在一个可逆的绝热过程（不断熵），有总是在温度变化，这可能是非常小的。这种现象是众所周知的热弹性效应。热力学第二定律中熵是热从高温区到低温区传到产生熵，并作为第二定律结果热力学熵作为一种有用机械能转换成热能。由热弹性对阻尼的效应给出以下公式： Eu柔弹性模数，热膨胀系数，T0为绝对温度，C是比热/单位体积，角 速度， 为弛豫时间，夹层厚度，Kth为热导率。在目前的研究中，在各种情况下测量自然振动频率振动下的标本以便使=1。在某些温度下的热弹性效应见表3。5结论除了发现铝增强ZA-27复合材料有较高的阻尼性能外，还有较高的动态系数。与提高阻尼性系数相比提高动态系数是十分显著的。所有样品阻尼对温度依赖性研究显示，温度升高阻尼系数增大，动态系数减小。用理论方程可以对几组阻尼机制进行分析。位错是由于强ZA-27基体合金在较低温度下提供的固有阻尼系数不匹配所致。在高温下由于界面软化产生的界面效应更重要。一般看来，而所有这些机制只有超过一定温度范围内，热弹性阻尼效应变得越显著。参考文献1 S.C. Sharma, B.M. Girish, R. Kamath, B.M. Satish, Fractography, uidity, and tensile properties of aluminumhematite particle composite, J. Mat. Eng. Perf. 8 (3) (1999) 309314.2 S.C. Sharma, K.H.W. Seah, B.M. Satish, B.M. Girish, Effect of short glass bers on the mechanical properties of cast ZA-27 alloy composites, Mat. Des. 17 (5/6) (1996) 245250.3 S.C. Sharma, Effect of albite particles on the coefccient of thermal expansion behavior of the Al6061 alloy composites, Metal. Mater. Trans. A 31 (2000) 773780.4 S.C. Tjong, Z.Y. Ma, The high-temperature creep behaviour of aluminiummatrix composite reinforced with SiC, Al O and TiB 23 2 particles, Comp. Sci. Tech. 57 (1997) 697702.5 H. Akbulut, M. Durman, F. Yilmaz, Higher temperature Youngs modulus of aluminium short bre reinforced Al-Si MMCs produced by liquid inltration, Mat. Sci. Tech. 14 (1998) 299305.6 K.J. Altorfer, Zinc alloys compete with bronze in bearing and bushings, Metal Progr. (1982) 2931, November.7 R.J. Barnhurst, Guideline for designing zinc alloy bearings atechnical manual SAE Trans, J. Mater. 97 (1988) 164170.8 S.C. Sharma, B.M. Girish, B.M. Satish, R. Kamath, Mechanical properties of As-cast and heat-treated ZA-27 alloyshort glass ber composites, J. Mat. Eng. Perf. 7 (1) (1998) 9399.9 S.C. Sharma, B.M. Satish, B.M. Girish, R. Kamath, H. Asanuma, Dry sliding wear of short glass ber reinforced zincaluminium composites, Tribology Int. 31 (4) (1998) 183188.10 K.H.W. Seah, S.C.Sharma, B.M. Girish, Corrosion characteristics of ZA-27graphite particulate composites, Corrosion Sci. 39 (1) (1997) 17. 11 S.C. Sharma, B.M. Girish, R. Kamath, B.M. Satish, Graphite particulate reinforced ZA-27 alloy composite materials for journal bearing applications, Wear 219 (1998) 162168.12 J.E. Bishop, V.K. Kinra, Analysis of elastothermodynamic damping in particle-reinforced metalmatrix composites, Metall. Trans. 26A (1995) 27732782.13 G.J.C. Carpenter, S.H.J. Lo, Characterization of graphitealuminium composites using analytical electron microscopy, J. Mater. Sci. 27 (1992) 18271841.14 I.A. Ibrahim, F.A. Mohamed, E.J. Lavernia, Particulate reinforced metal matrix composites a review, J. Mater. Sci. 26 (1991) 137.15 A. Wolfenden, J.M. Wolla, Metal Matrix Composites Mechanisms and Properties, in: R.K. Everett, R.J. Arsenault (Eds.), Academicpress, Boston, MA, 1991, pp. 287328.16 S.C. Sharma, B.M. Girish, D.R. Somashekar, R. Kamath, B.M. Satish, Mechanical properties and fractography of zircon-particle- reinforced ZA-27 alloy composites materials, J. Mater. Eng. Per- formance 8 (3) (1999) 309314.17 M. Durman, S. Murphy, An electron metallographic study of pressure die-cast commercial zinc-aluminium-based alloy ZA27, J. Mater. Sci. 32 (1997) 1160311611.18 W. Hongmin, L. Meihua, C. Yungui, W. Yigui, The timetemperature-transition (TTT) of ZA27 alloy, J. Mater. Sci. Lett. 15 (1996) 1008.19 Y. Li, T.L. Nagi, W. Xia, W. Zhang, Effects of Mn content on the tribological behaviors of Zn-27% Al-2% Cu alloy,Wear 198 (1996) 126.20 R.J. Perez, J. Zhang, M.N. Gungor, E.J. Lavernia, Damping behaviour of 6061 AlGr metal matrix composites, Metall. Trans.24A (1993) 701711.21 E.J. Lavernia, J. Zhang, R.J. Perez, in: Damping Behaviour and Mechanism in Particulate Reinforced Metal Matrix Composites Processed Using Spray Atomization and Deposition, Key Engineering Materials,Vols. 104107, Trans T