搅拌摩擦加工对az31镁合金组织与阻尼性能的影响
摘 要摘 要高阻尼材料的发展与应用是控制噪声与振动的有效途径之一。镁合金是具有较高比强度、比弹性模量和阻尼性能的最轻的结构材料。纯镁具有较好的阻尼性能，但其力学性能较差。因此，通过合金元素的添加和塑形变形是制备高强高阻尼镁合金的有效途径。本文试样为厚度为4mm的AZ31镁合金条带。选取搅拌加工的次数为变量，研究了搅拌加工次数对AZ31镁合金的显微组织，力学性能和阻尼性能的影响。试验结果表明，搅拌摩擦加工使AZ31镁合金条带的组织更为均匀，其中晶粒最为细小的区域为搅拌摩擦加工区域，原因在于这个区域的晶粒被完全再结晶。不同的加工道次对微观组织的影响有所不同，主要表现在热—机械影响区，该区域与搅拌摩擦区最近，随着加工次数的增加该区域逐渐转化为搅拌磨擦区，晶粒越来越小。 随着加工次数的增加，P1峰激活能呈现向上升后下降的趋势，而高温背底扩散激活能H则是先上升后趋于平稳，主要原因在于这组织中随着加工道次增加，再结晶不完全，组织中仍存在大量的变形组织，当加工道次达到3道次以后，再结晶完全。随着加工道次的增加，C2值总体上呈上升趋势，这也说明了弱钉扎点之间的距离随着轧制道次增加而下降。 C1/C22 则呈现明显的上升趋势，随着轧制道次的增加，位错密度增加，强钉扎点之间距离增加。关键词：AZ31镁合金；搅拌摩擦加工；阻尼性能；显微组织；力学性能目 录
第一章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 镁合金的基本特点 1
1.3 镁合金的组织性能 1
1.3.1 镁合金塑形变形 1
1.3.2 镁合金的耐腐蚀性能 3
1.3.3 镁合金的高温性能 3
1.4 镁合金的再结晶 4
1.4.1 镁合金的静态再结晶 4
1.4.2 镁合金的动态再结晶 4
1.5 搅拌摩擦焊及其优点 7
1.5.1 搅拌摩擦焊的焊接特点 7
1.5.2 搅拌摩擦焊的四个微观区域 8
1.6 搅拌摩擦加工技术 8
1.6.1 搅拌摩擦加工原理 8
1.6.2搅拌摩擦技术的研究进展 9
1.7 镁合金的阻尼特性 9
1.7.1 阻尼性能表征 10<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
再结晶 4
1.5 搅拌摩擦焊及其优点 7
1.5.1 搅拌摩擦焊的焊接特点 7
1.5.2 搅拌摩擦焊的四个微观区域 8
1.6 搅拌摩擦加工技术 8
1.6.1 搅拌摩擦加工原理 8
1.6.2搅拌摩擦技术的研究进展 9
1.7 镁合金的阻尼特性 9
1.7.1 阻尼性能表征 10
1.7.2 镁合金的阻尼 11
1.8 本课题选题的意义及研究内容 12
1.8.1 选题意义 12
1.8.2 研究内容 12
第二章 试验方案及研究方法 14
2.1 课题研究思路 14
2.2 试验材料 14
2.3 试验设备 15
2.3.1 动态热机械分析仪 15
2.3.2 搅拌摩擦焊机 15
2.3.3 其他设备 16
2.4 试验方案 16
2.4.1 搅拌摩擦加工轧制道次 16
2.4.2 显微组织观察 16
2.4.3 硬度测试 17
2.4.4 X射线衍射分析测试 17
2.4.5 阻尼性能测试 17
第三章 试验结果及分析 18
3.1 显微组织观察分析 18
3.1.1 原始材料的微观组织特点 18
3.1.2 相同加工道次下各个区域的显微组织特点 18
3.1.3 加工次数对合金微观组织的影响 20
3.2 搅拌磨擦加工对AZ31镁合金硬度的影响 22
3.2.1 加工区域整体硬度趋势 23
3.2.2 加工道次对硬度的影响 23
3.3 搅拌摩擦加工对AZ31镁合金阻尼性能的影响 23
3.3.1加工道次对AZ31镁合金的温度阻尼的影响 23
3.3.2 不同加工道次对AZ31镁合金应变阻尼的影响 27
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪 论
1.1 引言
在生产水平和科技水平发达的今天，大多数的生产中，运用最广的金属材料是钢铁和铝合金，但是我国的铁、铝资源贫乏，可采储量年限均在50年以下[1]。除资源匮乏以外，铁铝及其合金也有其他的缺点，例如钢铁的密度大，消费量大，在其被制成成品的过程中耗能和污染相对较高。铝虽然材质较轻，但其点解过程的耗电量极高，虽然在我国目前资源不足，能源紧缺的环境下，钢铁和铝仍然是最主要的结构材料，但是随着资源紧缺，耗能较大等各种问题的严峻，我们不得不寻找其他的材料逐步进行替代。因此，镁合金受到越来越多研究人员的青睐，与铁铝及其合金相比，镁合金具有密度小，地球储量多，生产环保等特点。
1.2 镁合金的基本特点
镁合金的密度大约在1．75—1．859g／cm3，密度之轻约为钢的23％，铝的64％，是世界上最轻的工程结构材料。镁在地球上的储量可以供人类使用的年限超乎想象。 [23]。但是镁合金也有一些缺点，例如强度低，易腐蚀，高温下蠕变抗力较差等。因此限制了其作为结构材料在工程中得应用，随着对轻质材料的需求，环保等多方面因素的考虑，镁合金的发展与研究逐渐成为研究人员的重点研究对象。镁合金在热处理加工工艺提高的今天优点逐渐加以利用，并逐渐成为钢铁，铝合金等工程材料的替代品。
1.3 镁合金的组织性能
1.3.1 镁合金塑形变形
镁合金的晶体结构为多晶密排六方晶体，变形机制主要是滑移和孪生，柱面滑移和压缩孪晶是镁合金变形过程中重要的变形机制[45]，在300℃轧制的AZ31镁合金薄板有大量的孪晶存在，经过退火处理后孪晶会逐渐消失并形成等轴晶粒[6]。
（1）滑移变形机制。
滑移的本质是位错的运动[78]，镁合金在外力作用下发生塑性变形时，滑移沿着滑移面发生，晶体必须在一定大小的切应力的作用下才能开始进行滑移，镁在不同的滑移面上的切应力与温度有密切关系。在室温条件下，在基面｛0001｝〈110〉产生滑移的临界切应力要比棱柱滑移面产生滑移的临界切应力低一个数量级，因此只有基面滑移产生。但是当温度较高时，只有棱柱滑移面的临界切应力下降，才产生｛0001｝〈110〉滑移[9]。AZ31合金的滑移造成平行且稀疏的平台，在镁基体中的滑移系比较少，所以层错能比较低，因此难以进行交滑移，大多数情况下会产生单系滑移，滑移线平行，为典型的基面滑移（图1.1）。
因为镁是一种密排六方晶体结构，应力对其位错运速率的影响较大，只要应力增大一点，位错运动的速率就会随之大幅度上升，并且位错密度在变形过程中也会随着应变的增加而增殖。如果镁合金在高温条件下进行变形，当滑移过程被阻碍时，位错任然可以通过交滑移运动。所以，当温度较高时，镁合金更容易通过滑移进行塑性变形。
图1.1 MgAlZn 试样抛光表面滑移的形貌
（2）孪生变形机制
前文已经提到，孪生是镁合金除滑移以外的另一种塑性变形。孪生与滑移类似之处在于，孪生也是按照特定的晶体方向和晶面进行切变的。晶体的对称性对镁在变形时是否可以出现孪生有密切的关系。例如在室温条件下，由于镁的对称性较低，滑移系较少，当晶体取向不利于滑移的发生时，孪生就会以另一种塑形变形机制进行变形。孪生对晶体形变的影响与滑移相比只占次要地位，所以孪生对晶体的变形量并不大，一般变形量占总
第一章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 镁合金的基本特点 1
1.3 镁合金的组织性能 1
1.3.1 镁合金塑形变形 1
1.3.2 镁合金的耐腐蚀性能 3
1.3.3 镁合金的高温性能 3
1.4 镁合金的再结晶 4
1.4.1 镁合金的静态再结晶 4
1.4.2 镁合金的动态再结晶 4
1.5 搅拌摩擦焊及其优点 7
1.5.1 搅拌摩擦焊的焊接特点 7
1.5.2 搅拌摩擦焊的四个微观区域 8
1.6 搅拌摩擦加工技术 8
1.6.1 搅拌摩擦加工原理 8
1.6.2搅拌摩擦技术的研究进展 9
1.7 镁合金的阻尼特性 9
1.7.1 阻尼性能表征 10<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
再结晶 4
1.5 搅拌摩擦焊及其优点 7
1.5.1 搅拌摩擦焊的焊接特点 7
1.5.2 搅拌摩擦焊的四个微观区域 8
1.6 搅拌摩擦加工技术 8
1.6.1 搅拌摩擦加工原理 8
1.6.2搅拌摩擦技术的研究进展 9
1.7 镁合金的阻尼特性 9
1.7.1 阻尼性能表征 10
1.7.2 镁合金的阻尼 11
1.8 本课题选题的意义及研究内容 12
1.8.1 选题意义 12
1.8.2 研究内容 12
第二章 试验方案及研究方法 14
2.1 课题研究思路 14
2.2 试验材料 14
2.3 试验设备 15
2.3.1 动态热机械分析仪 15
2.3.2 搅拌摩擦焊机 15
2.3.3 其他设备 16
2.4 试验方案 16
2.4.1 搅拌摩擦加工轧制道次 16
2.4.2 显微组织观察 16
2.4.3 硬度测试 17
2.4.4 X射线衍射分析测试 17
2.4.5 阻尼性能测试 17
第三章 试验结果及分析 18
3.1 显微组织观察分析 18
3.1.1 原始材料的微观组织特点 18
3.1.2 相同加工道次下各个区域的显微组织特点 18
3.1.3 加工次数对合金微观组织的影响 20
3.2 搅拌磨擦加工对AZ31镁合金硬度的影响 22
3.2.1 加工区域整体硬度趋势 23
3.2.2 加工道次对硬度的影响 23
3.3 搅拌摩擦加工对AZ31镁合金阻尼性能的影响 23
3.3.1加工道次对AZ31镁合金的温度阻尼的影响 23
3.3.2 不同加工道次对AZ31镁合金应变阻尼的影响 27
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪 论
1.1 引言
在生产水平和科技水平发达的今天，大多数的生产中，运用最广的金属材料是钢铁和铝合金，但是我国的铁、铝资源贫乏，可采储量年限均在50年以下[1]。除资源匮乏以外，铁铝及其合金也有其他的缺点，例如钢铁的密度大，消费量大，在其被制成成品的过程中耗能和污染相对较高。铝虽然材质较轻，但其点解过程的耗电量极高，虽然在我国目前资源不足，能源紧缺的环境下，钢铁和铝仍然是最主要的结构材料，但是随着资源紧缺，耗能较大等各种问题的严峻，我们不得不寻找其他的材料逐步进行替代。因此，镁合金受到越来越多研究人员的青睐，与铁铝及其合金相比，镁合金具有密度小，地球储量多，生产环保等特点。
1.2 镁合金的基本特点
镁合金的密度大约在1．75—1．859g／cm3，密度之轻约为钢的23％，铝的64％，是世界上最轻的工程结构材料。镁在地球上的储量可以供人类使用的年限超乎想象。 [23]。但是镁合金也有一些缺点，例如强度低，易腐蚀，高温下蠕变抗力较差等。因此限制了其作为结构材料在工程中得应用，随着对轻质材料的需求，环保等多方面因素的考虑，镁合金的发展与研究逐渐成为研究人员的重点研究对象。镁合金在热处理加工工艺提高的今天优点逐渐加以利用，并逐渐成为钢铁，铝合金等工程材料的替代品。
1.3 镁合金的组织性能
1.3.1 镁合金塑形变形
镁合金的晶体结构为多晶密排六方晶体，变形机制主要是滑移和孪生，柱面滑移和压缩孪晶是镁合金变形过程中重要的变形机制[45]，在300℃轧制的AZ31镁合金薄板有大量的孪晶存在，经过退火处理后孪晶会逐渐消失并形成等轴晶粒[6]。
（1）滑移变形机制。
滑移的本质是位错的运动[78]，镁合金在外力作用下发生塑性变形时，滑移沿着滑移面发生，晶体必须在一定大小的切应力的作用下才能开始进行滑移，镁在不同的滑移面上的切应力与温度有密切关系。在室温条件下，在基面｛0001｝〈110〉产生滑移的临界切应力要比棱柱滑移面产生滑移的临界切应力低一个数量级，因此只有基面滑移产生。但是当温度较高时，只有棱柱滑移面的临界切应力下降，才产生｛0001｝〈110〉滑移[9]。AZ31合金的滑移造成平行且稀疏的平台，在镁基体中的滑移系比较少，所以层错能比较低，因此难以进行交滑移，大多数情况下会产生单系滑移，滑移线平行，为典型的基面滑移（图1.1）。
因为镁是一种密排六方晶体结构，应力对其位错运速率的影响较大，只要应力增大一点，位错运动的速率就会随之大幅度上升，并且位错密度在变形过程中也会随着应变的增加而增殖。如果镁合金在高温条件下进行变形，当滑移过程被阻碍时，位错任然可以通过交滑移运动。所以，当温度较高时，镁合金更容易通过滑移进行塑性变形。
图1.1 MgAlZn 试样抛光表面滑移的形貌
（2）孪生变形机制
前文已经提到，孪生是镁合金除滑移以外的另一种塑性变形。孪生与滑移类似之处在于，孪生也是按照特定的晶体方向和晶面进行切变的。晶体的对称性对镁在变形时是否可以出现孪生有密切的关系。例如在室温条件下，由于镁的对称性较低，滑移系较少，当晶体取向不利于滑移的发生时，孪生就会以另一种塑形变形机制进行变形。孪生对晶体形变的影响与滑移相比只占次要地位，所以孪生对晶体的变形量并不大，一般变形量占总
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