镁基金属材料阻尼应变响应机制研究

发布时间：2020-04-19 23:59

【摘要】：随着现代科学技术的发展,振动、冲击和噪声的控制日益成为一个复杂而迫切需要解决的问题,即对减振降噪阻尼材料的开发和研究对社会发展和人身健康具有重要意义。金属材料中镁具有较好的阻尼性能,通过对金属内部结构分析,建立相应点缺陷和线缺陷模型,并根据此机理推测出宏观结构和微观界面的介入势必对镁基金属材料产生重要影响。以此为出发点,设计研究了镁基高阻尼金属材料的制备方法,以期为减振降噪阻尼材料的开发和研究提供参考。从宏观结构入手,采用合金搅拌铸造法制备了闭孔多孔镁合金。通过考察孔隙率和孔径与Mg、Al和Sr三种元素质量分数的关系发现,当Sr含量固定在3%、Mg含量从25%增加到55%时,孔隙率和孔径随着Mg含量的增加而变大;Mg含量从55%增加到70%时,孔隙率和孔径随着Mg含量的增加而急剧下降。当Mg含量固定在50%、Sr含量从1%增加到7%时,孔隙率和孔径逐渐增大,当Sr含量大于5%时,孔型发生畸变,且基体脆性增大。通过微观观察和成分分析,可推测成孔机理为:镁合金熔体在空气中浇铸时,化学性质最活泼的Sr首先与空气中的氧发生反应,同时放出大量的热,释放出的热量使熔沸点较低的镁铝锶三元合金发生气化而形成气孔。进一步考察多孔镁合金阻尼性能发现,从室温到70℃过程中,多孔镁合金的阻尼值与温度关系不明显,温度高于70℃后随着温度的升高,阻尼值迅速增大,直至达到峰值急剧下降。同时,阻尼值与振动频率有直接关系,总体上频率越高阻尼值越大。特别值得指出的是[%Mg]=50%、[%Sr]=3%和[%Mg]=50%、[%Sr]=5%两个试样,阻尼值在较低温度和较高温度均较高,且具有较高的阻尼峰值。鉴于开孔通孔多孔镁比闭孔多孔镁有更优越的性能和更广泛的应用,利用超重力法制备了开孔多孔镁,在超重力的作用下氯化钠颗粒在离心过程中被挤压,密度变大,使实际多孔镁样品的孔隙率大于理论计算的孔隙率。通过对不同孔径开孔多孔镁压缩性能进行测试发现,随着孔径的增大相同应变量下的应力减小。通过对不同重力系数下开孔多孔镁压缩性能的测试发现压缩过程中随着重力系数的增大,相同压缩应变量下的压缩应力略有增大。值得特别指出的是,无论是何种孔径和超重力系数,此方法制备的开孔多孔镁的压缩曲线均具有较长的平台区,应变严重滞后于应力,平台区域均呈现出光滑且缓慢上升的趋势,即此多孔镁样品都具有良好的吸能能力和阻尼性能。同时,此法制备的多孔镁在压缩过程中并没有发生脆性崩塌断裂,说明其具有较强韧的金属骨架。为了考察微观界面对镁基金属材料阻尼性能的影响,采用搅拌铸造法制得含有微量氧化物的SiCp/Mg复合材料。通过对其进行显微组织观察和成分分析,发现所制备的SiCp/Mg复合材料基体晶界处分布着附着有氧化物的网状结构,且随着SiCp含量的增加,网状结构增多,分布更加分散。通过对其阻尼性能考察发现,随着频率的增加,阻尼值减小;随着SiCp含量的增加,起始阻尼值增大;随着应变量的增加,阻尼值逐渐增大。SiCp含量为3%和4%时,在应变范围内出现峰值,且SiCp含量为4%时比3%时峰值在应变量较小时出现,越过峰值后,阻尼值逐渐减小,频率越高减小速度越慢。随着温度的升高,阻尼值逐渐增大,并且出现第一个阻尼峰值的温度值随着SiCp含量的增加而降低。在全应变和全温度范围内所有试样均表现出较高的阻尼值。同时,样品的G-L线表现出有一小段应变振幅变化范围内为直线,其它部分为曲线,即材料内部产生阻尼的机制一部分为位错阻尼机制,另一部分为界面滑移阻尼机制。镁基复合材料多采用实心的颗粒、纤维、晶须等添加相,为了制备具有空心结构为添加相的镁基复合材料,以空心粉煤灰漂珠为添加相,利用超重力法制备了原位生成具有完好球面Mg_2Si-MgO生成相的镁基复合材料。对试样进行显微组织观察及成分分析发现,Mg基体内既有球面的Mg_2Si-MgO相,又分散着极少量的碎裂细小的Mg_2Si-MgO相。对其阻尼特性进行考察发现,随着应变量的增大,阻尼值迅速增大,达到最大值后略微有下降趋势;随着温度的增大阻尼值逐渐增大。基体内Mg_2Si-MgO的球面结构的影响,使全应变和全温度范围内试样均表现有较高的阻尼值。通过绘制试样的G-L线可以发现此镁基金属材料的阻尼机制也是位错阻尼机制与界面阻尼机制共同存在。
【图文】：

示意图,滞迟回线,应力应变,椭圆形

镁基金属材料阻尼应变响应机制研究力，N；变；以看出，在弹性变形过程中应变与应力成正比例关系果施加应力为周期性变化时，应力应变相位相同[4程为理想弹性，但实际上应力与应变之间难以满足非理想弹性。在非理想弹性变形过程中会产生阻尼分为滞弹性和粘弹性。滞弹性是与时间有关的弹性线性关系）和非线性滞弹性（应力应变为非线性关应力作用时，材料既表现出弹性又表现出粘性。因线性滞弹性阻尼或粘弹性阻尼[5]，应力应变椭圆形示。

周期应力,应力-应变关系,正切,存储模量

图 1.2 在周期应力作用下的应力-应变关系Figure 1.2 Stress-strain relationship under cyclic stress定义[8-10]：(cossin)00 eEiia E " E' iE" E'(1 i )尼材料的损耗正切（损耗因子或阻尼系数）。的阻尼性能时，，常采用损耗正切来表示振动过程中一个周期内损耗模量与存储模量的比值即为损耗正 tan " E
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】