DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s1.016

镧对Zn-22%Al减振合金组织和力学性能的影响

庞绍平 黄元峰 石云宝 张持重 刘源

  北华大学机械工程学院  

  北华大学机械工程学院 吉林132021  

摘 要：

通过测试抗拉强度的自然时效、人工时效曲线 , 采用光学显微镜、透射电镜及扫描电镜的观察 , 研究了微量La对Zn 2 2 %Al减振合金显微组织和力学性能的影响。结果表明 :La具有细化Zn 2 2 %Al合金的组织并阻碍时效时晶粒长大和等轴程度降低的作用 ;在低于温轧温度 (80℃ ) 下时效时 , 加La和不加La的Zn 2 2 %Al合金的室温力学性能保持不变 ;La可提高Zn 2 2 %Al合金的强度以及时效时力学性能的稳定性。

关键词：

La;Zn22%Al合金;时效;显微组织;力学性能;

中图分类号： TG135

收稿日期：2000-09-22

Effects of La on microstructures and mechanical properties of Zn-22%Al vibration damping alloy

Abstract：

The effects of La on microstructures and mechanical properties of Zn 22%Al vibration alloy have been studied by measuring the curves of tensile strength versus natural ageing and artificial ageing time and by means of OM, TEM and SEM. The results show that La can refine the microstructure of Zn 22%Al alloy, slow down the grain growth and reduce the equiaxial degree during ageing, that the strength of Zn 22%Al (La) alloys and Zn 22%Al alloy remains constant after ageing below the warm rolling temperature, and that La can improve the strength and the stability of mechanical properties of Zn 22%Al alloy.

Keyword：

La; Zn 22%Al alloy; ageing; microstructures; mechanical properties;

Received： 2000-09-22

减振合金具有减振降噪的特性, 此类合金可通过材料内部的各种阻尼机制吸收外界振动能, 并将其转化成热能而耗散, 应用于生产机电产品的零部件能达到减振降噪的功效, 是一种新颖的功能性结构材料。由于减振合金能直接从振源或噪声源的结构材料本身解决减振或降噪问题, 相比传统的采用改进结构设计、提高零件加工及装配精度、附加减振器和消声器的方法, 具有工艺简便、适用范围广、成本低、技术先进、效果好等优点。目前, 国内外已在军用和民用机电产品方面有针对性地研制出多种减振合金 ^[1,2,3] 。

在已开发的减振合金中, Zn-22%Al合金具有减振能力强、工艺性能优良、材料成本低、非磁性等特点, 应用比较广泛。但一些研究发现 ^[4] , 淬火后冷轧的Zn-22%Al合金在自然时效过程中, 减振性能逐渐降低, 抗拉强度逐渐升高。作者在研究Zr对其组织和力学性能的影响 ^[5] 及La对其减振性能影响 ^[6] 的基础上, 进一步考察了La对其组织和力学性能的影响。

1 实验

原材料采用1^#纯Zn和L02纯Al, La以Al-11.45%La中间合金加入, 所配合金的化学成分如表1所示。将配好的合金放入井式电阻炉石墨坩锅中熔炼, 用六氯乙烷除气, 在循环水冷却钢模中浇注, 浇注温度为680～720℃。铸锭经350℃, 14 h均匀化→刨面清洗→350℃热轧→350℃, 3h, 水淬→80℃温轧→剪切等过程, 制成厚度为1 mm的片状拉伸试样。

表1 实验用合金的化学成分 Table 1 Chemical composition of alloys (massfraction, %)

将各号合金试样分成3组, 分别置于空气, 50℃和150℃的箱式电阻炉中进行自然时效和人工时效。拉伸试验在WD-10A型电子万能试验机上进行, 拉伸速度为10 mm/min, 每个状态测量3个试样, 取其平均值。

金相组织观察和照相在POLYVAR-MET立式显微镜上进行。试样磨至2 000^#砂纸后用MgO水浊液抛光, 浸蚀剂为20g CrO₃+1.5g Na₂SO₄+100mL H₂O溶液, 浸蚀后立即用20%CrO₃水溶液清洗, 然后再用流水冲洗。

利用H-800型透射电子显微镜比较了晶粒的大小和形状变化。试样经机械减薄后厚度小于0.1mm, 再经过双喷电解穿孔制成, 电解液为10%HClO₄+90%C₂H₂OH溶液, 工作电压20 V, 电流20～25mA, 液氮保护, 工作温度低于-15℃。

借助于X-650型扫描电子显微镜对拉伸断口进行扫描形貌观察。

2 结果与分析

图1所示为0^#, 3^#合金经50℃时效后的室温强度-时间关系曲线。从图1可见, 合金的强度值恒定不变, 不随时效时间的推移而变化, La的加入提高了Zn-22%Al合金的强度。图2所示为合金经150℃时效后的室温强度—时间关系曲线。由图2可见, 当时效温度超过轧制温度时合金的性能就不稳定了, 强度随时效时间的推移而升高, 未加La的0^#合金的时效曲线最陡, 强度增加量最大, 加La的3^#合金的时效曲线则较平缓, 强度增加量较小。图3所示为0^#～3^#合金的铸造组织, 其白色树枝状晶为富Al的α相, 墨色基体为富Zn的β相。从图3可看出, La的加入使α相得到细化, 随着La含量增加α相被细化的程度增大。图4所示为0^#, 3^#合金自然时效态和经150℃时效24 h的TEM组织。可以看出, 在相同的时效条件下, 未加La的0^#合金的晶粒较加La的3^#合金粗大, 而且等轴程度较低, 表明La具有阻碍Zn-22%Al合金时效时晶粒长大及等轴程度降低的作用。图5所示为0^#, 3^#合金经150℃, 24 h时效的拉伸断口形貌。由图可看出, 合金呈韧性断裂, 这与拉伸时表现出的高塑性相对应。加La的3^#合金断口上的韧窝比未加La的0^#合金细密, 这是添加元素对时效过程中的晶粒长大有阻碍作用, 使得断裂时微孔形核的数量较多所致。

图1 Zn-Al- (La) 合金经50℃时效后的强度—时间关系曲线

Fig.1 Dependence of tensile strength of Zn-Al- (La) alloys on annealing time after annealing at 50℃

图2 Zn-Al- (La) 合金经150℃时效后的强度—时间曲线

Fig.2 Dependence of tensile strength of Zn-Al- (La) alloys on annealing time after annealing at 150℃

图3 Zn-Al- (La) 合金的铸态组织

Fig.3 As-cast microstructures of Zn-Al- (La) alloys

(a) —No.0 alloy; (b) —No.1 alloy; (c) —No.2 alloy; (d) —No.3 alloy

图4 Zn-Al- (La) 合金的TME组织

Fig.4 TME morphologies of Zn-Al- (La) alloys

(a) —No.0 alloy, natural ageing; (b) —No.0 alloy, 150℃, 24 h ageing; (c) —No.3 alloy, natural ageing; (d) —No.3 alloy, 150℃, 24 h ageing

图5 Zn-Al- (La) 合金经150℃, 24 h时效后的拉伸断口形貌

Fig.5 Tensile fracture morphologies of Zn-Al- (La) alloys after ageing at 150℃for 24h

(a) —No.0 alloy; (b) —No.3 alloy

3 讨论

由拉伸试验表现出的100%以上的延伸率及有关资料 ^[4] 得知, Zn-22%Al合金属于超塑性合金, 其在塑性变形过程中无晶粒被拉长和加工硬化现象, 塑性变形不是靠位错滑移而是靠晶界滑动来实现的, 晶粒越细、等轴程度越高, 则晶粒之间发生滑动所需要的力愈小。此外, 由于实际材料晶粒形状完全是等轴状的, 随着塑性变形的进行, 在一些晶粒棱角比较尖锐而妨碍它们相互滑动的地方, 会发生晶粒外层因相互研磨而脱落成“碎屑”, 这不仅使晶粒的等轴程度得到提高, 而且使晶粒在这些“碎屑”中滑动变得容易进行。显然, 80℃轧制的Zn-22%Al合金经150℃时效时, 由于晶粒长大, 等轴程度降低, 相邻晶粒之间的接触面积增大, 使得它们之间发生滑动所需要的应力增大。在添加La的合金中, 由于La固溶在晶内或分布在晶界上都降低了原子的扩散速度, 增大了原子的扩散激活能, 妨碍了晶粒的长大和等轴程度的降低, 延缓了合金的时效过程, 致使加La的3^#合金的时效曲线较未加La的0^#合金的平稳。

当时效温度低于轧制温度时, 合金的组织和性能将保持恒定, 不随时效时间的推移而变化, 这可从50℃时效试验结果得到证实, 而加La的合金的强度高于不加La的合金, 这是由于加La后使α、β相晶粒产生固溶强化, “碎屑”不易形成, 并且产生晶界强化, 使晶界滑动较困难所致。

参考文献

[1]　GUMing (顾　敏) , GAOGuang hui (高光慧) .具有高阻尼特性的Al系合金及其用途[J].ShanghaiMetals (NonferrousFascicule) [上海金属 (有色分册) ], 1990, 11 (5) :13-19.

[2]　Masumoto.EffectofColdWorkingonDampingCharac teristicsofAlZnAlloys[J].NipponKinzokuGakkaishi, 1982, 46 (9) :929-934.

[3] 　CAIQiang (蔡　强) .ZincAlloys (锌合金) [M ].Changsha:CentralSouthUniversityofTechnologyPress, 1987.

[4] 　QIUTong ji (邱同济) , LIShi min (李世民等) , ZHANGWei qi (张维奇) , etal.冷轧Zn22%Al合金力学性能的研究) [J].JournalofNonferrousMetalsandRareEarthUse (有色金属与稀土应用) , 1981, 4:1-8.

[5]　PANGShao ping (庞绍平) , QUANMei hua (全梅花) , SHIYun bao (石云宝) , etal.锆对高阻尼Zn22%Al合金显微组织和力学性能的影响[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals (中国有色金属学报) , 1998, 8 (1) :69-73.

[6]　PANGShao ping (庞绍平) , SHIYun bao (石云宝) , HUANGYuan feng (黄元峰) , etal.Ce, La对Zn22%Al合金阻尼稳定性的影响[J].RareMetalMaterialsandEngineering (稀有金属材料与工程) , 2000, 29 (3) :204-206.