合金化元素对镁合金阻尼性能的影响及机理研究

摘要

镁合金具有密度低、比强度和比模量高、阻尼性能好等优点，而添加合金化元素是改善镁合金阻尼性能和力学性能的主要手段。目前关于镁合金阻尼性能的研究主要集中在开发新的镁合金体系、探索材料制备工艺(铸造、塑性加工)及热处理工艺与材料微观组织特征及阻尼性能之间的相关性，但尚未见有对比研究合金元素特性参量影响镁合金阻尼性能效应及机制方面的文献报道。本文以纯镁为参照，系统研究了加入量相同的四种合金元素X(X=Sn,Al,Ga,Zn)对Mg-1at%X合金阻尼性能及力学性能的影响，揭示了其作用机制。　　本文通过调控合金固溶工艺参数，保证合金晶粒尺寸趋于一致，系统探究固溶原子特性参量对镁合金阻尼性能的影响。通过热压缩模拟实验及高应变速率轧制变形系统研究合金元素对变形镁合金再结晶、力学性能及阻尼性能的影响。并通过预变形工艺及高应变速率轧制相结合，探究预变形对不同体系镁合金力学性能及阻尼性能的影响。　　论文首先研究了四种合金元素对铸态和固溶态Mg-1at%X合金微观组织和阻尼性能的影响。研究表明：四种铸态合金中，Mg-1at%Sn合金具有最好的阻尼性能，Mg-1at%Zn合金具有最差的阻尼性能。经固溶处理后，四种合金元素全部以固溶原子的形式存在于镁基体中，由于四种合金样品的晶粒尺寸以及合金元素原子百分比都相同，固溶态合金的力学性能及阻尼性能主要与固溶原子特性参量有关。在室温下，合金与应变振幅无关的阻尼性能随固溶原子造成的晶格畸变的增大而减小，而合金的屈服强度则相反。合金与应变振幅相关的阻尼性能主要与溶质原子造成的晶格畸变大小、层错能SFE以及固溶原子与Mg原子间的混合焓大小有关，但层错能是主要影响因素，合金的层错能越高，则与应变振幅相关阻尼性能越好。温度上升至100℃左右时，合金与应变振幅无关的阻尼性能随固溶原子造成的晶格畸变的增大而增大，这可能与热激活造成位错摆动的动力增大有关。　　论文研究了合金化元素种类对Mg-1at%X合金热压缩变形行为和高应变速率轧制板材微观组织、再结晶行为、阻尼性能和力学性能的影响。研究结果表明：合金元素种类对高应变速率轧制态板材的再结晶行为、阻尼性能及力学性能的影响非常显著。合金的动态再结晶体积分数及临界应变与合金的层错能以及合金元素与Mg的电负性差及混合焓大小有关，并且层错能是主要影响因素。合金的动态再结晶体积分数随合金层错能的降低呈现先增加后降低的趋势，动态再结晶临界应变则随合金层错能的降低呈现先降低后增加的趋势。其中，轧制态Mg-1at%Ga合金的动态再结晶体积分数最高，达95%；其动态再结晶临界应变最小，仅0.24；断后伸长率最高，达35.2%。Mg-1at%Al合金板材则具有最好的综合力学性能，其屈服强度为210MPa、抗拉强度为247MPa、断后伸长率为19.8%。　　高应变速率轧制态纯镁及四种Mg-1at%X合金板材均具有优异的阻尼性能，且阻尼性能随合金动态再结晶体积分数的增加呈现先降低后增加的趋势。当动态再结晶程度较高时，动态再结晶晶粒尺寸成为影响合金阻尼性能的关键因素。轧制态合金的温度阻尼谱中出现了两个阻尼峰，与晶界滑移相关的P1峰与合金的动态再结晶体积分数和晶界能有关。预变形对不同体系镁合金力学性能的影响效果不一样，对Mg-1at%Ga屈服强度的提升幅度最大，对Mg-1at%Sn合金伸长率的提升幅度最大。预变形降低了高应变速率轧制态镁合金板材的与应变振幅无关阻尼性能，但提高了除Mg-1at%Al合金外的其它合金板材与应变振幅相关的阻尼性能。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 镁合金阻尼机制研究进展

1.2.1 位错型阻尼机制

1.2.2 晶界型阻尼机制

1.2.3 孪晶型阻尼机制

1.2.4 点缺陷型阻尼机制

1.3 镁合金阻尼性能的影响因素

1.3.1 合金元素的影响

1.3.2 晶粒尺寸的影响

1.3.3 晶粒取向的影响

1.3.4 热处理的影响

1.3.5 塑性变形的影响

1.4 二元阻尼镁合金研究现状

1.4.1 Mg-Zr 合金

1.4.2 Mg-Ni 合金

1.4.3 Mg-Si 合金

1.4.4 Mg-Mn 合金

1.4.5 Mg-Sn 合金

1.4.6 Mg-Al 合金

1.4.7 Mg-Ca 合金

1.4.8 Mg-Re 合金

1.5 本文的选题的意义和主要研究内容

第2章 实验过程及研究方法

2.1 合金成分选择

2.2 实验工艺流程

2.3 合金制备

2.3.1 实验原材料及试剂

2.3.2 合金熔炼与浇铸

2.4 固溶处理

2.5 热压缩模拟

2.6 高应变速率轧制

2.7 预变形轧制

2.8 微观组织表征方法

2.8.1 显微组织观察

2.8.2 X 射线衍射(XRD)分析

2.8.3 扫描电子显微镜(SEM)观察

2.9 性能测试

2.9.1 低频阻尼测试

2.9.2 力学性能测试

第3章 合金元素对铸态和固溶态 Mg-1at%X 合金阻尼性能的影响

3.1 引言

3.2 合金元素特性参量对铸态Mg-1at%X合金微观组织和阻尼性能的影响

3.2.1 合金元素对显微组织的影响

3.2.2 合金元素对第二相的影响

3.2.3 合金元素对阻尼性能的影响

3.2.4 铸态 Mg-1at%X 合金阻尼性能的微观机理分析

3.3 合金元素特性参量对固溶态 Mg-1at%X 合金阻尼性能的影响

3.3.1 固溶态合金组织的调控

3.3.2 固溶原子特性参量对合金晶格常数的影响

3.3.3 固溶原子特性参量对合金力学性能的影响

3.3.4 固溶原子特性参量对合金阻尼性能的影响

3.3.5 固溶态 Mg-1at%X 合金阻尼性能的机理分析

3.4 本章小结

第4章 固溶原子特性参量对轧制态镁合金力学性能和阻尼性能的影响

4.1 引言

4.2 合金元素对轧制态合金动态再结晶组织及性能的影响

4.2.1 合金元素对动态再结晶组织的影响

4.2.2 合金元素对动态再结晶临界应变的影响

4.2.3 合金元素对力学性能的影响

4.2.4 合金元素对阻尼性能的影响

4.3 预变形对 Mg-1at%X 合金板材微观组织及性能的影响

4.3.1 预变形对显微组织的影响

4.3.2 预变形对力学性能的影响

4.3.3 预变形对阻尼性能的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录 A(攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录)