Zn元素对Al-Mg合金力学和阻尼性能的影响及机理研究

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Al-Mg系合金具有密度低、耐蚀性和焊接性能优异等优点,在航空、航天、国防军工等领域的应用十分广泛,但力学性能偏低,使得其应用受到极大限制。作者所在课题组研究发现,通过提高Mg含量不仅可以改善合金的力学性能,还可以提高合金的阻尼性能。但提高Mg含量也会导致合金的耐蚀性能和热加工成形性明显下降。在Al-Mg合金中添加Zn元素可以有效改善合金的耐蚀性能,但其对合金力学和阻尼性能的影响尚不清楚。基于此,本论文以具有优异阻尼和力学性能的Al-9.2Mg合金为对象,以Zn为合金元素,设计并制备了六种合金成分的Al-9.2Mg-x Zn(x=0~1.5,wt.%)合金,通过均匀化处理、高应变速率热轧以及热轧+冷轧加工制备了合金板材,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及X射线-衍射仪(XRD)表征了合金的微观组织及第二相特征,采用室温单向拉伸试验和DMA阻尼测试方法表征了合金的室温拉伸力学性能和阻尼性能,研究了Zn含量对铸态、固溶态、高应变速率热轧态及热轧后冷轧态Al-9.2Mg合金板材的力学和阻尼性能的影响规律,并探讨了相关机制。论文的主要研究内容及结论有:(1)阐明了Zn含量对铸态和固溶态Al-9.2Mg-x Zn合金微观组织、力学性能和阻尼性能的影响。结果表明:铸态Al-9.2Mg-x Zn合金的微观组织为典型的枝晶状组织,Zn的添加促进了第二相(Al3Mg2相)析出。合金的低应变振幅阻尼性能随Zn含量的提高而降低,高应变振幅阻尼性能总体呈现相反的趋势,其中Al-9.2Mg-1.2Zn合金的阻尼性能最好,其阻尼值Q-1达0.0168。通过均匀化处理后Zn元素完全固溶于基体中,随Zn含量的提高,合金的晶格畸变程度加大。Zn的添加使得合金的强度提高,塑性先提高后降低。固溶态合金的阻尼性能也随Zn的提高而提高。固溶态Al-9.2Mg-1.2Zn合金具有最佳的室温综合力学和阻尼性能,其抗拉强度、屈服强度、伸长率及阻尼值分别为407±2MPa、196±1MPa、45±2%及0.0164。此外,固溶态Al-9.2Mg合金的温度-阻尼谱中存在两个阻尼峰(P2峰和P4峰),而含Zn合金中存在四个阻尼峰(P1、P2、P3和P4),且含Zn合金在260~400℃的阻尼性能明显优于基体Al-9.2Mg合金。(2)阐明了Zn含量对Al-9.2Mg-x Zn合金高应变速率热轧过程中的动态再结晶(DRX)行为、热轧板材微观组织、力学性能和阻尼性能的影响。结果表明,Zn的添加通过促进合金在热轧过程中变形带的形成而强化了动态再结晶,但同时也促进了析出相的形成,对动态再结晶过程有抑制作用,使得合金的动态再结晶程度随Zn含量的提高先增强后减弱,其中Al-9.2Mg-0.5Zn合金板材的动态再结晶最充分,其动态再结晶体积分数、大角度晶界比例、平均晶界取向角、织构强度、位错密度分别为91.5%,91.1%,37.6°,2.71和7.3×1013m-2。合金的屈服强度随Zn含量的提高而提高,而伸长率则随Zn含量的提高先增大后减小,其中Al-9.2Mg-0.5Zn的塑性最佳,这与其低的位错密度、弱的织构和强的加工硬化能力有关。热轧板材的阻尼性能随Zn含量的提高先提高后降低,这主要受织构强度、可动位错密度及析出相特征的影响。Al-9.2Mg-0.5Zn合金表现出最优异的综合力学和阻尼性能,其抗拉强度、屈服强度、伸长率及阻尼值分别为434±4MPa、228±2MPa、48±2%及0.0184。(3)阐明了Zn含量对高应变速率热轧+冷轧Al-9.2Mg-x Zn合金板材的微观组织、力学性能和阻尼性能的影响。结果表明:合金板材表层为细小的等轴晶组织;随Zn含量的提高,板材中的位错密度增大。热轧板经冷轧变形后,表现出较高的力学性能,抗拉强度分布在530~570MPa,屈服强度分布在430MPa~445MPa,而伸长率均高于10%,Zn的加入使得合金板材的抗拉强度提升了20~35MPa。冷轧变形提高板材力学性能的原因主要与其高的位错密度有关。冷轧态板材的阻尼性能随Zn含量的提高先升高后降低,这与其可动位错密度有关。经热轧+冷轧变形的Al-9.2Mg-1.0Zn合金表现出最优异的综合力学和阻尼性能,其抗拉强度、屈服强度、伸长率及阻尼值分别为554±7MPa、445±4MPa、10.6±0.3%及0.0168。
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