Mg-6Gd-3Y-0.5Zr鎂合金和ZL114A鋁合金阻尼性能

孟德浩 李培杰 徐文濤 袁文全 王端志

（1 清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084）

（2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

（3 鄭州大學(xué)，鄭州 450001）

文 摘 航天結(jié)構(gòu)飛行過程中，溫度、應(yīng)變振幅等會(huì)有大幅的變化，為了研究服役環(huán)境對(duì)阻尼的影響，采用DMA 測試儀研究了Mg-6Gd-3Y-0.5Zr鎂合金和ZL114A 鋁合金材料內(nèi)部阻尼隨服役環(huán)境的變化。結(jié)果表明：兩種材料阻尼都隨應(yīng)變振幅的增大而增大，且同樣應(yīng)變振幅下Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 阻尼性能優(yōu)于ZL114A；兩種材料阻尼都隨溫度的升高而增大，Mg-6Gd-3Y-0.5Zr和ZL114A 合金330℃時(shí)阻尼均值分別是30℃時(shí)2.1 倍和1.3 倍，可知Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 合金對(duì)溫升更敏感，當(dāng)結(jié)構(gòu)溫升較大時(shí)，其阻尼應(yīng)作為變量進(jìn)行考慮。

0 引言

由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作及氣動(dòng)噪聲等的影響，航天飛行器結(jié)構(gòu)面臨嚴(yán)重的寬頻帶隨機(jī)振動(dòng)和噪聲環(huán)境［1-2］，可能使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞失效和動(dòng)態(tài)失穩(wěn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，火箭的地面和飛行試驗(yàn)故障約有三分之一與振動(dòng)有關(guān)，而材料的阻尼性能直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性及響應(yīng)。鎂合金具有良好的阻尼減震性能［3］，隨著Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金在航空航天結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，研究其阻尼性能對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和減振設(shè)計(jì)具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鎂合金的阻尼機(jī)理和性能等進(jìn)行了研究，針對(duì)鎂及鎂合金的阻尼機(jī)制，GRANATO 和LüCKE 提出的位錯(cuò)釘扎-脫釘模型（G-L 理論）［4-5］被廣泛接受；文獻(xiàn)［6］研究了添加鎳、鋁、銅和錫等不同元素下應(yīng)變振幅相關(guān)的阻尼性能，并從研制高阻尼合金的角度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋；文獻(xiàn)［7］研究了變形工藝、熱處理、合金元素等對(duì)鎂合金微觀組織、阻尼和微塑變的影響機(jī)制以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，采用動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀（DMA）研究純鎂阻尼性能隨應(yīng)變的變化規(guī)律；文獻(xiàn)［8］以合金元素的含量和線應(yīng)變的應(yīng)變振幅兩個(gè)因素為切入點(diǎn)，研究了鎂合金材料的阻尼特性機(jī)理。目前的研究主要集中于微觀尺度下材料成分、成型工藝、熱處理等對(duì)鎂合金阻尼性能的影響以及如何得到高阻尼鎂合金材料等［9-13］。然而通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)于航天結(jié)構(gòu)中常用的ZL114A 鋁合金和最近幾年逐漸應(yīng)用的Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金的阻尼性能隨服役環(huán)境的變化規(guī)律還有待研究，缺乏阻尼性能相關(guān)的定量分析。

本文主要研究Mg-6Gd-3Y-0.5Zr鎂合金材料內(nèi)部阻尼的變化規(guī)律，ZL114A 鋁合金作為對(duì)照。首先介紹阻尼的測試方法，然后采用DMA 測試儀分別研究材料內(nèi)部阻尼隨應(yīng)變振幅、服役溫度和頻率的變化，分析阻尼變化的機(jī)理和規(guī)律，擬對(duì)Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金結(jié)構(gòu)的減振分析及應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 阻尼及阻尼的測試

阻尼按類型可分為材料內(nèi)部阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼、流體阻尼、庫侖摩擦和斯特里貝克阻尼等［14］。本文主要研究材料內(nèi)部阻尼，材料內(nèi)部阻尼來源于材料內(nèi)部各種各樣微觀和宏觀過程中的機(jī)械能耗散［15］。

根據(jù)G-L 理論［4-5］，材料中普遍存在兩種阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的力量—弱釘和強(qiáng)釘。當(dāng)應(yīng)力幅值較小時(shí)，位錯(cuò)弦在兩個(gè)弱釘扎點(diǎn)間隨周期應(yīng)力振蕩，產(chǎn)生由頻率決定的且與應(yīng)變振幅無關(guān)的阻尼；當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，位錯(cuò)可以掙脫開弱釘扎點(diǎn)，但并限制在強(qiáng)釘扎點(diǎn)之間，同時(shí)滑移的面積更大，導(dǎo)致阻尼快速增加，隨著應(yīng)力繼續(xù)增加，位錯(cuò)弦則將形成位錯(cuò)環(huán)，此時(shí)材料發(fā)生不可逆的塑性應(yīng)變，示意見圖1。

圖1 G-L位錯(cuò)阻尼模型Fig.1 G-L dislocation damping model

對(duì)于材料阻尼測試，一般用阻尼損耗因子η表示［16］。共振棒法（resonant-bar techniques）是測量材料阻尼常用的一種方法，常用的有單、雙懸臂彎曲法和三點(diǎn)彎曲法［17］，鎂合金一般采用單懸臂法。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）是常用的測量儀器，在強(qiáng)迫振動(dòng)下，其可測量得到材料的損耗因子η。

采用DMA-Q800型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，如圖2所示，采用單懸臂梁進(jìn)行夾持，夾持方式如圖3所示。測量的溫度范圍-150～600 ℃，頻率范圍0.01～200 Hz，最大力18 N，最小力0.000 01 N，模量范圍103～1012Pa，升溫速率0.1～20 ℃/min，降溫速率0.1～10 ℃/min。

圖2 DMA-Q800動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀Fig.2 DMA-Q800 dynamic thermo-mechanical analyzer

圖3 單懸臂夾具阻尼測試示意圖［7］Fig.3 Diagram of damping test of single cantilever fixture［7］

制備了Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金和ZL114A 鋁合金測試試件，每種試件有若干件，試件的種類和尺寸如表1所示。

表1 試件種類和尺寸Tab.1 Type and size of test piece

2 測試結(jié)果分析

2.1 阻尼隨應(yīng)變振幅的變化

首先研究了Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金和ZL114A 鋁合金阻尼η隨應(yīng)變振幅ε的變化，激勵(lì)頻率為1 Hz，測試溫度為室溫，鎂合金應(yīng)變振幅范圍為5×10-6～2.2×10-3，鋁 合 金 應(yīng) 變 振 幅 范 圍 為8×10-6～8.7×10-4，由于DMA 測試的載荷有限，且鋁合金彈性模量高于鎂合金，因此鋁合金可測量的最大應(yīng)變小于鎂合金，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 Mg-6Gd-3Y-0.5Zr鎂合金和ZL114A鋁合金阻尼隨應(yīng)變振幅變化曲線Fig.4 Damping change with strain amplitude of Mg-6Gd-3Y-0.5Zr magnesium alloy and ZL114A aluminum alloy

由圖4可以看出，不同試件的重復(fù)測試表明，測試曲線吻合比較好，表明了測試的有效性。Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金和ZL114A 鋁合金的阻尼隨應(yīng)變振幅的增大而逐漸增大，當(dāng)超過一定的應(yīng)變振幅后，阻尼開始迅速增加。測試結(jié)果表明兩種材料都存在一個(gè)“雪崩”式脫釘過程，阻尼快速增加。對(duì)于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金，當(dāng)應(yīng)變振幅超過1.3×10-3后，位錯(cuò)很難從強(qiáng)釘扎點(diǎn)脫釘，阻尼隨應(yīng)變振幅的增大而增大的趨勢變得很平緩。對(duì)于鋁合金，由于測試設(shè)備的限制，未測試到更大應(yīng)變振幅下的阻尼情況。

對(duì)于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金，根據(jù)G-L 理論，當(dāng)應(yīng)變振幅很小時(shí)，此時(shí)阻尼主要跟頻率f相關(guān)，阻尼由熱彈性阻尼和可逆位錯(cuò)等組成，根據(jù)熱彈性阻尼理論，在一個(gè)完全梁中熱量流動(dòng)帶來的阻尼可以用Debye峰來描述［18］：

式中，

式中，E表示彈性模量，α表示線膨脹系數(shù)，T表示絕對(duì)溫度，cp表示定壓比熱容，a表示試件厚度，κ表示熱導(dǎo)率。Mg-6Gd-3Y-0.5Zr相應(yīng)的參數(shù)見表2。

表2 Mg-6Gd-3Y-0.5Zr材料性能Tab.2 Properties of Mg-6Gd-3Y-0.5Zr material

按照上述公式，f=1 Hz，試件a=1 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的熱彈性阻尼為1.65×10-4。應(yīng)變振幅為5×10-6時(shí)，DMA實(shí)測總的阻尼為5×10-4，熱彈性阻尼占總阻尼的33%。隨著應(yīng)變振幅繼續(xù)增大，位錯(cuò)脫釘變?yōu)橹饕枘醽碓?，熱彈性阻尼的占比?huì)大大減小。

對(duì)于ZL114A 試件，在測試達(dá)到的最高應(yīng)變8.7×10-4處，阻尼達(dá)到0.018 4；對(duì)于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr鎂合金，在測試的最高應(yīng)變振幅2.2×10-3處，阻尼均值達(dá)到0.027 5，在應(yīng)變振幅為8.7×10-4處，阻尼均值達(dá)到0.023 4，是同樣應(yīng)變振幅下ZL114A 阻尼的1.27倍。在測試的應(yīng)變范圍之內(nèi)，同樣應(yīng)變下，Mg-6Gd-3Y-0.5Zr的阻尼性能比ZL114A鋁合金的要高，說明Mg-6Gd-3Y-0.5Zr具有更好的阻尼性能。

2.2 阻尼隨溫度的變化

航天結(jié)構(gòu)在飛行過程中，由于氣動(dòng)加熱等作用，結(jié)構(gòu)件的溫度會(huì)明顯的上升。測試了兩種材料阻尼隨溫度的變化，試件數(shù)量各為3個(gè)，激勵(lì)頻率為1 Hz，溫度范圍為30～330 ℃，應(yīng)變振幅為8.7×10-4。

Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金阻尼隨溫度變化曲線見圖5，可以看出阻尼性能隨著溫度的增加而增大，30 ℃時(shí)3 根Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 試件的阻尼值約為0.027 4，330 ℃時(shí)3 根試件的阻尼值是0.059 8、0.057和0.054，平均值是30 ℃時(shí)的2.1倍，阻尼性能隨溫度的增高得到了大幅提高。從3 根Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 試件的趨勢來看，阻尼隨溫度不是線性遞增的，在約200 ℃以下增長相對(duì)平緩，超過200 ℃后線性增加。3 根Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 試件的總體變化趨勢比較一致，但在不同溫度區(qū)間變化趨勢也有差異，這可能與升溫過程不均勻有關(guān)。

隨著溫度的不斷升高，原子運(yùn)動(dòng)加劇，有效位錯(cuò)長度及可動(dòng)位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)的弛豫及晶界、相界間的滑動(dòng)也變得相對(duì)容易起來［3］。晶界對(duì)溫度特別敏感，在高溫下，晶界會(huì)與位錯(cuò)一起產(chǎn)生滑移，此時(shí)晶界由于粘滯性流動(dòng)引起能量損耗，即晶界阻尼［19］。綜上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論研究是相一致的。

由測試結(jié)果可知，ZL114A 阻尼性能也隨著溫度的增加而增大，30 ℃時(shí)3 根ZL114A 試件的阻尼值都為0.018 4，330 ℃時(shí)3 根試件的阻尼值是0.023 4、0.023 6 和0.023 9，平均值是30 ℃時(shí)的1.3 倍，阻尼性能隨溫度的增高得到了提高，但明顯小于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 阻尼隨溫度的增加幅度，可知Mg-6Gd-3Y-0.5Zr阻尼相比ZL114A對(duì)溫度更敏感。

圖5 Mg-6Gd-3Y-0.5Zr鎂合金和ZL114A鋁合金阻尼隨溫度變化曲線Fig.5 Damping change with temperature of Mg-6Gd-3Y-0.5Zr magnesium alloy and ZL114A aluminum alloy

2.3 阻尼隨激振頻率的變化

航天結(jié)構(gòu)振動(dòng)具有寬幅激勵(lì)的特點(diǎn)，由于整個(gè)飛行器的固有頻率較低，一階頻率一般在20 Hz 以下，因此影響較大的還是低頻響應(yīng)。用DMA 研究了1～120 Hz 下阻尼性能的變化，兩種試樣各三根，溫度為室溫。

圖6 ZL114A和Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金阻尼隨頻率變化Fig.6 Damping change with frequency of Mg-6Gd-3Y-0.5Zr magnesium alloy and ZL114A aluminum alloy

由圖6看出，在1～120 Hz 內(nèi)，常溫下Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金的阻尼性能在3 Hz 達(dá)到峰值，然后隨頻率的增加而下降，但下降幅值不大，120 Hz 下相對(duì)峰值下降的幅度在6.5%～11%。高應(yīng)變狀態(tài)下，鎂合金阻尼主要是位錯(cuò)脫釘引起的阻尼，當(dāng)頻率比較高時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)跟不上振動(dòng)頻率，導(dǎo)致頻率增高時(shí)，阻尼性能反而下降。

ZL114A 沒有明顯的阻尼峰，在1～120 Hz 內(nèi)，ZL114A 的阻尼性能隨頻率的增加而下降，120 Hz 下相對(duì)1 HZ 阻尼下降0.002 0～0.002 4，降幅在10.8%～13.0%。對(duì)比兩個(gè)合金阻尼隨頻率的變化可知，ZL114A 阻尼在1～120 HZ 內(nèi)均小于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 阻尼，Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 和ZL114A 阻尼隨頻率的變化趨勢一致，但ZL114A的降幅略大。

3 結(jié)論

Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金和ZL114A 鋁合金材料阻尼性能是一個(gè)隨著應(yīng)變振幅、環(huán)境溫度和激振頻率等因素不斷變化的物理量，主要結(jié)論如下：

（1）超過一定應(yīng)變振幅后，Mg-6Gd-3Y-0.5Zr鎂合金和ZL114A 鋁合金阻尼都隨應(yīng)變振幅的增大而逐漸增大；

（2）在測試的頻率范圍內(nèi)（1～120 Hz），Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 鎂合金和ZL114A 鋁合金阻尼都隨頻率增加而減小，降幅都在15%以內(nèi)，其中Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 在3 Hz 處有阻尼峰，而ZL114A 鋁合金未發(fā)現(xiàn)有阻尼峰；

（3）Mg-6Gd-3Y-0.5Zr鎂合金和ZL114A 鋁合金阻尼都隨溫度的增加而增加，330 ℃時(shí)阻尼均值分別是30 ℃時(shí)阻尼的2.1 倍和1.3 倍，可知Mg-6Gd-3Y-0.5Zr阻尼相比ZL114A對(duì)溫度更敏感；對(duì)于有高溫工作環(huán)境的鎂合金結(jié)構(gòu)，為了得到更準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，應(yīng)該考慮阻尼隨服役溫度的變化。