Zn含量對(duì)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金顯微組織、力學(xué)和阻尼性能的影響

宋鵬飛，王敬豐,，周小蒽，梁 浩,，潘復(fù)生,

(1. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；2. 重慶大學(xué) 國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400044；3. 中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽(yáng) 621900)

Zn含量對(duì)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金顯微組織、力學(xué)和阻尼性能的影響

宋鵬飛1，王敬豐1,2，周小蒽1，梁 浩1,3，潘復(fù)生1,2

(1. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；2. 重慶大學(xué) 國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400044；3. 中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽(yáng) 621900)

采用掃描電子顯微鏡、能譜分析儀、X射線衍射儀和動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀等研究Zn含量對(duì)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr(x=0.6, 1.6, 2.6, 3.6，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金顯微組織、力學(xué)和阻尼性能的影響。結(jié)果表明：鑄態(tài)下，Mg-10Gd-6Y-0.6Zn-0.6Zr合金中第二相主要為Mg5(Gd, Y, Zn)，在Mg基體中，由晶界處向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)出大量層狀相；隨Zn含量的增加，Mg5(Gd, Y, Zn)相減少，Mg12Zn(Y, Gd)相增多；當(dāng)Zn含量達(dá)到3.6%時(shí)，第二相主要以Mg12Zn(Y, Gd)相存在，Mg基體中的層狀相幾乎消失。對(duì)于擠壓態(tài)的Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-0.6Zr合金，其基體中呈現(xiàn)大量扭曲的層狀相，合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到400 MPa，隨著Zn含量的增加，合金強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但塑性得到改善。鑄態(tài)合金的阻尼性能隨Zn含量的增加先下降后上升，采用Granato-Lücke(G-L)理論和G-L圖對(duì)合金阻尼性能進(jìn)行了分析和討論。

Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金；析出相；力學(xué)性能；阻尼性能；Granato-Lücke理論

近年來(lái)，鎂合金作為密度最低的商用金屬結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和較優(yōu)的阻尼性能，可顯著降低車(chē)輛能耗、改善車(chē)輛結(jié)構(gòu)、吸收振動(dòng)和噪聲，因而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1?4]。而含Gd和Y等稀土元素的鎂合金，因其優(yōu)異的力學(xué)性能、高溫抗蠕變性能及顯著的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，在航空、航天和民用交通工具等制造領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景[5?8]。LIANG等[9]對(duì)Mg-7Gd-3Y-0.4Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金進(jìn)行了200 ℃時(shí)效，早期的時(shí)效硬化主要來(lái)自于β"相的析出，30 h時(shí)β″相和β′相的共存加速了時(shí)效硬化效果，120 h時(shí)達(dá)到時(shí)效峰，β″相已完全轉(zhuǎn)化為β′相，可見(jiàn)，β′相成為了峰時(shí)效的主要貢獻(xiàn)者。HE等[10]認(rèn)為擠壓態(tài)Mg-10Gd-2Y-0.5Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金的峰時(shí)效同樣源于β′相的大量析出，且其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到403 MPa、311 MPa 和15.3%。HONMA等[11]研究了含Zn的Mg-2.0Gd-1.2Y-1.0Zn-0.2Zr(摩爾分?jǐn)?shù)，%)合金的時(shí)效硬化行為，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，除β″和β′相外，β1相和連續(xù)的14H型LPSO結(jié)構(gòu)相也相繼析出。在含Zn的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中出現(xiàn)的LPSO相可降低系統(tǒng)總能量，激活基面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的塑性。結(jié)合β″和β′相的析出強(qiáng)化效果，Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金具有成為高強(qiáng)韌鎂合金的巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，針對(duì)Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的研究主要集中在時(shí)效過(guò)程中的析出序列、析出相結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)化效果方面。然而，該體系合金的主要相組成和相形貌對(duì)其力學(xué)性能和阻尼性能的影響還未深入探討。本文作者研究通過(guò)添加不同含量的Zn，以得到不同相組成的Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr系列合金，并探討不同相組成及形貌對(duì)該系列合金對(duì)力學(xué)和阻尼性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr系列合金由99.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))純鎂、99.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))純鋅、Mg-30Gd中間合金、Mg-30Zr中間合金和Mg-25Y中間合金，在氬氣保護(hù)的高頻感應(yīng)爐中熔煉，自然冷卻制得，其實(shí)際成分如表1所列。首先對(duì)d80 mm鑄錠進(jìn)行固溶處理，工藝為500 ℃，10 h，隨后，在2 500 t的LXJ臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為450～480 ℃，擠壓比為28.2。

物相分析在Rigaku D/MAX2500PC型X射線衍射儀器上進(jìn)行，采用銅靶材，掃描角度為10°～80°，掃描速度為2(°)/min。采用TESCAN 公司生產(chǎn)的VEGAⅡLMU 可變真空SEM及EDS進(jìn)行組織形貌掃描及化合物成分分析。拉伸實(shí)驗(yàn)在新三思CMT?5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為3 mm/min。阻尼性能測(cè)試在TAQ800 DMA動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀上進(jìn)行，樣品尺寸為40 mm×5 mm×1 mm，測(cè)試頻率：f=1 Hz，測(cè)試方式：?jiǎn)螒冶哿骸?shí)驗(yàn)測(cè)量了其在室溫下隨應(yīng)變振幅變化(4×10?5～ 8×10?3)的阻尼性能。

表1 Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys

2 結(jié)果及討論

2.1 Zn含量對(duì)鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金相組成及顯微組織的影響

通過(guò)圖1中鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的XRD譜和先前的相關(guān)研究[9,12?14]確定，合金Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的相組成均為 Mg基體、Mg5(Gd, Y, Zn) 、Mg12Zn(Y, Gd)和Mg24(Y, Gd, Zn)5相。但隨著Zn含量的增加，Mg5(Gd, Y, Zn)和 Mg24(Y, Gd, Zn)5相逐漸減少, 而Mg12Zn(Y, Gd)相不斷增多。當(dāng)Zn含量為3.6%時(shí)(合金Ⅳ)，Mg5(Gd, Y, Zn)和 Mg24(Y, Gd, Zn)5相已經(jīng)完全被Mg12Zn (Y, Gd)相取代。

圖1 鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的XRD譜Fig. 1 XRD patterns of as-cast Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys

圖2所示為鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的SEM像。由圖2可知，合金Ⅰ的晶粒較大，亮白相相對(duì)較少，在Mg基體中，由晶界處向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)出大量層狀相；合金Ⅱ晶粒略小，亮白相也相對(duì)較少，其中析出了部分層狀的灰暗相，在Mg基體內(nèi)同樣存在大量層狀相；合金Ⅲ的晶粒明顯減小，而灰暗相明顯增多和粗化，亮白相進(jìn)一步減少，Mg基體內(nèi)的層狀相大幅減少；但在合金Ⅳ中，灰暗相幾乎全部取代了亮白相，而Mg基體內(nèi)的層狀相也幾乎消失。

圖3和表2所示分別為Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr鑄態(tài)合金中各主要相的EDS檢測(cè)位置及其檢測(cè)結(jié)果。由圖3和表2可知，隨著Zn含量的增加，Mg基體中固溶的Gd、Y和Zn元素含量呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，可見(jiàn)，Zn含量的增加促進(jìn)了含Zn第二相的形成及Mg基體中部分固溶原子的脫溶析出。

在合金Ⅰ和Ⅱ的Mg基體中，不同晶粒內(nèi)的層狀相生長(zhǎng)方向各不相同，可見(jiàn)，該相的生長(zhǎng)具有特定的晶體學(xué)取向。YAMASAKI等[15]在Mg96.5Zn1Gd2.5(摩爾分?jǐn)?shù)，%)合金中檢測(cè)出類(lèi)似的層狀相包含2H和LPSO結(jié)構(gòu)，其平均化學(xué)成分為Mg-(0.2±0.1)%Zn-(1.4±0.1)%Gd(摩爾分?jǐn)?shù))和Mg-(11±1.0)%Zn-(8±1.0)% Gd(摩爾分?jǐn)?shù))。ZHANG等[16]研究了凝固冷卻速率對(duì)Mg-10Gd-3Y-1.8Zn-0.4Zr (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金中相組成的影響，發(fā)現(xiàn)在0.1 K/s的冷卻速率下，晶界處已出現(xiàn)該層狀相，隨著冷卻速率的減小，如0.01 K/s的冷卻速率下，該層狀相大量析出，當(dāng)冷卻速率降至 0.005 K/s時(shí)，該層狀相幾乎貫穿整個(gè)晶粒，其結(jié)構(gòu)被認(rèn)定為14H型的LPSO結(jié)構(gòu)(a=0.337 0 nm,c=3.578 9 nm)。而本研究的GWZ106系列合金是在自然條件下冷卻，凝固冷卻速率接近0.01 K/s，合金中層狀相呈相似的析出形貌。所以，推測(cè)該層狀相為在自冷卻過(guò)程中由Mg基體中的堆垛層錯(cuò)轉(zhuǎn)變而來(lái)的針狀LPSO相。

圖2 鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的SEM像Fig. 2 SEM images of as-cast Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys: (a) Alloy Ⅰ; (b) Alloy Ⅱ; (c) Alloy Ⅲ; (d) Alloy Ⅳ

圖3 鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金中各主要相的EDS檢測(cè)點(diǎn)Fig. 3 EDS test points of main phases in as-cast Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys: (a) AlloyⅠ; (b) AlloyⅡ; (c) Alloy Ⅲ; (d) Alloy Ⅳ

表2 鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金中各主要相的EDS分析結(jié)果Table 2 EDS analysis results for main phases in as-cast Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys

Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金中的亮白相含有較多的Gd、Y和少量的Zn，元素Mg與Gd、Y和Zn的質(zhì)量比m(Mg)/[m(Gd)+m(Y)+m(Zn)]為5.53。現(xiàn)有研究表明，在高Y低Gd的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中，主要第二相為Mg24(Y, Gd, Zn)5相[17?19]，而在高Gd低Y的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中，主要第二相為Mg5(Gd, Y, Zn)相[9,13?14]。此外，GUO等[20]對(duì)Mg-Gd-Y系合金進(jìn)行的相圖計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，Mg-12Gd- 4Y-0.6Zr合金在凝固過(guò)程中，Mg5(Gd, Y)相作為主要第二相首先在556 ℃析出，當(dāng)溫度降至342 ℃以下后，少量的Mg24(Y, Gd)5相才得以析出，室溫下合金的主要相組成為79.56%α-Mg、12.86% Mg5(Gd, Y)、7.45% Mg24(Y, Gd)5和0.184 8% Zr。結(jié)合EDS檢測(cè)結(jié)果和圖1中XRD譜可以推斷，Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金中的亮白相主要為Mg5(Gd, Y, Zn)相。

在4種合金中，合金Ⅰ只有亮白相，隨著Zn的進(jìn)一步增加，合金Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ才出現(xiàn)灰暗相。ZHANG等[16]在0.005～5 K/s的凝固冷卻速率下制得Mg-10Gd-3Y-1.8Zn-0.4Zr (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金的晶界處均發(fā)現(xiàn)有Mg12Zn(Y, Gd)相存在。而本合金體系的灰暗相中 Zn含量較高，m(Mg)/[m(Gd)+m(Y)+m(Zn)]為7.33，與Mg12Zn(Y, Gd)的合金元素比值較為接近，結(jié)合XRD譜可以推斷該灰暗相為Mg12Zn(Y, Gd)相。

可見(jiàn)，LPSO結(jié)構(gòu)的Mg12Zn(Y,Gd)相的形成需要充足Zn原子作為較小的間隙原子嵌入由RE原子引起的晶格畸變空隙中，RE和Zn原子的周期性有序堆垛，形成了LPSO結(jié)構(gòu)。ITOT等[21]的研究結(jié)果表明，Mg-Zn-Y合金中14H LPSO結(jié)構(gòu)的近似化學(xué)成分為Mg-7%Zn-6%Y(摩爾分?jǐn)?shù))，其n(Zn)/n(Y)為1.17:1，在Mg96.5Zn1Gd2.5合金中，14H LPSO結(jié)構(gòu)的近似化學(xué)成分為Mg-(11±1.0)%Zn-(8±1.0)%Gd(摩爾分?jǐn)?shù))[22]，其n(Zn)/n(Gd)為1.38:1，而本合金中灰暗相的近似化學(xué)成分為Mg-(4.5±0.5)%Zn-(4.5±0.2)%Y-(3.0±1.0)% Gd (摩爾分?jǐn)?shù))，其中，n(Zn)/n(Y)和n(Zn)/n(Gd)分別約為1:1和1.45:1?？梢?jiàn)，該灰暗相同時(shí)保留了Mg-Zn-Gd和Mg-Zn-Y合金中14H型LPSO結(jié)構(gòu)的n(Zn)/n(RE)，由此推測(cè)，該灰暗相可能同樣保留著Mg-Zn-Gd和Mg-Zn-Y合金中各自14H型LPSO結(jié)構(gòu)的Zn/RE原子堆垛序列。

2.2 Zn含量對(duì)擠壓態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金顯微組織的影響

圖4 擠壓態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的SEM像Fig. 4 SEM images of as-extruded Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys: (a) AlloyⅠ; (b) Alloy Ⅱ; (c) Alloy Ⅲ; (d) Alloy Ⅳ

圖4所示為擠壓態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的SEM像。由圖4可見(jiàn)，合金Ⅰ中的Mg5(Gd, Y, Zn)相主要以細(xì)長(zhǎng)的流線狀沿晶界分布，平行生長(zhǎng)的層狀相由于擠壓而發(fā)生了扭曲，數(shù)量較鑄態(tài)時(shí)有所增加。合金Ⅱ中由于Zn含量的增加，Mg5(Gd, Y, Zn)相和Mg12Zn (Y, Gd)相混雜在一起，且第二相的相貌除了流線狀外，還呈現(xiàn)出較多的塊狀。此外，與鑄態(tài)相比，合金Ⅱ中的層狀相的數(shù)量增幅更加明顯，分布更加密集，扭曲的層狀相幾乎覆蓋了整個(gè)Mg基體。而隨著Zn含量的進(jìn)一步增加，合金Ⅲ和Ⅳ中的Mg12Zn(Y, Gd)相數(shù)量逐漸增多，主要以大小不同的塊狀分布，而層狀相大幅減少，合金Ⅳ中已幾乎無(wú)層狀相。

圖5和表3所示分別為擠壓態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金中各主要相的EDS檢測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)結(jié)果。對(duì)比表2和表3中Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的EDS結(jié)果可見(jiàn)，擠壓態(tài)與鑄態(tài)相比，合金Ⅰ和Ⅱ的層狀相明顯增多，而合金Ⅲ和Ⅳ鑄態(tài)中僅存的少量層狀相在擠壓后數(shù)量進(jìn)一步減少?？梢?jiàn)，擠壓前的固溶處理和熱擠壓促使低Zn含量合金中層狀相的進(jìn)一步析出和高Zn含量合金中層狀相的分解，所以，表2和3中Mg基體的EDS對(duì)比結(jié)果表明，合金Ⅲ和Ⅳ基體中固溶原子的含量有所增加。

在合金Ⅲ和Ⅳ鑄態(tài)中僅存的少量Mg5(Gd, Y, Zn)相在擠壓態(tài)下已幾乎觀察不到，可見(jiàn)，高Zn含量的合金Ⅲ和Ⅳ經(jīng)固溶和擠壓后，低Zn含量的Mg5(Gd, Y, Zn)相分解為高Zn含量的Mg12Zn(Y, Gd)相。此外，灰暗相Mg12Zn(Y, Gd)的EDS結(jié)果并無(wú)顯著的變化，表現(xiàn)為Mg12Zn(Y,Gd)相在Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金體系中具有穩(wěn)定的化學(xué)成分和熱穩(wěn)定性。

2.3 Zn含量對(duì)擠壓態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金力學(xué)性能的影響

圖6所示為擠壓態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖6可見(jiàn)，低Zn含量的合金Ⅰ已具有較高的抗拉強(qiáng)度(389 MPa)，當(dāng)Zn含量達(dá)到1.6%時(shí)，合金Ⅱ的強(qiáng)度達(dá)到400 MPa，伸長(zhǎng)率也有小幅增加。隨Zn含量的進(jìn)一步增加，Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但合金的伸長(zhǎng)率不斷增大，分別為2.7%、3.2%、3.9%和6.4%，合金的塑性得到了改善。

圖5 擠壓態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金中各主要相的EDS檢測(cè)點(diǎn)Fig. 5 EDS test points of main phases in as-extruded Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys: (a) Alloy Ⅰ; (b) Alloy Ⅱ; (c) Alloy Ⅲ; (d) Alloy Ⅳ

表3 Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr擠壓態(tài)合金中各主要相的EDS分析結(jié)果Table 3 EDS analysis results for main phases in as-extruded Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys

圖6 擠壓態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig. 6 Tensile stress—strain curves of as-extruded Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys

由顯微組織觀察結(jié)果可知，合金Ⅰ中晶界處析出的第二相較少，其對(duì)合金Mg基體晶粒的割裂作用較小，且Mg基體中已有較多的層狀相析出，可起到顯著的強(qiáng)化作用。而合金Ⅱ中第二相較多地以LPSO結(jié)構(gòu)的Mg12Zn(Y, Gd)相存在，且基體中大量的層狀相幾乎布滿(mǎn)整個(gè)Mg基體，強(qiáng)化效果更加顯著。但是，隨著Zn含量的進(jìn)一步增加，雖然合金Ⅲ和Ⅳ晶界處的第二相幾乎全部以Mg12Zn(Y, Gd)相存在，但Mg基體中的層狀相大幅減少，強(qiáng)化作用已不再體現(xiàn)，強(qiáng)度因而大幅下降。但由于合金Ⅳ中Mg12Zn(Y, Gd)相的體積增大，合金Ⅳ的晶粒長(zhǎng)大受到限制，所以，合金Ⅳ中的晶粒尺寸較小。小尺寸晶粒在變形過(guò)程中可產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)以協(xié)調(diào)變形的不均勻性，減小局部的應(yīng)力集中。另一方面，由于LPSO結(jié)構(gòu)的Mg12Zn(Y, Gd)相與Mg基體存在共格的相間界面，延緩了裂紋萌生和擴(kuò)展，從而呈現(xiàn)較好的塑性和韌性。

2.4 Zn含量對(duì)鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金阻尼性能的影響

圖7 鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的阻尼—應(yīng)變振幅曲線Fig. 7 Damping—strain (Q?1—ε)amplitude curves of as-cast Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys

圖7所示為鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的阻尼—應(yīng)變振幅曲線。由圖7可知：4種合金的臨界應(yīng)變振幅較大，在8×10?4左右；4種合金在小應(yīng)變振幅下的阻尼(Q?1)幾乎是一致的，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到臨界應(yīng)變振幅后，Q?1值超過(guò)了0.01；在大應(yīng)變振幅下，合金Ⅱ的阻尼相對(duì)合金Ⅰ先是有所降低，隨后合金Ⅲ又回升至合金Ⅰ的水平，隨著Zn含量的進(jìn)一步增加，合金Ⅳ的阻尼性能明顯超過(guò)了合金Ⅰ的阻尼性能。

鎂合金室溫下的阻尼機(jī)制主要是位錯(cuò)阻尼機(jī)制，因此，可對(duì)室溫下幾種合金的阻尼性能進(jìn)行G-L理論分析。根據(jù)G-L位錯(cuò)釘扎模型，低溫下鎂合金的阻尼是由可動(dòng)位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用產(chǎn)生的。晶體中位錯(cuò)除了被一些不可動(dòng)的點(diǎn)缺陷(一般為位錯(cuò)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)或沉淀粒子，稱(chēng)為“強(qiáng)釘”) 釘扎外，還被一些可以開(kāi)脫的點(diǎn)缺陷(如雜質(zhì)原子、空位等，稱(chēng)為“弱釘”)釘扎。在小應(yīng)變振幅下，位錯(cuò)在釘扎點(diǎn)被釘扎住，隨著較小的交變應(yīng)力，僅在弱釘點(diǎn)之間“弓出”作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而引起較小的內(nèi)耗。在大應(yīng)變振幅下，當(dāng)外加應(yīng)力增加到脫釘應(yīng)力時(shí)，位錯(cuò)在弱釘扎點(diǎn)處開(kāi)脫而發(fā)生“雪崩式”的脫釘過(guò)程，但當(dāng)應(yīng)力撤去時(shí)，位錯(cuò)段作彈性收縮，最后被重新釘扎住。在脫釘與縮回的過(guò)程中，產(chǎn)生了靜滯后內(nèi)耗，可用式(1)表示[23]：

圖8 鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的G-L圖Fig. 8 G-L plots of as-cast Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys

3 結(jié)論

1) 鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-0.6Zn-0.6Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金中第二相主要為Mg5(Gd, Y, Zn)，在Mg基體中，由晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)出大量LPSO結(jié)構(gòu)的層狀相；當(dāng)Zn含量增至1.6%時(shí)，合金中出現(xiàn)Mg12Zn(Y, Gd)相，Mg基體中的層狀相大幅增加，幾乎覆蓋整個(gè)Mg基體。當(dāng)Zn含量達(dá)到2.6%時(shí)，Mg5(Gd, Y, Zn) 相和層狀相大幅減少；當(dāng)Zn含量達(dá)到3.6%時(shí)，Mg5(Gd, Y, Zn)相進(jìn)一步減少，層狀相幾乎消失，第二相主要以Mg12Zn (Y, Gd)相存在。

2) 對(duì)于擠壓態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金，當(dāng)Zn含量為1.6%時(shí)，其基體中出現(xiàn)大量扭曲的層狀相，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到400 MPa。隨著Zn含量的增加，合金強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，塑性卻得到改善，含3.6% Zn合金的伸長(zhǎng)率比含1.6% Zn的合金提高了1倍。

3) 隨著Zn含量的增加，鑄態(tài)Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr合金的阻尼性能呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢(shì)。

REFERENCES

[1]劉楚明, 紀(jì)仁峰, 周海濤, 陳明安. 鎂及鎂合金阻尼特性的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2005, 15(9): 1319?1325. LIU Chu-ming, JI Ren-feng, ZHOU Hai-tao, CHEN Ming-an. Research and development progress of damping capacity of magnesium and magnesium alloys [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(9): 1319?1325.

[2]WAN Di-qing, WANG Jin-cheng, YANG Gen-cang. A study ofthe effect of Y on the mechanical properties, damping properties of high damping Mg-0.6%Zr based alloys [J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 517: 114?117.

[3]王敬豐, 高 珊, 潘復(fù)生, 湯愛(ài)濤, 丁培道. 加工工藝對(duì)ZK60 鎂合金力學(xué)性能和阻尼性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2009, 19(5): 821?825. WANG Jing-feng, GAO Shan, PAN Fu-sheng, TANG Ai-tao, DING Pei-dao. Influence of process technology on mechanical and damping properties of ZK60 magnesium alloys [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2009, 19(5): 821?825.

[4]TSAI Ming-Hung, CHEN May-show, LIN Ling-hung, LIN Ming-hong, WU Ching-zong, OU Keng-liang, YU Chih-hua. Effect of heat treatment on the microstructures and damping properties of biomedical Mg-Zr alloy [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509: 813?819.

[5]劉楚明, 李冰峰, 王 榮, 李慧中, 陳志永. 二次擠壓對(duì)Mg-12Gd-3Y-0.6Zr 合金顯微組織及力學(xué)性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(2): 171?176. LIU Chu-ming, LI Bing-feng, WANG Rong, LI Hui-zhong, CHEN Zhi-yong. Effect of double-extrusion on microstructure and mechanical properties of Mg-12Gd-3Y-0.6Zr alloy [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(2): 171?176.

[6]SCHUMANN S, FRIEDRICH H. Current and future use of magnesium in the automotive industry [J]. Materials Science Forum, 2003, 51: 419?422.

[7]張 磊, 董選普, 李繼強(qiáng), 王愛(ài)華, 羅 可, 樊自田. Mg-15Gd-3Y 擠壓合金的時(shí)效強(qiáng)化[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(4): 599?605. ZHANG Lei, DONG Xuan-pu, LI Ji-qiang, WANG Ai-hua, LUO Ke, FAN Zi-tian1. Aging strengthening of squeezed Mg-15Gd-3Y alloy [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(4): 599?605.

[8]ROKHLIN L L. Magnesium alloys containing rare earth Metals [R]. London: Taylorand Francis, 2003.

[9]LIANG Shu-quan, GUAN Di-kai, CHEN Liang, GAO Zhao-he, TANG Hui-xiang, TONG Xu-ting, XIAO Rui. Precipitation and its effect on age-hardening behavior of as-cast Mg-Gd-Y alloy [J]. Materials and Design, 2011, 32: 361?364.

[10]HE S M, ZENG X Q, PENG L M, GAO X, NIE J F, DING W J. Microstructure and strengthening mechanism of high strength Mg-10Gd-2Y-0.5Zr alloy [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2007, 427: 316?323.

[11]HONMA T, OHKUBO T, KAMADO S, HONO K. Effect of Zn additions on the age-hardening of Mg-2.0Gd-1.2Y-0.2Zr alloys [J]. Acta Materialia, 2007, 55: 4137?4150.

[12]LI D J, ZENG X Q, DONG J, ZHAI C Q, DING W J. Microstructure evolution of Mg-10Gd-3Y-1.2Zn-0.4Zr alloy during heat-treatment at 773 K [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 468: 164?169.

[13]WANG Jun, MENG Jian, ZHANG De-ping, TANG Ding-xiang. Effect of Y for enhanced age hardening response and mechanical properties of Mg-Gd-Y-Zr alloys [J]. Materials Science and Engineering A, 2007, 456: 78?84.

[14]LIU X B, CHEN R S, HAN E H. Effects of ageing treatment on microstructures and properties of Mg-Gd-Y-Zr alloys with and without Zn additions [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2008, 465: 232?238.

[15]YAMASAKI M, ANAN T, YOSHIMOTO S, KAWAMURA Y. Mechanical properties of warm-extruded Mg-Zn-Gd alloy with coherent 14H long periodic stacking ordered structure precipitate [J]. Scripta Materialia, 2005, 53: 799?803.

[16]ZHANG S, YUAN G Y, LU C, DING W J. The relationship between (Mg,Zn)3RE phase and 14H-LPSO phase in Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys solidified at different cooling rates [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509: 3515?3521.

[17]GAO Yan, WANG Qu-dong, GU Jin-hai, ZHAO Yang, TONG Yan, YIN Dong-di. Comparison of microstructure in Mg-10Y-5Gd-0.5Zr and Mg-10Y-5Gd-2Zn-0.5Zr alloys by conventional casting [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 477: 374?378.

[18]LIU Ke, ZHANG Jing-huai, SU Gui-hua, TANG Ding-xiang, ROKHLIN L L, ELKIN F M, MENG Jian. Influence of Zn content on the microstructure and mechanical properties of extruded Mg-5Y-4Gd-0.4Zr alloy [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 481: 811?818.

[19]LIU Ke, ROKHLIN L L, ELKIN F M, TANG Ding-xiang, MENG Jian. Effect of ageing treatment on the microstructures and mechanical properties of the extruded Mg-7Y-4Gd-1.5Zn-0.4Zr alloy [J]. Materials Science and Engineering A, 2010, 527: 828? 834.

[20]GUO Yong-chun, LI Jian-ping, LI Jin-shan, YANG Zhong, ZHAO Juan, XIA Feng, LIANG Min-xian. Mg-Gd-Y system phase diagram calculation and experimental clarification [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2008, 450: 446?451.

[21]ITOI T, SEIMIYA T, KAWAMURA Y, HIROHASHI M. Long period stacking structures observed in Mg97Zn1Y2alloy [J]. Scripta Materialia, 2004, 51: 107?111.

[22]YAMASAKI M, ANAN T, YOSHIMOTO S, KAWAMURA Y. Mechanical properties of warm-extruded Mg-Zn-Gd alloy with coherent 14H long periodic stacking ordered structure precipitate [J]. Scripta Materialia, 2005, 53: 799?803.

[23]GRANATO A, LüCKE K. Theory of mechanical damping due to dislocations [J]. Journal of Applied Physics, 1956, 27: 789?809.

(編輯 陳衛(wèi)萍)

Effects of Zn content on microstructure, mechanical properties and damping capacities of Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys

SONG Peng-fei1, WANG Jing-feng1,2, ZHOU Xiao-en1, LIANG Hao1,3, PAN Fu-sheng1,2
(1. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 3. Institute of System Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

SEM, EDS, XRD and DMA (dynamic mechanical analysis) techniques were applied to investigating the effect of Zn content on microstructure, mechanical properties and damping capacities of Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys (x=0.6, 1.6, 2.6, 3.6, mass fraction, %). The results show that the major second phase in the as-cast Mg-10Gd-6Y-0.6Zn-0.6Zr alloy is Mg5(Gd, Y, Zn). Besides, a mass of lamellar phases grow parallelly with each other from the grain boundary to the grain interior. With the increase of Zn content, Mg5(Gd, Y, Zn) phase decreases and Mg12Zn(Y, Gd) increases continuously. When the Zn content is 3.6%, Mg12Zn(Y, Gd) exists as the major second phase, and the lamellar phases almost disappear. The numerous distorted lamellar phases precipitate in the grain interior of the as-extruded Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-0.6Zr alloy, whose tensile strength reaches 400 MPa. And with the increase of Zn content, the strength of the alloy decreases while the ductility is improved. Finally, the damping capacities of the as-cast Mg-10Gd-6Y-xZn-0.6Zr alloys decrease firstly and increase afterwards, which were analyzed and discussed in terms of the Granato-Lücke (G-L) theories and G-L plots.

Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy; precipitate; mechanical property; damping capacity; Granato-Lücke theory

TG146.1+2

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51271206)；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAE22B04)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-11-0054)

2011-05-11；

2011-12-12

王敬豐，教授，博士；電話：023-65102206；E-mail: jfwang@cqu.edu.cn

1004-0609(2012)09-2430-09