Mater. Sci. Eng. A：退火對預壓縮后的鎂合金的阻尼能力影響

【引言】

近年來，隨著汽車工業和電子工業以及航空航天的迅速發展，對降低結構件自重、提高便攜性、降低能耗和減震降噪性等方面都提出了更高的要求。鎂合金具有密度小(1.8g/cm3左右)、比強度高、比彈性模量大，散熱好、高阻尼等優異性能而得到日益廣泛的應用。純鎂的阻尼性能高但強度相對較低，而鎂合金強度相對高但阻尼性能低。這是由于溶質原子對位錯的釘扎，在提高強度的同時降低了位錯遷移能力，從而降低了材料的阻尼性能。因此從位錯理論的角度來看，很難得到強度既高阻尼性能又好的鎂合金。通過不斷的研究和摸索，研究人員發現可以通過預壓縮的方式使鎂合金獲得孿晶以此吸收振動能量，從而在不降低合金強度的同時，提高合金的阻尼性能。另外研究人員還發現，通過對預壓縮后的鎂合金進行退火處理可以進一步提高合金的阻尼性能，但目前退火處理對不同牌號的鎂合金的阻尼性能的影響沒有系統的研究。

【成果簡介】

近日，中南大學的李云平教授（通訊作者）在Mater. Sci . Eng. A上發表了一篇名為“Damping capacity of pre-compressed magnesium alloys after annealing”的文章。研究人員選擇擠壓態的AZ31 鎂合金(Mg-3.1Al-0.9Zn-0.45Mn，mass%）和AZ91鎂合金(Mg-8.9Al-0.89Zn-0.42Mn, mass%)作為實驗材料。在預壓縮前，對合金進行固溶處理（400℃/2h）然后水淬至室溫，此時的樣品記為ST樣品，然后沿著擠壓方向進行預壓縮（應變為4%，應變速率為0.001s-1），最后對樣品進行退火處理（退火溫度為250℃,退火時間為100-5000s）。研究人員通過原位EBSD、HAADF-STEM和EDS對退火前后合金的織構、組織和元素分布進行了相應的表征，同時對不同狀態下的合金的阻尼性能進行了測試，闡述了溶質元素濃度和孿晶界遷移對合金的阻尼性能的影響。

【圖文導讀】

圖1：退火前后AZ31合金和AZ91合金的原位EBSD分析

（a）AZ31合金預壓縮后的極圖和反極圖；

（b）AZ91合金預壓縮后的極圖和反極圖；

（c）退火（250℃/5000s）后的AZ31合金的極圖和反極圖；

（d）退火（250℃/5000s）后的AZ91合金的極圖和反極圖。

由圖中可以看出，退火前后AZ31合金和AZ91合金的織構變化不大。

圖2：在共振頻率50HZ下，不同狀態下的AZ31合金和AZ91合金的內耗值隨著應變幅度的變化曲線

（a）不同狀態下的AZ31合金的內耗值隨著應變幅度的變化曲線；

（b）不同狀態下的AZ91合金的內耗值隨著應變幅度的變化曲線；

（c）應變幅度為0.1%時，不同狀態下的AZ31合金的內耗值；

（d）應變幅度為0.1%時，不同狀態下的AZ91合金的內耗值。

圖3：退火前后的AZ31合金和AZ91合金的TEM圖

（a）退火前AZ31合金的明場像圖；

（b）退火（250℃/5000s）后AZ31合金的明場像圖；

（c）退火前AZ91合金的明場像圖；

（d）退火（250℃/5000s）后AZ91合金的明場像圖。

圖4：圖3（d）中紅色方框區域的的HAADF-STEM圖和EDS圖

（a）對應區域的衍射斑點；

（b）對應區域的HAADF-STEM圖；圖中TB代表孿晶界；

（c）對應的EDS圖；

（d-g）分別代表Mg、Al、Zn和Mn的分布圖，可以看出Al和Zn在孿晶界處的偏聚。

圖5：圖3（d）中紅色方框區域內元素的定量分析

（a）橫跨孿晶界的A點到B點的元素分布，可以看出在孿晶界處的Al和Zn的強度比在基體中的強度要高近2倍；

（b）孿晶界處和孿晶界附近元素的定量分析，孿晶界處的Al和Zn的wt%要高于在孿晶附近的Al和Zn的wt%。

圖6：應變幅度為0.1%，不同狀態下AZ31合金的內耗值隨著振動頻率的變化曲線

由圖知在50Hz和80-90Hz處各出現了峰值，分別對應孿晶界的移動和位錯的移動。(ST試樣：固溶淬火后的樣品）

圖7：不同合金元素濃度和不同退火時間下鎂合金的阻尼性能的變化示意圖

TBM為twin boundary mobility的縮寫，表示孿晶界遷移能力。

【小結】

通過實驗，研究人員發現對于合金元素含量較低的AZ31合金來說，隨著退火時間的延長，合金的阻尼性能不斷提高，而對合金元素含量較高的AZ91合金來說，隨著退火時間的延長，合金的阻尼性能先提高后下降。另外，研究人員發現孿晶界遷移能力和位錯遷移能力對合金阻尼性能的影響，取決于位錯運動或孿晶運動的施密特因子、振動頻率和應變幅度。總之，本文系統分析了合金元素濃度和退火時間對合金阻尼性能的影響，對生產高阻尼的鎂合金具有指導意義。

文獻鏈接：Damping capacity of pre-compressed magnesium alloys after annealing（Mater. Sci & Eng. A，September 20, 2017, ?DOI: 10.1016/j.msea.2017.09.096）

本文由材料人編輯部新人組劉冠華編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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