文章编号：1004-0609(2008)09-1602-05
铸造Mg-Zr-Er-Zn合金的力学性能和阻尼行为
刘楚明1, 2，邱从章1，常亚喆3，李慧中1，王孟君1, 4，王 荣2
(1. 中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083；
2. 中国兵器科学研究院 宁波分院，宁波 315103；
3. 中国空空导弹研究院，洛阳 471009；
4. 华中科技大学 模具技术国家重点实验室，武汉 430074)
摘 要：通过电子显微镜、阻尼性能和力学性能测试等研究Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn合金力学性能和阻尼行为。结果表明：加入0.6%Er+1%Zn后，在晶界附近存在含Er和Zn的质点减缓了枝晶生长，起到细化Mg-0.6Zr合金组织的作用，使得其晶粒尺寸减小至60 μm左右，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到198.8 MPa、83.0 MPa和24.5%，较Mg-0.6Zr合金均有不同程度的提高，且比阻尼为48.1%，仍具有较高的阻尼性能。
关键词：Mg-Zr-Er-Zn合金；晶粒细化；阻尼行为；力学性能
中图分类号：TG 146.2 文献标识码：A
Mechanical properties and damping capacity of
cast Mg-Zr-Er-Zn alloy
LIU Chu-ming1, 2, QIU Cong-zhang1, CHANG Ya-zhe3, LI Hui-zhong1, WANG Meng-jun1, 4, WANG Rong2
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Ningbo Branch, Ordnance Science Institute of China, Ningbo 315103, China;
3. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China;
4. State Key Laboratory of Material Processing and Die and Mould Technology,
Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract: The mechanical properties and dumping capacities of Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn alloys were investigated by SEM, damping capacity test and mechanical property test. The results show that adding 0.6%Er and 1%Zn in the Mg-0.6Zr, the compounds of Mg-Er, Mg-Zn and Mg-Er-Zn restrain the crystal brain growing up, and the grains are observably refined to about 60 μm. σb, σ0.2 and elongation of Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn alloy increase to 198.8 MPa, 83.0 MPa and 24.5%, respectively. The mechanical properties of Mg-0.6Zr alloys can be significantly improved by Er and Zn microalloying, and the alloy still maintains a rather high damping capacity with specific damping capacity of 48.1%.
Key words: Mg-Zr-Er-Zn alloy; grain refinement; damping capacity; mechanical properties
Mg-Zr系阻尼合金是目前应用最多、最广泛的高阻尼镁合金材料。美、日、俄等国诸多学者在镁合金阻尼特性领域已经做了系统性地研究[1?4]，且开发出了高阻尼镁合金材料，如美国的KI-XA和KI-A以及前苏联的МЦЧ等镁合金，以良好的阻尼性能、铸造性能、力学性能和物理性能等优势，成功地用于军事和国防工业等尖端领域以及汽车、仪表等民用行业。我国阻尼镁合金材料的研发远远滞后于欧美等发达国家。近年来，有不少学者开始着手阻尼镁合金的研究，通过对Mg-0.6Zr及其加入Sr、Ni、Cu、Mn、La、Cd、Ca、Ba和Y等第三、四组元的Mg-Zr系合金进行阻尼和力学性能的研究，已成功地研制出抗拉强度σb、伸长率δ、相对阻尼特性(SDC)分别达到约180 MPa、20%和40%的阻尼镁合金，与国际同等镁合金的性能相当，但其综合性能仍处于较低的水平[4?6]。
Zn在α-Mg中的最大固溶度为6.2%，少量的锌起固溶强化的作用，还有助于在合金表面形成钝化膜，并减弱铁和镍等杂质对其的不利影响[7?8]。高含Zn量的镁合金如ZK60系列的合金已有较深的理论支持和广泛应用，但微量Zn对Mg-Zr系合金的组织和性能的影响鲜有报道[9?10]。Zr质点作为异质核心，可有效地细化晶粒，改善其性能。另外，Zr与合金中的杂质如铁、硅和镍等均能形成高熔点的金属化合物，并从镁中沉淀出来，从而使合金纯度得以提高，减弱了这些杂质对合金耐蚀性的有害作用[11?12]。稀土Er具有良好的除Fe效果，适量的稀土Er 还具有阻燃和净化镁合金液体的作用，能够有效地去除夹杂[13?14]，显著地提高合金的力学性能，为开发新型高强高阻尼的镁合金提供新的思路。
对Mg-0.6Zr合金进行合金化处理，有望在不降低或略降低其阻尼性能的前提下得到更佳的力学性能。以Mg-0.6Zr为母合金，通过添加微量Er和Zn，研究其对合金的组织、力学性能和阻尼行为的影响规律，为进一步研制出高强度高阻尼的镁合金材料提供了有益参考。
1 实验
实验用材料为99.96%Mg、99.92%Zn、镁锆中间合金(30.11%Zr)和镁铒中间合金(22.32%Er)，设计合金：Mg-0.6Zr，Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn(以上均为质量分数，%)。合金熔炼采用电阻坩锅炉进行，镁锆合金化学性质异常活泼，熔炼采用CO2+SF6气体保护，镁锭在680 ℃熔化之后，升温至720 ℃，加入Mg-Er和Mg-Zr中间合金及Zn，在740 ℃搅拌10 min，于 700 ℃静置20 min后浇入铸模。铸模选用金属铁模，铸棒尺寸为d 18 mm×150 mm，经400 ℃，18 h均匀化和130 ℃，24 h时效处理后。将铸棒加工成棒状拉伸试样，在CSS 万能电子实验机上进行力学性能测试，拉伸速率为2 mm/min。在Sirion 200 型扫描电镜进行断口扫描和能谱分析。试样用4%硝酸酒精溶液浸蚀，在POLYVAR MET型金相显微镜下观察合金铸态显微组织。采用DPMax 2500型X射线衍射仪器对试样进行物相分析。在室温及2×10?2应变振幅条件下用多功能内耗仪测定材料的阻尼性能。
2 结果及分析
2.1 显微组织与分析
铸造合金实测成分如表1所列。图1所示为加入Zn和Er前后Mg-0.6Zr镁合金的显微组织。由图1可看出，加入Zn和Er后，Mg-0.6Zr合金的晶粒得到明显细化，其中Mg-0.6Zr合金原始晶粒尺寸约为 300 μm；加入0.6%Er+1%Zn后，合金的晶粒尺寸约为60 μm。由此可见，一定量的Zn和Er(0.6Er+1Zn)可以达到良好的晶粒细化效果，起到细晶强化的作用。
表1 实验合金的实测成分
Table 1 Measured composition of tested alloys
图1 实验合金的显微组织
Fig.1 Microstructures of tested alloys: (a) Mg-0.6Zr; (b) Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn
图2所示为实验合金的X射线衍射谱。由X射线衍射分析谱可看出，合金铸态组织的相组成主要为单相α-Mg固溶体，由于合金中Zr、Er和Zn的含量较低，没有观察到其它第二相的衍射峰。
图2 实验合金的X射线衍射谱
Fig.2 XRD patterns of tested alloys: (a) Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn; (b) Mg-0.6Zr
2.2 合金的性能与断口扫描
Er和Zn元素对Mg-0.6Zr合金常温力学性能和阻尼性能的测试结果如表2所列。由表2可看出，加入Er和Zn后，Mg-0.6Zr合金的综合力学性能明显提高；当添加0.6%Er+1%Zn时，合金的抗拉强度和屈服强度分别提高至198.8 MPa和83.0 MPa，伸长率达到24.5%。Mg-0.6Zr合金的比阻尼为64.2%，加入Er和Zn后，其阻尼性能下降为48.1%，但仍属于高阻尼范畴。
表2 实验合金的力学性能和比阻尼性能
Table 2 Tensile properties of tested alloys
图3所示为合金拉伸断口的SEM像。由图3可看出，Mg具有密排六方结构，滑移系少，塞积位错在其端部造成很大的应力集中而使裂纹成核；合金的断口为较大的解理小刻面和由解理台阶形成的大量河流花样，撕裂棱是连接解理刻面和形成解理河流的主要方式，属于明显的解理断裂。图3(b)中具有明显的滑移台阶，同时还可以看到少量的因塑性变形而产生的较深的小刻面，台阶短而窄，由于该合金晶粒比较小，塑性有很大改善。
图3 实验合金的拉伸断口形貌
Fig.3 SEM images of fracture surface of tested alloys: (a) Mg-0.6Zr; (b) Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn
3 讨论
3.1 强化机制的讨论
表3所列为合金元素在镁中的相关参数[15]。由表3可以看出，Mg、Zr、Er和Zn均为hcp结构，Er的负电性小，熔炼时易与熔液中的O和Fe等形成化合物，起到净化熔液的作用。Er和Mg的原子半径比为1.4?1.0，Zn和Mg的原子半径比为0.9?1.0。由于其原子半径和弹性模量的差异，Er和Zn原子可固溶于基体Mg中产生点阵畸变，使基体得到强化。
表3 合金元素在镁中的相关参数[15]
Table 3 Parameters of Mg, Er, Zn and Zr elements
Zr作为异质形核晶核，能有效地细化镁合金的铸造组织，加入0.6%Er+1%Zn后，合金的晶界处存在大量的尺寸约为0.1 μm、不连续分布的Mg-Er、Mg-Zn和Mg-Er-Zn化合物(见图4和5以及表4)。分析认为，当合金凝固时，这些颗粒中部分含Er和Zn，且存在细小和不连续分布的质点游离在固液相面附近，阻碍液相原子向枝晶处移动，减缓枝晶的生长，能有效地细化铸态的组织。在外力作用下，这些颗粒还可与位错交互作用提高强度[16]。
图4 Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn合金中的第二相
Fig.4 Second phase in Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn alloy
图5 Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn合金EDX分析
Fig.5 EDX analysis of Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn alloy
表4 图5中不同点EDX分析结果
Table 4 EDX analysis results of points in Fig.5
由Hall-Petch关系式[17]：
可知，在一定条件下，晶粒尺寸减小，合金的屈服强度提高，其相应的抗拉强度也明显提高。晶粒细化在提高合金强度的同时也提高了合金的塑性，由于晶粒越细，一定体积内的晶粒数目越多，在同样变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，晶粒内部和晶界附近的应变度相差较小，变形较均匀，相对来说引起应力集中减小，使材料在断裂之前能承受较大的变形量，因此可以得到较大的延伸率。
3.2 阻尼行为探讨
由表2可看出，Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn合金的阻尼性能明显低于Mg-0.6Zr合金的。根据G-L位错阻尼理论[18](见图6)，Mg-0.6Zr合金中位错线上的弱钉扎点较少，可动位错密度和钉扎长度LC都较大，因此位错可以在滑移面上扫过较大的面积，消耗掉大量的振动能量，从而呈现较大的位错运动阻尼性能。而在Mg-Zr-Er-Zn合金中，由于加入Er和Zn，部分原子固溶于基体中，使单位长度位错线上的钉扎点数量增加，即LC变小，位错只能在相对更大的应变振幅下才能产生脱钉运动，在滑移面上运动的面积也较小，消耗的能量相应也较少，阻尼值减小。此外，由于加入合金元素使合金晶粒进一步细化，增加了晶界的数量，减小了LN，因此其阻尼性能相应减弱。在金属中，晶界是位错运动的有效障碍，晶界附近细小、不连续分布的质点钉轧位错以及晶界处的位错密度远大于晶内的。在大应变振幅下，位错弓出开动，位错可以挣脱弱钉扎点并限制在强钉扎点上。同时，在滑移面上扫过一个更大的面积，被钉扎的位错发生雪崩好像脱钉一样，消耗掉大量的振动能量，可以使Mg-Zr-Er-Zn合金仍保持高阻尼的状态。
图6 有关阻尼的G-L位错模型示意图
Fig.6 Schematic diagram of G-L vibrating string dislocation model
4 结论
1) 微量的Er和Zn可固溶于Mg基体中形成固溶体，引起晶格畸变，起到固溶强化的作用。
2) Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn合金晶界处存在较多的Mg-Er和Mg-Er-Zn高熔点质点，粒径约为0.1 μm，成不连续分布状，减缓枝晶生长，起到细化铸态组织的作用，合金晶粒尺寸减至约60 μm。
3) 加入0.6%Er+1%Zn后，Mg-0.6Zr-0.6Er-1Zn合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到198.8 MPa、83.0 MPa和24.5%，较Mg-0.6Zr均有不同程度的提高，而阻尼性能达到48.1%，仍属于高阻尼范畴。
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基金项目：国防重大基础研究资助项目
收稿日期：2007-12-09；修订日期：2008-04-23
通讯作者：刘楚明，教授，博士；电话：0731-8830257；E-mail: CMLiu@mail.csu.edu.cn
(编辑 李艳红)
