文 献 综 述

1.阻尼研究背景

1.1振动和噪音的危害

随着航空航天、武器装备的发展日趋高速化和大功率化，由此产生的宽频带随机激振会引起结构的多共振峰响应，从而使电子器件失效，仪器仪表失灵，严重时甚至造成灾难性后果^[1]。火箭、卫星失效分析表明，约2/3的故障与振动和噪音有关。导弹中的电子仪器由于振动和噪音降低了精度和可靠性，大大缩短寿命。飞机在长期使用过程中由于振动的影响，出现方向舵、机尾罩萌生裂纹、空速管断裂、天线的精度下降以及座舱噪音等问题，影响着它们的可靠性和寿命，严重时会导致机毁人亡。汽车的传动装置、动力装置受震动的影响也很厉害，直接影到驾驶速度和汽车的使用寿命以及驾驶员的生命安全。船舶开动时振动和噪声既破坏定位仪器的工作，又给乘员的正常工作、生活和健康带来影响。降低舰艇尤其是潜艇的噪声可减少被敌方声纳发现的机会^[2,3]。机动性战术雷达机架受动力源振动影响使其精度水平大大下降，狙击步枪的瞄准星在长期震动后也会影响其精准度。振动与噪声乃是当今飞机制造、机械制造、仪器制造、船舶制造、潜艇制造以及军事装备制造等部门急需解决的重要课题之一。

1.2阻尼的定义

一个自由振动状态下的物体，即使处于与外界完全隔离的条件下，也会由于其内部原因使得机械能逐渐转化为热能而衰耗下去，从而使振动逐渐停止。从力学的角度讲，要把振动维持下去，就必须不断地克服材料自身的内阻尼。这种由于内部原因造成振动能量损耗的现象称之为内耗（Internal Friction）或阻尼（Damping）^[4]。内耗是由于材料内部的非弹性应变引起的。工程上，人们把这种物体消耗振动能量的能力成为材料的阻尼本领。利用高阻尼材料进行减振降噪，可避免采用复杂的阻尼减振器和阻尼复合结构，使应用系统的结构得以简化，重量及成本得以降低，尤其是可靠性、稳定性得以提高，能够满足现代工业功率大，速度高，体积小，重量轻的发展方向，因而是解决振动和噪声问题最重要的手段之一，有时甚至是唯一的手段。目前，美国在运载火箭、导弹、卫星和空间飞行器上已基本不使用隔振器，而大量采用阻尼材料和技术。

1.3高阻尼合金的研究背景

高阻尼金属或高阻尼合金，最早是由Birchon^[5]于1964年提出的，由于其优良的力学性能和较高的减振能力，具有抗振频率宽，可以直接作为结构材料使用等优点，目前美国在运载火箭、导弹、卫星和空间飞行器上已越来越多地使用阻尼金属来替代减振器，以减少设备自重，简化设计和提高可靠性^[6]。在民用工业，未来设备发展的方向是:小型、高速、大功率和低噪音，国际市场上已经把”静音技术”列为产品性能的重要指标之一。因此，提高结构材料本身的阻尼特性，研究新型的高强度高阻尼金属具有非常重要的现实意义。材料的内耗(或阻尼)研究兴起于20世纪40年代，但是人们对高阻尼材料产生兴趣却是70年代的事情。

1.4阻尼的机制

根据阻尼谱的特征，材料阻尼机制大体可分为四大类型：动滞后型，静滞后型，共振型和相变机制型^[7,8]。

(1)动滞后型

动滞后型内耗也叫弛豫型内耗(线性内耗)，它是材料的滞弹性引起的，所以也称为滞弹性内耗^[9,10]。滞弹性的特征是在加载或去载时，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成这种变化的。这种机制的特点是阻尼性能与振幅无关，而与频率f、温度T有关。

(2)静滞后型

动滞后的产生是由于实验的动态性质，与此不同，静滞后的产生是由于应力和应变存在着多值函数关系^[11]。在同一载荷下，在加载过程中和去载过程中对应的应变值不同，并且在完全去掉载荷后有永久应变残留，要想把这部分残余应变去除就需在相反的方向加一定载荷才行。静滞后内耗(非线性内耗)，其特点是阻尼性能与振幅有关，而与频率、温度无关。

(3)共振型

材料中的阻尼共振是产生内耗的又一种情况。例如晶体中两端被钉扎的位错线段在振动应力下可作受迫振动，对材料施加应力后，阻尼共振型固体的应变随时间的变化与材料的阻尼系数有关。如果没有外摩擦存在，材料中的内耗就是唯一的能量耗散效应，它决定共振的振幅。共振型内耗与动滞后型内耗相似，但材料的固有频率随温度的变化较小。

(4)相变机制型

相变机制型内耗指材料发生相变时，其阻尼性能明显改善，其特点是阻尼性能与振幅无关，而与T/f(T为加热或冷却速度)成正比。

2.研究镁合金阻尼性能的原因

金属镁及其合金是目前最轻的商用金属结构材料，（密度1.7g/cm³是钢的1/4铝的2/3）具有高比强,高比模,电磁屏蔽以及优异的铸造、切削加工性能和易回收等优点,而且镁合金的高阻尼减振性更是其他金属结构材料所不具备的^[12,13]。低密度、高阻尼、高强度的镁合金材料成为当前最重要的材料需求之一^[14-16]。

虽然纯镁的阻尼性能很好，但因纯镁强度较低，限制了它的应用范围，一般需要添加合金元素来提高其强度但理论上合金元素将对位错产生钉扎作用，致使合金的阻尼性能降低。

3.镁合金阻尼机理

从金属产生阻尼的机理来看,可以分为位错型阻尼、孪晶或晶界型阻尼、铁磁型阻尼和复相型阻尼等。镁合金的阻尼机理在低温下属于位错阻尼,满足位错钉扎-脱钉模型^[17],即G-L理论；而在高温条件下,除了位错阻尼外还有晶界阻尼的影响。

3.1镁合金的位错阻尼机理

位错阻尼是由外应力作用下的位错运动所致。根据G-L理论,位错阻尼在应变振幅较低时与振幅几乎无关，阻尼值只随频率的增加而增加；但当应变振幅较大时,位错阻尼却随振幅的增加而快速增加，并且此时低频下的阻尼值反而高于高频下的阻尼值。纯镁在室温下阻尼值与应变振幅的关系可分为两个阶段^[18]。第一阶段应变振幅较低,位错不脱钉，随着应变振幅的增加，阻尼值增加不明显。第二阶段应变振幅较大,位错挣脱弱钉扎点(脱钉也会消耗能量)并限制在位错网络结点处,此时随着应变振幅的增加，阻尼值迅速增加。

3.2镁合金的晶界阻尼机理

晶界具有粘性的特征，晶界的粘性流动将循环载荷下的机械能转换为热能,从而导致能量损耗，并且晶界阻尼受晶粒尺寸和晶界上杂质原子的影响。然而杂质原子分布在晶界上，对晶界起着钉扎作用，从而导致阻尼明显下降。晶界阻尼对温度特别敏感^[19],随着温度的升高杂质原子将逐渐溶解于基体中^[20],结果使晶界上的杂质数量减少,晶界滑移阻力减小,从而使晶界阻尼的贡献明显增大。通常在高温环境下，晶界表现出良好的阻尼性能。

4.阻尼镁合金的强化机制

通过固溶强化、应变强化、弥散强化、细晶强化以及它们的相互配合产生的综合强化效果可使镁合金的力学性能得到较大提升。从位错的观点来看，阻尼来源于位错的可动性，而强度实际上就是位错可移动性的倒数^[21]。

4.1固溶强化

由于固溶于基体晶格中的溶质原子与镁基体原子的原子半径和弹性模量不同，而使晶格发生畸变，以及溶质原子偏聚在位错线上，对位错的运动产生阻碍，从而使合金得到强化。

4.2析出(沉淀)强化

当合金元素在镁基体中的固溶度随温度的下降而减少时，可将镁合金在高温下进行固溶处理，得到过饱和固溶体，然后在较低的温度下进行时效处理，可得到弥散的沉淀相。沉淀析出相与基体界面的共格作用、比容的不同、原子结合力的差异，造成质点在周围介质中引起弹性应力场；位错运动和滑移也会由于第二相的存在而受到阻碍，从而提高了屈服强度。

4.3弥散强化

在凝固过程中产生的，熔点高且不溶于镁基体的颗粒，弥散分布于镁基体中，具有良好的热力学稳定性，阻碍位错滑移，使合金得到强化。

4.4细晶强化

镁合金可通过变质处理、快速凝固和塑性变形等方法来达到细化晶粒的目的。晶界是滑移系的有效阻碍，晶界前方的应力集中使得更多的滑移系被激活，从而使合金的整体变形更加均匀，带来合金强度和韧性的提高。

4.5形变强化

金属材料在冷变形过程中强度将逐渐升高的现象称为形变强化。冷变形后，金属内部的位错密度将大大增加，且位错相互缠结并形成胞状结构（形变亚晶），它们不但阻碍位错滑移，而且使不能滑移的位错数量剧增，从而大大增加了位错滑移的难度并使强度提高。

5.改善镁合金阻尼性能的主要方法

镁合金的阻尼性能主要与合金中位错和杂质原子的密度及形态有密切关系。而合金元素、变形工艺、热处理、晶粒尺寸和取向以及各种增强相的添加等对位错和杂质原子的密度及形态都有很大的影响，因而也影响到了镁合金的阻尼性能。

5.1添加合金元素

纯镁的阻尼性能虽高,其力学性能却较差,加入合金元素可以大大改善力学性能,但理论上合金元素将对位错产生钉扎作用,致使合金的阻尼性能降低。Zr、Ni、Ce、Cu、Si等元素在镁中固溶度都较小,其中Zr的晶粒细化效果最好,使得Mg-Zr合金兼具高阻尼、高力学性能的特点,是高阻尼镁合金中最有前途的二元合金，Ni极少影响试样的振动阻尼内耗值,却能极大地改善试样的机械性能^[22]；Ca、Zn、Nd等元素虽然是镁合金最有效的强化元素,但它们的加入将显著降低镁合金的阻尼性能^[23]。

5.2变形工艺

挤压、轧制、锻造等塑性变形工艺对合金的微观组织结构有很大的影响,在提高镁合金力学性能的同时也会引起阻尼性能的变化。剧烈变形对镁合金的微观组织和力学性能都有较大的影响,但对镁合金室温阻尼性能的影响不大,而对纯镁等高阻尼合金而言,其室温阻尼性能却显著降低^[24,25]。冷轧和热轧两种不同的加工工艺对合金阻尼性能的影响差异较大,冷轧样品显示出比热轧样品低的阻尼性能,是由于冷轧使位错形成网络状缠结,降低了可动位错的密度,致使位错运动困难,所以冷轧样品的阻尼很低。

5.3热处理

镁合金铸态组织进行热处理后其力学性能有所改善,但阻尼性能的变化比较复杂。对于热扎材料来说,虽然其阻尼性能较冷轧材料高,但退火和循环热处理都可以提高热轧材料的阻尼值。镁合金经退火处理后表现出了比热轧态良好的阻尼性能,且随退火时间的延长而增大。但与热轧态相比,经退火处理后合金的强度和硬度都有所降低,因为退火使得合金在热轧过程中大量形成的位错缠结消失,增加了可动位错的密度。此外由于退火使合金发生再结晶,晶粒有了一定程度的长大,从而减少了晶界的数量,这也使得位错移动更加容易^[26]。

5.4控制晶粒尺寸和取向

晶体中晶界是位错运动的有效障碍,晶粒尺寸决定晶体中晶界的总量,所以晶粒尺寸对位错运动有影响。在利用细晶强化增强阻尼材料的机械性能时要把握一个度,以使阻尼性能和力学性能达到一个较完美的组合。等轴晶的铸态镁有较高的与振幅有关的阻尼,而柱状晶的铸态镁几乎不产生与振幅有关的阻尼，为了获得良好的振动衰减,必须控制镁合金铸造微观组织,使之得到等轴晶组织。

5.5添加增强相

通过添加第二增强相制成复合材料来改善镁合金力学性能与阻尼性能有很好的作用^[27]。选择阻尼性能好的纯Mg、Mg-Zr作为基体,把它们与常用的增强体,如碳化硅颗粒、Al₂O₃颗粒碳、石墨纤维等复合制成复合材料。添加第二增强相制成复合材料的方法对镁合金室温阻尼性能的改善并不明显,而且存在制备工艺复杂、性能不稳定和韧性偏低等突出问题。

6.镁基阻尼合金分类

阻尼镁合金一般有镁基二元阻尼合金，镁基三元阻尼合金以及镁基多元阻尼合金。Mg-Zr系合金是使用范围最广的阻尼合金，锆在镁合金中的溶解度较小而且是最有效的晶粒细化剂，可使界面阻尼增加，所以Mg-Zr合金具高阻尼、高力学性能的特点，当Zr的量低于0.1%时，阻尼性能随着Zr含量的增加而减小；含Zr量在0.1%-0.45%之间时，阻尼性能随Zr含量增加而增加，Mg-Zr合金力学性能随Zr含量增加而改善。其中Mg-0.6%Zr合金由于良好的力学性能，铸造性能，细小的晶粒度，高的液态流动性和塑性，又有良好的阻尼性能得到了广泛应用。在Mg-0.5%Zr加入适量的Zn、Mn、Cd、Y、Nd等能够满足力学性能和阻尼性能。Ni元素能够大幅度提高镁的力学性能，加入量为0.1%-0.2%后能有效提高镁的阻尼性能，在质量分数为13%时合金的阻尼性能最优，并且大大改善了力学性能，因此开发出了Mg-13%Ni系阻尼镁合金。但是该合金密度高且耐蚀性能差，没能得到进一步的应用。Mg-Cu-Mn系合金是近年来开发出来的新型高强度高阻尼镁合金，被认为是镁系减震合金中强度和减振性最佳的合金，而且具有优良的铸造性，耐蚀性和切削性。MCM合金已经运用在了节能汽车发动机部件、电脑外壳等。

7.阻尼镁合金材料未来的发展方向

一般说来,阻尼性能和力学性能是相互矛盾的，提高阻尼性能往往意味着牺牲力学性能。而高阻尼合金作为结构功能一体化的新材料，能否在实际中应用取决于材料的阻尼性能与力学性能的综合。成分的选择存在分歧，研究多组元合金是发展方向，但是满足同时提高阻尼性能和力学性能的金属元素还没有统一的结论，合金元素与阻尼机制的关系还需研究。目前，高阻尼镁合金的研究重点之一是通过多元合金化成分设计引入新的阻尼机制通过引入新的阻尼机制或通过多阻尼机制的叠加，获得兼具高阻尼、高强度的结构功能一体化材料，将是未来高阻尼镁合金材料的重要方向。

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