文章编号：1004-0609(2009)05-0821-05
加工工艺对ZK60镁合金力学性能和阻尼性能的影响
王敬丰1, 2，高珊1, 2，潘复生1，汤爱涛1, 2，丁培道1
(1. 重庆大学 国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044；
2. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044)
摘 要：采用显微组织观察、拉伸实验和阻尼测试等方法研究了一次挤压、二次挤压及锻造这3种不同塑性加工工艺对ZK60镁合金的显微组织、力学性能及阻尼性能的影响。结果表明：ZK60变形镁合金经3种塑性加工工艺处理后，不同变形态间的抗拉强度、屈服强度及伸长率相差不大，但其阻尼性能却发生显著变化，其中锻造态ZK60镁合金的阻尼性能相对于挤压态的提高2倍多；采用G-L理论分析3种不同变形加工工艺对ZK60镁合金阻尼性能的影响规律。
关键词：镁合金；力学性能；阻尼性能；位错
中图分类号：TG 146 文献标识码：A
Influence of process technology on mechanical and
damping properties of ZK60 magnesium alloys
WANG Jing-feng1, 2, GAO Shan1, 2, PAN Fu-sheng1, TANG Ai-tao1, 2, DING Pei-dao1
(1. National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, Chongqing University, Chongqing 400044, China;
2. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)
Abstract: The microstructure, mechanical properties and damping properties of ZK60 magnesium alloy in the first extrusion, second extrusion and forging states were investigated by optical microscopy, tensile test and dynamic mechanical analyzer. The results show that the three different processes technologies have little influences on the ultimate strength, yield strength and elongation of ZK6 magnesium alloy, but the damping properties of the ZK60 magnesium alloys change obviously after the three different processes technologies. The damping properties of ZK60 magnesium alloy in forging state are twice more than those in extrusion state. The influences of processes technology on the damping properties can be explained by G-L theory.
Key words: ZK60 magnesium alloys; mechanical properties; damping capacity; dislocation
现代工业对轻量化、高速化和大功率化的要求使得振动和噪声的问题变得尤为突出，因此，低密度、高强度、高阻尼的金属结构功能一体化材料成为最紧迫的材料需求之一，而镁合金作为阻尼性能最好的结构功能材料之一，具有质量轻和强度高等优良性能，能够满足这些要求，所以引起了广泛的关注[1-5]。其中纯镁的阻尼性能最好，但纯镁的力学性能低，因而不能直接应用，而在提高其力学性能的同时，阻尼性能会因为位错型阻尼机制[9]而降低，此矛盾至今未能得到很好的解决。目前的研究思路主要是从纯镁或高阻尼镁合金出发，通过添加合金元素[6]和复合强化等[1]
手段来提高其力学性能，但效果并不理想。张修庆等[7]在研究镁基复合材料阻尼性能的现状时发现，虽然将镁合金制成复合材料对其力学性能有所改善，但对镁合金室温阻尼性能的改善并不明显，且存在制备工艺复杂、性能不稳定和韧性偏低等问题。刘广等[8]研究了对Mg-Zr合金进行元素添加后的影响，发现大部分元素对其阻尼性能没有贡献，而少量对其阻尼性能有利的元素会引起力学性能的降低。而且较少有人对高强度镁合金阻尼性能的改善进行过研究。因此，本文作者以目前常用的高强变形镁合金ZK60为研究对象，通过不同加工工艺来改善其阻尼性能，使其阻尼性能和力学性能达到平衡优化，从而开辟ZK60镁合金工业应用的新领域。
1 实验
实验材料为d 258 mm的ZK60镁合金半连续铸锭，其化学成分为Mg-5.6Zn-0.54Zr(质量分数，%)。首先对其进行均匀化退火处理，退火工艺为390 ℃，8 h。接着在2 500 t的日产卧式挤压机上将铸态合金进行一次热挤压，挤压比为11、挤压速度为2~8 m/min、挤压温度为380 ℃。再将其中一部分一次挤压合金在500 t的 国产卧式挤压机上进行二次挤压，挤压比为25，挤压速度为4~6 m/min，挤压温度为380 ℃。最后取一部分一次挤压后的试样在气锤上进行快速锻造变形处理。其锻造变形采用同方向锻造，工艺参数如下：380~400 ℃温度下保温1~2 h后镦粗，镦粗率为30%~40%。
将经过以上3种不同加工工艺得到的试样在新三思CMT-5105微机控制电子万能实验机上进行拉伸实验，拉伸速率为3 mm/min。另外在TA Q800 DMA动态机械热分析仪上进行阻尼性能的测试，实验所用样品采用线切割制备，尺寸为45 mm×5 mm×1 mm，测量其在室温下应变振幅—阻尼变化的曲线，测试频率f = 1 Hz，测试振幅范围为1×10-5~ 5×10-3，测试方式为单悬臂梁。且在实验前取样时，为了避免不同织构对材料性能的影响，实验中金相、拉伸和阻尼试样均取自材料的心部，其中拉伸和阻尼试样均沿纵向截取，而金相取自垂直于变形方向的横截面，使用苦味酸对其进行腐蚀。
2 实验结果
2.1 加工工艺对合金微观组织的影响
图1所示为沿垂直于变形方向试样一次挤压态、二次挤压态和锻造态的横截面金相组织。由图1可以看出，ZK60镁合金经过挤压后，原始晶粒在挤压应力的作用下破碎较严重，同时出现大量的动态再结晶晶粒，动态再结晶晶粒夹杂在变形比较严重的晶粒间。一次挤压后的晶粒较粗大，而二次挤压后动态再结晶晶粒更细小更均匀，但还是存在少量的粗大晶粒，其尺寸为50μm左右。在锻造的过程中，由于只沿一个方向进行锻造，且在此方向上的变形量较大，约为40%，因此，锻造态的晶粒将沿垂直于受力方向进行变形而被拉长。对比锻造后与挤压态的金相组织可知，锻造后晶粒有长大趋势，挤压态的动态再结晶晶粒数目明显减少，这可能是在锻造之前进行一定时间的高温保温，从而导致晶粒长大所造成。
图1 沿垂直于变形方向ZK60镁合金的横截面金相组织
Fig.1 Transversal metallographs vertical to direction of deformation of ZK60 alloys: (a) First extrusion; (b) Second extrusion; (c) Forging
2.2 加工工艺对合金力学性能的影响
经过挤压和锻造的ZK60镁合金在变形过程中，从弹性变形过渡到塑性变形，且没有明显的屈服点，弹性变形过程对应的应变也较小。且材料屈服后，进入均匀塑性变形阶段，随应变的增加，应力基本保持稳定。
挤压和锻造对ZK60镁合金力学性能的影响规律如图2所示。图中标出了其抗拉强度(σb)、屈服强度 (σ0.2)和伸长率(η)的具体数据。由图2可知，一次挤压态、二次挤压态和一次挤压再锻造态的抗拉强度均在330 MPa左右，屈服强度也在250 MPa左右，其屈强比分别为0.74、0.77和0.78。因此，可以认为ZK60变形镁合金经3种塑性加工工艺(一次挤压、二次挤压和锻造)后不同变形态间的力学性能差别并不大。
图2 不同挤压和锻造状态ZK60镁合金的力学性能
Fig.2 Mechanical properties of ZK60 alloys after different process
2.3 加工工艺对阻尼性能的影响
ZK60镁合金经过挤压和锻造后的阻尼—应变曲线如图3所示。从图3可以看出，ZK60镁合金经过挤压和锻造后的阻尼—应变曲线清楚地展示了两个区域：在第一个区域里，应变振幅较小，阻尼参数Q-1与应变振幅几乎无关，呈水平直线，待达到一定的应变振幅后，即应变大于临界值时，Q-1随应变振幅的增大而快速增大。因此，合金的阻尼性能Q-1可以表示为应变无关部分和应变相关部分之和，分别以Q0-1和Qh-1表示，即
图3分别标出3种不同状态下试样的临界值，其中ε0-fir表示一次挤压态的临界点，ε0-sec表示二次挤压态的临界点，ε0-for表示锻造态的临界点。由图3可以看出，在小应变时，试样Q-1主要由Q0-1组成，当应变超过某个临界值后，Q-1主要由Qh-1(ε)构成。合金各种状态的Q0-1都基本一致，而高应变区时，锻造态的Q0-1远远大于其它两种状态的，几乎高出挤压态的两倍多，其次是一次挤压态的，最差的是二次挤压态的阻尼性能。
图3 ZK60镁合金挤压和锻造后的阻尼—应变曲线
Fig.3 Curves of damping capacity (Q-1) vs strain for ZK60 alloys
3 分析与讨论
镁合金在加工过程中力学性能变化的主要原因是由于晶粒尺寸的变化，即晶粒的细晶强化作用。但晶粒越细小，晶界面积将越大，对位错运动的阻碍作用将越强烈，除此之外，晶界自身的移动也变得困难，这些都将对材料的阻尼性能产生一定的负面影 响[9-10]。结合图1可知，二次挤压态的晶粒比其它两种状态的晶粒小很多，因此，晶界的总量越多，对位错运动的阻碍作用也越大，位错即使在很大的应力下也无法脱钉，故阻尼性能最小。
另外，材料阻尼性能的显著差别与晶体中位错组态的变化有着直接联系[11]，具有高阻尼性能的镁合金，采用透射电镜观察发现，其位错密度低，位错线具有长、直且沿某一方向平行排列的特点，它们具有较大的可动性。经过加工变形后，位错密度急剧增加，形成位错网络和位错缠结等，使位错线间相互拘束，可动性大大降低，上述因素使内耗值大大降低[12]。尤其是挤压态合金，晶粒的细化与可动位错数量的减少，使位错运动困难，只有在较大应力下才能开动[13]。本实验中锻造采用的是同方向锻压，应力分布的方向较单一，因此，其试样相比挤压态的位错可能排列得较为整齐，具有较大的可动性而挤压时，受力方向分布复杂，会引起位错线之间相互缠结，可动性可能会大大降低。因此，本实验中，一次挤压和锻造态的晶粒大小虽然相差不大，但是可能由于位错组态的原因，所以阻尼性能相差较多。
以上两点都可以用G-L理论得到很好的解释[14]。根据G-L理论[15]，在小应变振幅下，位错在强钉扎点处被钉扎住，只是在弱钉点之间“弓出”作往复运动，在运动过程中，需克服阻尼力，从而引起较小的内耗，可用如下公式表示为[16]
在高应变振幅下，当外加应力增加到脱钉应力时，位错在弱钉扎点处开脱而发生所谓“雪崩式”的脱钉过程，因而产生了很大的阻尼，用如下公式表示[17]：
该公式还可改写为
可见
与1/ε应成线形关系，截距为lnC1，斜率-C2。图4所示为根据实验数据作出的 与1/ε的曲线，图中的直线关系说明本实验中3种加工工艺下试样的阻尼行为符合G-L理论。
由式(4)可知，合金阻尼性能的大小主要由材料本身的参数C1和C2所决定，即C1越大，C2越小，合金的阻尼性能越好。在本实验中，影响合金阻尼性能的主要有晶粒大小和可动位错密度两个因素，而实验中的晶界为主要的强钉扎点，所以这两个因素在公式中的具体表现分别为LN和ρ，并且都与C1有关。从图4可以看出，虽然3种加工态的斜率(与C2有关)稍有区别，但是相差并不大。本实验中由于截距(与C1有关)对其阻尼性能的影响因素较大，锻造态的截距比其他两种大出很多，所以锻造态的阻尼性能最好。同理，一次挤压态的截距次于锻造态的，所以其阻尼性能也次于锻造态的，二次挤压态的截距最小，故其阻尼性能最差。
图4 挤压和锻造后ZK60镁合金的
—ε -1曲线
Fig.4 Curves of —ε -1 for ZK60 alloys
4 结论
1) ZK60变形镁合金经3种塑形加工工艺后，不同变形态之间的力学性能差别并不大，但阻尼性能呈现出明显的变化。其中经过锻造工艺后合金的阻尼性能是经过挤压工艺后合金阻尼性能的2倍多。
2) 本实验中锻造态合金阻尼性能较高，其原因主要是锻造态与挤压态相比，晶粒较大且可动位错较多，这可以用G-L理论得到很好的解释。
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收稿日期：2008-12-17；修订日期：2009-03-10
通讯作者：王敬丰，副教授，博士；电话：023-65112153；E-mail: jfwang@cqu.edu.cn
(编辑 龙怀中)
