Mater. Sci. Eng. A：退火对预压缩后的镁合金的阻尼能力影响

【引言】

近年来，随着汽车工业和电子工业以及航空航天的迅速发展，对降低结构件自重、提高便携性、降低能耗和减震降噪性等方面都提出了更高的要求。镁合金具有密度小(1.8g/cm3左右)、比强度高、比弹性模量大，散热好、高阻尼等优异性能而得到日益广泛的应用。纯镁的阻尼性能高但强度相对较低，而镁合金强度相对高但阻尼性能低。这是由于溶质原子对位错的钉扎，在提高强度的同时降低了位错迁移能力，从而降低了材料的阻尼性能。因此从位错理论的角度来看，很难得到强度既高阻尼性能又好的镁合金。通过不断的研究和摸索，研究人员发现可以通过预压缩的方式使镁合金获得孪晶以此吸收振动能量，从而在不降低合金强度的同时，提高合金的阻尼性能。另外研究人员还发现，通过对预压缩后的镁合金进行退火处理可以进一步提高合金的阻尼性能，但目前退火处理对不同牌号的镁合金的阻尼性能的影响没有系统的研究。

【成果简介】

近日，中南大学的李云平教授（通讯作者）在Mater. Sci . Eng. A上发表了一篇名为“Damping capacity of pre-compressed magnesium alloys after annealing”的文章。研究人员选择挤压态的AZ31 镁合金(Mg-3.1Al-0.9Zn-0.45Mn，mass%）和AZ91镁合金(Mg-8.9Al-0.89Zn-0.42Mn, mass%)作为实验材料。在预压缩前，对合金进行固溶处理（400℃/2h）然后水淬至室温，此时的样品记为ST样品，然后沿着挤压方向进行预压缩（应变为4%，应变速率为0.001s-1），最后对样品进行退火处理（退火温度为250℃,退火时间为100-5000s）。研究人员通过原位EBSD、HAADF-STEM和EDS对退火前后合金的织构、组织和元素分布进行了相应的表征，同时对不同状态下的合金的阻尼性能进行了测试，阐述了溶质元素浓度和孪晶界迁移对合金的阻尼性能的影响。

【图文导读】

图1：退火前后AZ31合金和AZ91合金的原位EBSD分析

（a）AZ31合金预压缩后的极图和反极图；

（b）AZ91合金预压缩后的极图和反极图；

（c）退火（250℃/5000s）后的AZ31合金的极图和反极图；

（d）退火（250℃/5000s）后的AZ91合金的极图和反极图。

由图中可以看出，退火前后AZ31合金和AZ91合金的织构变化不大。

图2：在共振频率50HZ下，不同状态下的AZ31合金和AZ91合金的内耗值随着应变幅度的变化曲线

（a）不同状态下的AZ31合金的内耗值随着应变幅度的变化曲线；

（b）不同状态下的AZ91合金的内耗值随着应变幅度的变化曲线；

（c）应变幅度为0.1%时，不同状态下的AZ31合金的内耗值；

（d）应变幅度为0.1%时，不同状态下的AZ91合金的内耗值。

图3：退火前后的AZ31合金和AZ91合金的TEM图

（a）退火前AZ31合金的明场像图；

（b）退火（250℃/5000s）后AZ31合金的明场像图；

（c）退火前AZ91合金的明场像图；

（d）退火（250℃/5000s）后AZ91合金的明场像图。

图4：图3（d）中红色方框区域的的HAADF-STEM图和EDS图

（a）对应区域的衍射斑点；

（b）对应区域的HAADF-STEM图；图中TB代表孪晶界；

（c）对应的EDS图；

（d-g）分别代表Mg、Al、Zn和Mn的分布图，可以看出Al和Zn在孪晶界处的偏聚。

图5：图3（d）中红色方框区域内元素的定量分析

（a）横跨孪晶界的A点到B点的元素分布，可以看出在孪晶界处的Al和Zn的强度比在基体中的强度要高近2倍；

（b）孪晶界处和孪晶界附近元素的定量分析，孪晶界处的Al和Zn的wt%要高于在孪晶附近的Al和Zn的wt%。

图6：应变幅度为0.1%，不同状态下AZ31合金的内耗值随着振动频率的变化曲线

由图知在50Hz和80-90Hz处各出现了峰值，分别对应孪晶界的移动和位错的移动。(ST试样：固溶淬火后的样品）

图7：不同合金元素浓度和不同退火时间下镁合金的阻尼性能的变化示意图

TBM为twin boundary mobility的缩写，表示孪晶界迁移能力。

【小结】

通过实验，研究人员发现对于合金元素含量较低的AZ31合金来说，随着退火时间的延长，合金的阻尼性能不断提高，而对合金元素含量较高的AZ91合金来说，随着退火时间的延长，合金的阻尼性能先提高后下降。另外，研究人员发现孪晶界迁移能力和位错迁移能力对合金阻尼性能的影响，取决于位错运动或孪晶运动的施密特因子、振动频率和应变幅度。总之，本文系统分析了合金元素浓度和退火时间对合金阻尼性能的影响，对生产高阻尼的镁合金具有指导意义。

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

本文由材料人编辑部新人组刘冠华编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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