第二相對(duì)AZ系鎂合金阻尼系數(shù)的影響

方 明，錢亞鋒，吳 洋

（國(guó)家鎂及鎂合金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南 鶴壁 458030）

隨著工業(yè)和交通業(yè)的日新月異的發(fā)展，設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越來(lái)越高，振動(dòng)和噪聲是設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)的三大公害之一。振動(dòng)影響了設(shè)備的質(zhì)量，縮短機(jī)械零件的壽命，降低了精度和可靠性，而阻尼材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是減震降噪的措施之一[1]。現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展是以零件設(shè)計(jì)的輕量化、高強(qiáng)度化為特點(diǎn)。鎂及鎂合金是目前應(yīng)用最輕的結(jié)構(gòu)材料，而且還具有高比強(qiáng)度、高彈性模量的優(yōu)異性能，最重要的是鎂合金的高阻尼減震性是其他材料所不具備的特點(diǎn)。

因此，對(duì)鎂合金阻尼性能進(jìn)行研究十分必要[2]。現(xiàn)行的阻尼性能測(cè)試方法為GB/T 18258-2000阻尼材料阻尼性能測(cè)試方法，該方法采用懸臂梁共振法測(cè)定材料振動(dòng)阻尼特性，樣品制備復(fù)雜且要求高，而且頻率不可以任意選。本文探討了采用兩點(diǎn)支撐法進(jìn)行阻尼系數(shù)測(cè)試的方法，利用該方法研究鋁含量對(duì)鎂合金阻尼系數(shù)的影響。

1 阻尼測(cè)試的原理

試樣的共振頻率主要由試樣的彈性模量、密度和和幾何尺寸共同決定的，因此試樣的幾何尺寸、密度和機(jī)械共振頻率被測(cè)定出來(lái)，就可以得出材料的彈性模量，根據(jù)所測(cè)共振頻率和半功率帶寬，計(jì)算出材料的損耗因子。

半功率帶寬為共振曲線上共振峰的兩側(cè)，振幅為共振振幅的0.707倍的共振頻率差。依據(jù)所給公式1即可計(jì)算出材料的損耗因子，測(cè)試過(guò)程在控溫箱中進(jìn)行，即可測(cè)出相應(yīng)溫度對(duì)鎂合金阻尼特性的影響。

式中：

Δf0i為第i階模態(tài)半功率帶寬。

f0i為共振頻率。

2 測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)及操作

本方法采用圓棒狀試樣，將試樣橫向放置在支撐架。測(cè)試系統(tǒng)的儀器由激勵(lì)和接收兩部分組成，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦或隨機(jī)信號(hào)經(jīng)放大激勵(lì)激振器，對(duì)試樣施加激振力。由檢測(cè)傳感器檢測(cè)試樣的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)放大器放大后送入顯示和記錄儀器。保持激振幅值恒定，連續(xù)改變頻率，測(cè)出試樣的共振曲線。根據(jù)共振曲線上的共振峰，計(jì)算出半功率帶寬。

阻尼測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩點(diǎn)支撐法阻尼系數(shù)測(cè)試示意圖

3 試驗(yàn)方法

3.1 試樣制備

選用AZ31鎂合金鑄錠、AZ41鎂合金鑄錠、AZ70鎂合金鑄錠、AZ80鎂合金鑄錠和鋁合金鑄錠，試樣尺寸均為φ7mm×22mm。尺寸公差為±0.2mm。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

將制備好的樣品用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，并在烘箱中105℃加熱30分鐘烘干。采用排水法計(jì)算試樣密度。試驗(yàn)溫度選取20-30℃。

將試樣放置在支撐架上，對(duì)試樣施加激振力，保持激振幅值恒定，連續(xù)改變頻率，測(cè)出試樣的共振曲線，根據(jù)共振曲線上的共振峰，計(jì)算出半功率帶寬。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 鎂合金金相分析

圖2為不同牌號(hào)鎂合金金相圖片，圖2a為AZ31鎂合金鑄錠金相圖片，圖2b為AZ41鎂合金鑄錠金相圖片，圖2c為AZ70鎂合金鑄錠金相圖片，圖2d為AZ80鎂合金鑄錠金相圖片，從圖片中可以看出，隨著Al元素的不斷增多，鎂合金中析出的第二相Mg17Al12的含量越來(lái)越多，第二相Mg17Al12在晶界處析出，分布越來(lái)越廣泛，析出相尺寸不斷增加。

4.2 阻尼系數(shù)的測(cè)量

對(duì)上述不同材料牌號(hào)、相同尺寸的試樣，在20-30℃室溫條件下，所測(cè)量的阻尼系數(shù)見(jiàn)表1，AZ系列鎂合金在室溫下的阻尼系數(shù)比鋁合金阻尼內(nèi)耗值大，說(shuō)明鎂合金具有較大的阻尼內(nèi)耗性能和優(yōu)異的減振性能。

表1 不同材料阻尼系數(shù)（內(nèi)耗值）

圖2 鎂合金金相圖片

隨著Al含量的不斷增大，鎂合金阻尼內(nèi)耗值不斷增大[3]。說(shuō)明合金中元素鎂和鋁形成的第二相Mg17Al12對(duì)鎂合金阻尼內(nèi)耗性能產(chǎn)生了影響[4]。

4.3 第二相對(duì)鎂合金阻尼性能的影響

鎂合金的阻尼性能，由材料內(nèi)部的位錯(cuò)和溶質(zhì)原子釘扎所引起的，在振動(dòng)過(guò)程中，由于鎂合金中溶質(zhì)原子和位錯(cuò)的釘扎作用，在外力的作用下不可逆的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此產(chǎn)生機(jī)械靜滯效應(yīng)而產(chǎn)生能量損耗。

通過(guò)上述的微觀組織的變化，析出的第二相的尺寸增加，提高了單個(gè)析出相的釘扎作用。

在鎂合金組織中，Mg17Al12析出相作為釘扎點(diǎn)，隨著Al含量的增加，第二相Mg17Al12含量不斷增多，對(duì)振動(dòng)具有吸收、粘滯、分割和發(fā)射等作用，從而吸收了更多的振動(dòng)能，使鎂合金的阻尼系數(shù)增大[5]。

5 結(jié)論

（1）鎂合金比鋁合金具有更好的阻尼能耗性能。

（2）AZ系鎂合金中，隨著第二相的不斷增加，合金的阻尼內(nèi)耗值不斷增大。