弹性阻尼体(Mg-3Al-1Zn-Sn镁合金的温度阻尼特性助力汽车减震降噪)

Posted 2023-05-25

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弹性阻尼体(Mg-3Al-1Zn-Sn镁合金的温度阻尼特性助力汽车减震降噪)

导读：通过熔铸法制备了Mg-Al-Zn-Sn合金，采用动态热分析仪(DMA)对Mg-3Al-1Zn-xSn(x=3, 6, 9) (质量分数，%) 合金进行阻尼测试，并对其高温阻尼机制进行了研究。结果表明，合金的高温阻尼机制分为两个主要阶段：弹性阻尼阶段和微塑性阻尼阶段。弹性阻尼阶段的阻尼是晶界阻尼机制和位错阻尼机制共同作用的结果，晶界激活能可用Arrhenius公式描述。微塑性变形阶段的阻尼机制主要是与频率相关的微塑性阻尼机制。

随着现代交通运输工具逐渐变得越来越高速和轻便，用于制造它们的原材料对具有减振和降噪特性的高阻尼材料提出了更高的要求。目前，与其他轻质结构材料相比，具有高比强度和良好抗振性能的镁及镁合金得到研究者的重视。但镁合金的高温强度低，这限制了其作为结构部件的应用范围。研究发现，Mg-Sn合金能形成Mg2Sn(fcc)第二相，其熔点为771.5 ℃，明显高于Mg17Al12(462℃)、MgZn(367℃)相的熔点，因此可作为强化相改善Mg-Al系合金的高温性能。

合金的与应变相关的阻尼性能被认为与晶格缺陷有关，例如位错、晶界、第二相、杂质原子和空位等。其中最重要的是位错阻尼，它受位错强弱钉扎点的分布影响很大，Granato和Lucke（GL）提出的模型很好地解释了阻尼-应变机。但是对于高温下镁合金的阻尼机制的研究报道较少。本课题借助动态热分析仪(DMA)研究Mg-3Al-1Zn -xSn合金阻尼性能和微观组织、温度、频率之间的对应关系。寻找出Mg-Al-Sn-Zn镁合金的阻尼机制随温度的演变规律，旨在改善Mg-Al-Zn-Sn镁合金的高温阻尼性能，为其应用范围的拓展提供参考。

1 试验方法和材料

试验原材料（质量分数，下同）为纯镁锭（99.98%）、纯铝锭（99.98%）、纯锡锭（99.92%）、纯锌锭（99.94%），待电阻熔炼炉升温至500 ℃以后，将烘干水分的纯镁块放入坩埚中，往坩埚中通入体积分数为1%的SF6和99%的CO2混合气体，继续随炉升温至750 ℃，待纯镁锭完全熔化后加入纯Al块、纯Zn块和纯Sn块。调节金属液温度至730 ℃，静置20 min，取预热至300 ℃模具进行浇注。

铸态样品采用4%的硝酸酒精溶液和苦味酸溶液（4.2g苦味酸、10mL蒸馏水、10mL乙酸、70mL酒精）进行腐蚀，然后使用X 射线衍射（XRD）对试样进行物相分析，使用光学显微镜（OM）、电子扫镜（SEM）对试样进行组织分析，拉伸性能测试在INSTRON5982型万能试验机上进行，拉伸试样为板状试样，横截面积为3.5 mm×2 mm，标距为15 mm，测试时夹持端速率为0.2 mm/min。阻尼试样尺寸为10 mm×1 mm×35 mm，阻尼性能测试采用动态热机械分析仪DMA三点弯曲模式测试，记录正弦力和挠度数据，通过应力应变滞后角tan (=Q-1)评估阻尼能力。

2 显微组织分析

图1是Mg-3Al-1Zn-xSn(x=3,6,9，%)合金的XRD图谱。Mg2Sn的数量随着Sn含量的增加析出增加，而析出相在晶粒内和晶界处的数量增多可以提高位错移动的阻力。同时，当Sn增加到9%时，XRD图谱中出现较弱的Mg17Al12衍射峰，表明增加的Sn能降低Al在Mg中的固溶度。

图1 Mg-3Al-1Zn-xSn(x=3,6,9)合金XRD图谱

图2和图3分别为铸态Mg-3Al-1Zn-xSn合金的晶粒尺寸统计及SEM图。由图3可以看出，合金组织基本为等轴晶，第二相的形貌为长条状和颗粒状，主要分布于晶界处，部分颗粒状第二相在晶粒也有分布。从图2可以看出，随着Sn含量由3%增加到9%，合金的晶粒尺寸减小约30%。而第二相数量增加，并逐渐由颗粒状转变为长条状，当Sn含量达到9%时，Sn含量相对较高，粗大的第二相呈半网状断续分布于晶界处。合金中分布着大量的共晶 Mg17Al12 和 Mg2Sn 相，其中，Mg17Al12相依附于 Mg2Sn 相生长，由Mg-Al-Sn-Mn铸造合金的SEM-BSE照片可知，几乎所有的Mg2Sn分布于Mg17Al12相中间或与Mg17Al12相邻分布，所以Mg2Sn可能是Mg17Al12的异质形核点。随着Sn含量增加，Al在Mg中的固溶度明显降低,这与XRD的结果一致。

图2 铸态合金的晶粒尺寸统计图

图3铸态合金的扫描和元素面分布图

3 阻尼试验结果及讨论

高温背景阻尼来源主要是晶粒内部所发生的过程，所谓“高温”背景阻尼在低于晶界阻尼峰出现的温度下就已经出现，在镁合金多晶试样中晶界阻尼峰只是在高温背景阻尼曲线上叠加一个晶界弛豫峰。

采用阻尼-温度谱研究不同的频率对合金随着温度升高而带来的影响，测试频率为1~10 Hz，测试温度范围为室温至300 ℃，升温速率为5 ℃/min，测试应变为4×10-5 um。图4为Mg-3Al-Zn-xSn合金在不同振动频率下的阻尼-温度测试结果。在室温时，振动频率越高，阻尼值越高。并且在整个测温范围内有一个主要的内耗峰P1，出现在100~200 ℃范围内，该内耗峰峰宽很宽，峰高很高，可能是多种阻尼峰的叠加。在高于220 ℃时，Mg-3Al-Zn-xSn合金的阻尼值迅速增加，这表明在低于和高于220 ℃时，不同的阻尼机制主导着合金的阻尼性能

图4 Mg -3Al-Zn-xSn合金的阻尼-温度谱

(a, d)Mg-3Al-1Zn-3Sn;(b, e)Mg-3Al-1Zn-6Sn;(c, f)Mg-3Al-1Zn-9Sn

从图4~图4c净阻尼峰图可知，Mg-3Al-Zn-xSn合金100~200 ℃时的P1阻尼峰与频率有关，峰温随着温度的增加而增加，这表明阻尼峰P1具有热激活弛豫过程的特征。

在Arrhenius图中，x轴对应于，y轴对应于值，可以根据曲线的斜率和截距获得激活能和弛豫时间,见图5。

在多晶材料中，晶界滑动导致出现晶界峰，其激活能接近自扩散激活能。然而，由于溶质原子和析出相在内的晶界状态的不同，激活能可能低于或高于纯镁的自扩散激活能。阻尼峰的特征与溶质原子的数量和晶界周围的析出相有关。有研究认为，Mg-Al-Si合金在150 ℃附近的阻尼峰来源于晶界弛豫，其激活能为115 kJ/mol，这类阻尼峰的峰高通常比较低，扣除背景阻尼后，其阻尼峰高约为0.005左右。本试验中的阻尼峰高约为0.013，远大于0.005。Mg-3Al-Zn-xSn合金晶界周围的溶质原子和第二相（Mg2Sn、Mg17Al12）阻碍了晶界的滑移，使得存在的晶界峰需要更大的激活能，但由于激活能和阻尼峰高相差较大，推测P1峰是晶界阻尼峰和其他阻尼峰的叠加。

表1 不同频率下3种合金的晶界内耗峰温

图5 Mg-3Al-1Zn-xSn（x=3,6,9）合金的晶界阻尼峰的Arrhenius曲线

图6 为Mg-3Al-Zn-6Sn合金3次连续高温阻尼的测量结果。可以看出，随着循环次数增加，阻尼峰P1的宽度变小，峰高变低。由于铸态合金Mg-3Al-1Zn-xSn的晶粒很大，晶界滑移的影响很小，可以认为Mg-3Al-1Zn-xSn合金的阻尼峰主要是晶界阻尼峰和位错阻尼峰共同作用的结果。Mg-3Al-1Zn-Sn合金的阻尼性能随着热循环次数的增加而降低。

图6 Mg-3Al-1Zn-6Sn的3次热循环温度-阻尼图

图7为Mg-3Al-1Zn-xSn (x=3,6,9)合金在1Hz的温度-阻尼谱。由图7可以看出Mg-3Al-1Zn-3Sn合金的阻尼峰宽远远宽于Mg-3Al-1Zn-6Sn和Mg-3Al-1Zn-9Sn。从SEM图可以看出，随着Sn含量增加，合金晶界处的Al固溶度增加，进一步说明这个阻尼峰存在位错与溶质原子的相互作用,Al固溶原子对位错的钉扎,增大了驰豫时间,该阻尼峰峰宽化的主要原因晶界处的杂质原子对晶界起着钉扎的作用。还可以看出，Mg-3Al-Zn-3Sn合金的阻尼值高于Mg -3Al-1Zn-6Sn和Mg -3Al-1Zn-9Sn,首先是合金的平均晶粒尺寸较大(约为140um)，其次是第二相含量低。这两个原因使得可动位错线更长，位错在基面上的杂质原子更少，更容易移动。

图7 Mg -3Al-Zn-xSn合金的温度-阻尼谱

图8是Mg-3Al-1Zn-6Sn合金的在0~200℃ 3次热循环样品dL图。

图8 Mg-3Al-1Zn-6Sn合金的三次热循环样品dL图

本试验中铸态Mg-3Al-1Zn-xSn合金的晶粒较大，晶界滑移对阻尼的影响较小，认为从图8中（2）阶段合金的高温阻尼部分微塑性变形阻尼机制为主导。微塑性变形阻尼机制的原因是新位错在晶界和孪晶或在合金的第二相附近产生。图9为Mg-3Al-1Zn-Sn合金的微塑性变形（ε= 4×10-5）的频率相关阻尼。结果表明，微塑性变形阻尼随着频率的增加而减小。拟合数据可以视为线性关系，这表明阻尼值与ω-1成正比（，是施加的频率）。微塑性变形阻尼的频率依赖性是大量位错粘滞运动的有力证据，这与频率无关的阻尼机制不同。

需要注意的是，尽管微塑性阻尼机制与位错热脱钉有关，但频率无关的阻尼机制和微塑性变形阻尼机制属于不同的范围。但是，如果发生微塑性变形，则位错的结构将不稳定，新的位错源会持续被激活和移动，能量耗散可能会发生，在微塑性变形过程中位错的运动是长距离粘性运动。

图9 微塑性阻尼的频率依赖性

4 结论

（1）Mg-3Al-1Zn-Sn合金阻尼性能与第二相有关，晶界处的第二相数量分布多时，会对位错线产生强钉扎，阻碍位错运动，降低合金的阻尼性能。第二相颗粒的大小也会影响合金的阻尼性能，晶界处粗大的第二相会降低合金的阻尼性能。

（2）Mg-3Al-1Zn-Sn合金温度阻尼性能可以分为两个阶段：第一阶段220 ℃之前，在120 ℃左右测得一个阻尼峰P1，具有晶界弛豫的典型特征，晶界周围存在的溶质原子和第二相会影响阻尼峰存在特征，使得晶界的激活能远远高于纯镁的激活能。阻尼峰P1被认为还与位错和杂质原子或空位之间的相互作用有关。第二阶段中220℃之后，由于温度的升高，镁基体和第二相的热膨胀系数存在差异，会由于热失配而产生残余应力或应变累积，新产生较高的位错密度。高温下Mg-3Al-1Zn-Sn合金会发生微塑性变形，此时的阻尼机制是微塑性阻尼，其特征是振幅的弱依赖性和频率强依赖性，是由新产生的位错运动引起的。

来源：马家轩，韦琪，魏福安，等. Mg-3Al-1Zn-Sn镁合金的温度阻尼特性[J].特种铸造及有色合金，2020,40（12）：1405-1410.