不同相组成Mg-Li二元合金的力学性能及阻尼性能-有色金属在线

在氩气保护下采用电磁感应真空熔炼制备出单一α-Mg相、单一β-Li相及两相共存的3种不同相态的Mg-Li二元合金，并运用光学显微镜、XRD、阻尼测试及力学测试方法对合金的组织结构、力学性能及阻尼性能进行分析和讨论。结果表明：Li含量的增加使合金的相态发生改变，同时对合金起到晶粒细化的作用，且能有效地提高合金的屈服强度。体心立方结构的β-Li相会增大合金的临界应变振幅以及阻尼性能，但两相共存状态的Mg-Li合金具有最好的抗拉强度及伸长率。Mg-Li二元合金的新阻尼机制是由低温区域位错滑移、高温区域的晶界滑移以及合金中的晶格畸变这3种阻尼机制叠加而成。

关键词：

Mg-Li合金；弹性模量；力学性能；阻尼性能；

中图分类号：TG146.2 　　文献标志码：A

Mechanical properties and damping capacity of Mg-Li alloys with different phases

XU Dan-dan^{1, 2}, WANG Jing-feng^{1, 2}, LU Ruo-peng^{1, 2}

(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 vacuum induction melting furnace was used to melt the Mg-Li alloys under the protection of argon atmosphere. Three kinds of Mg-Li binary alloys, single α-Mg phase alloy, single β-Li phase alloy and the dual-phase alloy are obtained. The optical microscope (OM), X-ray diffractometer (XRD), scanning electron microscope (SEM), tensile properties test, amplitude-damping test and temperature-damping test were used to analyze the mechanical properties and the damping capacity of Mg-Li alloys with different phases were studied. The results show that the increase of Li content changes the phases of the alloy, and also plays an important role in the grain refinement which can effectively improve the yield strength. The BCC-structured β-Li phase improves the critical stain amplitude and the damping capacity of Mg-Li alloys, and the dual-phase Mg-Li alloy has the best tensile strength and elongation. The new damping mechanism of Mg-Li alloy is superposed by the dislocation gliding at low temperature, grain boundary sliding at high temperature and the lattice distortion.

Key words: Mg-Li alloys; elastic modulus; mechanical property; damping capacity

Mg-Li合金是目前世界上最轻的合金，除了具有Mg合金本身比强度和比刚度高、机械加工性能好、回收容易等优点外^[1-3]，还有密度极小(在一定条件下小于1 g/cm³实现合金漂浮在水上)以及阻尼性能较高的优异条件，因此成为极具潜力的新型高阻尼合金材料。而交通运输业及航空航天技术的不断发展，使合金材料的轻量化和减振降噪功能成为合金研究的重点^[4-6]。减振降噪不但能降低由噪声引起的环境污染，还能提高材料的使用寿命，而轻量化材料的使用更是可以大幅降低成本^[7-9]。而Mg-Li合金所表现出的超轻量化及优异的减振降噪性能使合金具有很大的应用前景。其中Mg-Li合金的加工变形能力远超一般Mg合金，其主要原因是Li的添加使合金的结构发生变化。室温下，当Li含量小于5.1% 时，Mg-Li合金是HCP结构的α-Mg相；当Li含量在5.1%~11%(质量分数)之间时，合金呈现两相共存的状态(α+β)，同时，存在BCC及HCP结构；当Li含量大于11%(质量分数)时，Mg-Li合金转变为BCC结构的β-Li相。Mg-Li合金的晶体结构由Mg合金HCP的晶体结构，转变为塑性更强的体心立方结构，提高了合金的加工变形性能^[10]。但由于Mg-Li二元合金较为活泼，且力学性能较差，目前，对Mg-Li合金中阻尼性能的研究多从合金化角度出发，使Mg-Li合金的阻尼机理及各项性能受到合金化元素的干扰，而忽略对单纯镁锂二元合金中相组成变化后基本阻尼机制的研究。

考虑到Mg与Li在空气中极活泼且极易氧化的特性，因此，采用电磁感应真空熔炼法制备出不同相态的Mg-Li二元合金，通过对不同相态下合金的组织、阻尼及力学性能的测试，分析相组成对Mg-Li二元合金各项性能的影响。

1 实验

实验所用材料为真空熔炼法熔炼所得的不同相态的Mg-Li二元合金(Mg-xLi)。由于纯Li在空气条件下极易氧化且熔点极低，不利于切割及熔炼，本文作者采用Li含量为23%(质量分数)的Mg-Li中间合金以及99.9%(质量分数)的纯Mg进行真空条件下的熔炼，所得合金化学成分见表1。

表1 不同相态Mg-xLi合金的成分

Table 1 Chemical composition of Mg-xLi alloys in different phases

由于Mg-Li系合金的耐腐蚀性能较差，二元Mg-Li合金在空气条件下极易氧化，表面产生氧化薄膜影响测试结果。本研究中利用光学显微镜进行组织观察。拉伸实验采用CMT-5105微机控制电子万能实验机进行，拉伸速度为0.78 mm/min；拉伸标距尺寸为10 mm×3 mm×1.5 mm。阻尼性能测试采用DMA-TA-Q800动态机械热分析仪进行，阻尼样品大小尺寸为40 mm×5 mm×1.2 mm。

2 结果与分析

2.1 合金的微观组织

图1 Mg-xLi合金的显微组织

Fig. 1 Microstructures of Mg-xLi alloys

图2 不同相态的Mg-xLi合金的XRD谱

Fig. 2 XRD patterns of as-cast Mg-xLi alloys in different phases

图1所示为不同相态的铸态Mg-xLi合金光学显微镜下的金相组织。由图1可看出，ML1合金在光学显微镜下表现出极大的晶粒；ML2合金的晶粒较ML1的小许多，且能明显看出具有两种相态存在；ML3合金晶粒明显小于另两种相态合金。结合图2的XRD物相分析结果可以看出，ML1为单一α-Mg相合金；ML2合金中同时存在两种相态，且两相区域分布较为明显，XRD物相分析显示α-Mg相为主要相成分，因此含量较多的明亮区域表示为α-Mg相，而另一种较暗区域为β-Li相；ML3为单一的β-Li相合金。

根据图1中晶粒大小对比可知，Li元素的添加具有细化晶粒的作用，3种合金的晶粒大小随着Li含量的增加而减小。这种现象是由于Li含量的增加使ML2及ML3合金中出现BCC结构的β-Li结构。BCC结构Li的晶格常数为a_Li=2.84×10^{-10 m}，原子半径R_Li=1.23×10^{-10 m}，HCP结构的原子半径为a_Mg=3.23×10^{-10 m}，Mg的原子半径为R_Mg=1.60×10^{-10 m}，BCC结构的原子半径及晶格常数均小于HCP结构的，因此，当合金中BCC结构增加后，合金的晶粒大小减小。图2中所示3种合金的相组成分布表明，在Mg-Li二元合金中，Li元素的增加或减小并没有使合金中出现第二相。相图表明，室温时当Li含量小于5.1%(质量分数)时，Mg-Li合金是HCP结构的α-Mg相；当Li含量在5.1%~11%(质量分数)之间时，合金呈现两相共存的状态(α+β)，同时存在BCC及HCP结构；当Li含量大于11%(质量分数)时，Mg-Li合金转变为BCC结构的β-Li相，即在本研究合金中的单一相合金中Mg或Li原子以固溶形式存在。

2.2 合金阻尼性能的变化

2.2.1 应变振幅对合金阻尼性能的影响

图3所示为在频率为1 Hz、35 ℃条件下铸态Mg-xLi合金阻尼性能随着应变振幅变化的曲线。合金阻尼性能随着应变振幅的变化可以分为两个区域：应变无关区域和应变相关区域。小图中显示的应变无关阶段曲线的放大。可以清楚看出，在应变无关阶段，单一β-Li相的ML3合金阻尼性能明显高于另两种合金，且3种合金中Li含量增加，其阻尼性能也增加，但两相共存的ML2与ML1的阻尼性能随Li含量的增加，阻尼性能增加的幅度较小。这是由于Li元素的添加，使合金中溶质原子的数量增加，滑移系增加，弱钉扎数量也增加，从而产生大量位错弓出而提高阻尼性能，但HCP结构的α-Mg相由于其本身滑移系较少，对应变无关阶段的阻尼具有阻碍作用，因此，含有α-Mg相结构的ML1与ML2的阻尼值相差较少，而当合金中不存在α-Mg相结构时，合金ML3表现出极高的阻尼性能。

图3 ML1、ML2、ML3合金的应变振幅—阻尼性能曲线

Fig. 3 Strain amplitude—damping capacity curves of as-cast ML1, ML2 and ML3 (f=1 Hz, θ=35 ℃)

图3中ML1、ML2、ML3合金的临界应变振幅ε_cr分别为1.0×10^-4、2.0×10^-4和3.4×10^-4时3种合金的临界应变振幅ε_cr随着Li含量的增加而增加；也就是说，BCC结构的β-Li相的添加能有效的提高合金的临界应变振幅ε_cr，同时，随着β-Li相的增加，临界应变振幅ε_cr也相应增加。这是由于BCC结构β-Li相的出现使合金的整体滑移系增加，从而导致位错脱钉所需要的外力增加，位错脱钉更加困难，从而引起更高的临界应变振幅。当振幅大于临界应变振幅后，合金进入应变相关阶段。合金的阻尼性能开始随着应变振幅的增加而急剧上升，3种合金的阻尼性能增加幅度相似，而在同一应变振幅条件下，ML1的阻尼性最高，当应变振幅大于1.137×10^-3后，ML2的阻尼性能超过ML3的，但始终低于ML1的。

本文作者认为在应变相关阶段应变振幅—阻尼性能曲线的这种反常变化是由于弹性模量的影响而产生。弹性模量是用来表示材料拉伸及压缩性能的物理量，弹性材料在承受正向应力时会产生正向应变，在形变量没有超过材料弹性限度时，正向应力与正向应变的比值为这种材料的弹性模量。

在应变相同的条件下，弹性模量越小，应力也就越小。Li的弹性模量是4.9 GPa，大约是Mg弹性模量(45 GPa)的十分之一，因此，在应变相关阶段，同一应变振幅下，弹性模量越小的合金，所受到的应力越小，合金对应的阻尼值则越小。

根据目前对Mg合金的研究可知，室温下Mg及Mg合金的阻尼机制符合G—L的理论模型。G—L模型中提出合金的阻尼性能(Q^-1)是应变无关阶段阻尼()与应变相关阶段阻尼()两部分的和值^[11-14]，即

(1)

其中，

(2)

(3)

, (4)

式中：C₁、C₂及C₃表示物理常量；ρ是位错密度；b表示的是伯格斯矢量；ε₀和f分别表示应变振幅及频率；L_c表示溶质原子之间的平均位错段长度；L_N是弱钉扎间的平均位错段长度L_cL_N；F_B是位错与溶质原子之间的结合力；E表示非弛豫模量。

将式(3)和(4)进行变形可以得到式(5)：

(5)

图4 铸态合金的G—L曲线

Fig. 4 G—L plot of as-cast ML1, ML2 and ML3 alloys

由式(5)可以认为，在应变相关阶段，与成线性关系，直线的斜率为-C₃，截距为。而横坐标为，纵坐标为作出的图就是G—L图。根据对合金阻尼的研究可知，G—L图可以用来判定合金材料的阻尼性能是否符合G—L的位错脱钉理论。当合金材料应变相关阶段的G—L图能成一条直线的时候，也就说和成线性关系，则合金的阻尼性能被认为是符合G—L的位错脱钉理论的；如果图线不能成为一条直线，则说明不符合G—L理论。

根据这一原理，本文作者者将室温下3种合金的应变相关阶段的应变振幅—阻尼曲线转化为G—L图(见图4)。可以明显看出，3种合金的G—L曲线均不是平直的直线，这说明，二元Mg-xLi合金的阻尼机制并不是单纯的G—L理论，Mg-Li合金本身由于Li的出现，在G—L位错钉扎理论的基础上，还叠加了一种新的阻尼机制。

2.2.2 温度对合金阻尼性能的影响

图5所示为ML1、ML2和ML3合金的阻尼性能在频率为1 Hz、应变振幅10 μm、升温速度为5 ℃/min的条件下温度从30 ℃升高至250 ℃时的变化曲线。从图5中可以明显看出，仅含有HCP结构α-Mg相的ML1合金的阻尼性能随着温度变化较小，且阻尼性能较低；而仅含有BCC结构β-Li相的ML3合金的阻尼性能在低温区就超过0.01，属于高阻尼合金，且随着温度的升高，阻尼性能继续升高；两种相态共存的ML2合金阻尼曲线在温度较低时(t＜130 ℃)，阻尼性能随温度升高增加的幅度较小；而当温度持续升高后，阻尼性能上升速度提高，并在温度达到230 ℃时，阻尼性能超过ML3的。

图5 合金的温度—阻尼性能曲线(ε=10 μm, v=5 ℃/min, f=1 Hz)

Fig. 5 Temperature—damping capacity curves of as-cast ML1, ML2 and ML3 alloys (ε=10 μm, v=5 ℃/min, f=1 Hz)

图5中ML3合金在低温条件下(t＜70 ℃)阻尼性能随着温度升高而降低，分析这种现象产生的原因得出：Mg固溶在Li基体中，由于Mg的原子半径与Li的原子半径相差不大，因此以置换固溶体的形式存在，会发生晶格畸变，低温时固溶度较小，固溶原子逐渐呈有序排列，晶格畸变能较大，且BCC结构中大量的滑移系在此温度范围内被激活，位错开始滑移，则合金的阻尼性能较高。而随着温度增加，固溶度越大，固溶原子逐渐以无序固溶体形式存在，容易发生偏聚，从而抵消一部分晶格畸变能，并阻碍部分位错滑移，因此，合金的阻尼性能逐渐降低。

已有研究结果显示^[15^-17^]，铸态纯Mg、含Ni量为6.2%~22.6%(质量分数)时的铸态Mg-Ni合金的温度—阻尼曲线在温度较低区域时(0~150 ℃)均出现一个峰值P₁，在温度较高区域处(t＞150 ℃)出现第二个峰值P₂。研究中指出，P₁峰是由于在基面上出现位错滑移而产生。在固溶过程中，合金中的杂质原子往往会在晶界发生偏聚现象，从而使合金中的位错更容易发生滑移，阻尼值上升；而当温度升高后，杂质原子被热能所激活，从晶界扩散到晶粒内部尤其是集中在位错部位，阻碍了位错的进一步移动，阻尼性能逐渐下降。而P₂峰是由于晶界滑移而产生，阻尼大小是由滑移距离和沿着晶界的滑移阻力决定的。而P₂峰的最大值受到晶界及偏聚在晶界上的杂质原子数量的影响，晶界数量越多，晶界上的杂质原子越少，P₂峰的最高阻尼值也就越高。

图5中ML3合金在130 ℃时出现一个明显的峰值P₂。本文作者认为这个峰是晶界滑移阻尼峰。综上所述，晶界本身对温度特别敏感，温度较高条件下晶界才会发生相对滑移，此时，晶界由于粘滞性流动而引起能量损耗，其损耗能量大小由滑移距离和沿着晶界的滑移阻力决定，约等于晶界间相对位移与晶界滑动阻力的乘积。也就是说^{[11, 18]}，晶界上的杂质原子数量越少，晶界数量越多，则晶界阻尼峰的峰值也就越高。ML3合金中由于Li的晶粒细化作用，平均晶粒度较小，从而晶界数量较多，因此，晶界峰P₂峰的峰值较为明显。

合金ML1在62 ℃处也存在一个不太明显的P₁峰，结合峰值出现的位置，本文作者判断P₁峰是位错阻尼峰。这是由于HCP结构合金中的位错发生滑移，从而使合金阻尼性能提高，而之后温度增加，溶质Li原子沿位错线发生偏聚，提高了点缺陷的浓度，阻碍了位错的滑移运动，从而阻尼性能逐渐减小。但由于Li原子的原子半径与Mg相差不大，且HCP结构的滑移系较少，因此，阻尼峰较为平缓。

而ML2合金的阻尼曲线较为平滑，未能检测到峰值的出现，且阻尼性能随着温度的上升持续增加，阻尼性能增加速度也由慢转快。本文作者分析这种现象是由以下因素引起。

1) 首先是由于两相共存的合金中同时存在Li固溶在Mg基体中的HCP α-Mg相，以及Mg固溶在Li基体中的体心立方β-Li相。由于Mg与Li的原子半径相差不大，因此,两种相都以置换固溶体的形式存在，晶粒极易发生晶格畸变。温度升高，晶格畸变能增加，但同时合金的固溶度增大，且固溶原子逐渐呈无序固溶体形式存在，容易发生偏聚，从而抵消一部分的晶格畸变能并阻碍部分的位错滑移，因此，在升温最初段，阻尼性能随着温度的增加而升高，但幅度较小。

2) BCC结构的出现增加了合金中的滑移系，使位错滑移更加容易，随着温度升高，位错运动越发明显，阻尼性能也就随之增加。

3) 结合图1中对光学显微下合金金相组织的分析结果可知，ML2中存在两种不同相态的晶粒，晶界数量较多，晶界由于粘滞性流动而引起能量损耗就越大，温度持续升高后，晶界受到热能的推动开始发生粘滞性流动，因此，阻尼性能在温度较高区域迅速上升。

这是低温区域的位错滑移、高温区域的晶界滑移，以及合金中的晶格畸变这3种主要的阻尼来源的相互叠加或同时作用，使合金的阻尼性能在应变振幅及温度改变时发生变化。前文提出二元的Mg-xLi合金中并不只是位错钉扎阻尼机理起作用，而是出现新的阻尼机制，根据本研究的结果推测，这种叠加而形成的阻尼机制可能就是前文提出的新阻尼机制。

2.3 合金力学性能的变化

图6所示为3种Mg-xLi二元合金的应力—应变曲线所对应的力学性能数值。由图6很明显可以看出，屈服强度(YTS)随着Li含量的增加而增加，这是由于细晶强化而产生。根据Hall-Petch公式可知，当晶粒越小时，晶界面积就越大，位错运动时受到的阻碍作用随着晶界数量的增加而增加，因此材料的强度也就越大。由图1已经得知，Li含量的增加对晶粒起到了细化的作用，因此使合金的屈服强度随着Li含量的增加而增加。

3种合金的伸长率均大于5%，具有较好的塑性，属于塑性合金。单一β-Li相的ML3合金的抗拉强度及伸长率都要高于仅含单一α-Mg相的ML1合金，而两相共存状态的ML2合金表现出最高的抗拉强度(UTS)及伸长率(Elongation)。前者是因为BCC结构较HCP结构具有更好的塑性，且Mg原子半径大于Li原子半径，因此，β-Li相具有更多的晶格畸变能，在屈服强度后塑性变形时所需的外力更大，因此，ML3合金的伸长率及抗拉强度都要高于ML1的。而两相共存的合金中除了存在塑性更好的BCC结构外，还出现大量的相界面，这些相界面在拉伸过程中产生很大的应力场，与晶格畸变能一起会对位错运动造成阻碍，起到很好的强化作用，同时提高合金的塑性。

图6 铸态ML1、ML2和ML3合金的力学性能

Fig. 6 Mechanical properties of as-cast ML1, ML2 and ML3 alloys

3 结论

1) Li元素的添加改变了二元Mg-xLi合金的力学性能。随着Li元素的添加，合金晶粒发生细化，且合金中的Mg和Li原子均以固溶形式存在，并未出现第二相。这种细晶强化对合金的屈服强度有很大的影响，合金的晶粒越小，屈服强度则越高，因此，ML3合金具有最高的屈服强度。两相共存状态的ML2合金表现出最高的抗拉强度及伸长率。

2) 在同一应变振幅条件下，HCP结构的α-Mg相对二元合金的阻尼性能具有阻碍作用，而BCC结构的β-Li相的添加能有效的提高合金的临界应变振幅ε_cr以及阻尼性能。由于弹性模量的作用，在应变相关阶段，同一应变振幅下，弹性模量越小的合金，所受到的应力越小，合金对应的阻尼值则越小。不同相态Mg-xLi合金的阻尼机理并不仅仅是G—L位错钉扎理论，而是G—L位错钉扎理论的基础上，叠加了一种新的阻尼机制。

3) BCC结构β-Li相的出现能有效地提高二元Mg-xLi合金的阻尼性能。而当合金中仅为单一β-Li相时，在低温区阻尼性能会随着温度的升高而降低，这是由于β-Li相中固溶原子较多，晶格畸变能较大，温度上升过程中与位错阻尼峰叠加而产生的现象。因此，ML3中不存在位错阻尼峰，而存在一个由于晶界众多而产生的晶界滑移阻尼峰。两相共存的合金中没有出现峰值是由于低温区域位错滑移、高温区域的晶界滑移以及合金中的晶格畸变这3种主要的阻尼来源叠加而产生。这种叠加而形成的阻尼机制可能就是前文中提出的新阻尼机制。

4) 两相共存状态下的ML2合金比单一相态的ML1和ML3合金具有更稳定的物理性能、力学性能，同时具有较好的阻尼性能，是同时具有轻量化及减振降噪功能的高阻尼材料，具有很好的应用前景。

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(编辑李艳红)

基金项目：新世纪优秀人才支持计划(NCET-11-0554)；国家自然科学基金资助项目(51271206)；国家重点基础研究计划资助项目(2013CB632201)

收稿日期：2013-05-08；修订日期：2013-12-20

通信作者：王敬丰，教授，博士；电话：023-65112153；E-mail: jingfengwang@163.com

摘要：在氩气保护下采用电磁感应真空熔炼制备出单一α-Mg相、单一β-Li相及两相共存的3种不同相态的Mg-Li二元合金，并运用光学显微镜、XRD、阻尼测试及力学测试方法对合金的组织结构、力学性能及阻尼性能进行分析和讨论。结果表明：Li含量的增加使合金的相态发生改变，同时对合金起到晶粒细化的作用，且能有效地提高合金的屈服强度。体心立方结构的β-Li相会增大合金的临界应变振幅以及阻尼性能，但两相共存状态的Mg-Li合金具有最好的抗拉强度及伸长率。Mg-Li二元合金的新阻尼机制是由低温区域位错滑移、高温区域的晶界滑移以及合金中的晶格畸变这3种阻尼机制叠加而成。