DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.04.020
微量Sc和Zr对锌铝共析合金微观结构和阻尼性能的影响
罗兵辉 柏振海 谢佑卿
中南大学材料科学与工程系
中南大学材料科学与工程系 长沙410083
摘 要：
采用金相显微镜、扫描电镜、XRD及阻尼性能测试等手段研究了添加Sc和Zr对锌铝共析合金阻尼性能的影响。结果表明 :0 .2 1%Sc和 0 .15 %Zr使锌铝共析合金铸态组织显著细化 , 阻尼性能提高 , 阻尼稳定性提高 ;两种合金Zn 2 2 .1%Al和Zn 2 2 %Al 0 .2 1%Sc 0 .15 %Zr分别在约 2 0 8℃和 195℃出现内耗峰。分析认为Al3 Sc及Al3 (Sc , Zr) 质点对α/α , α/β , β/β界面的非弹性粘滞运动的阻碍引起高阻尼 , 并致使峰位移向低温。同时 , 这些质点有效地阻止位错的迁移和亚晶的形成、长大和合并 , 使阻尼稳定性提高
关键词：
Zn-Al合金 ;阻尼 ;Sc ;Zr ;
中图分类号： TG146
收稿日期： 2001-12-03
Effect of trace Sc and Zr on microstructure and damping capacity of Zn-22%Al alloy
Abstract：
The effect of trace Sc and Zr on the internal friction and damping stability of Zn-22%Al eutectoid alloy was investigated. The experimental results show that the addition of 0.21%Sc and 0.15%Zr can improve the as-cast structure of the alloy and increase the damping capacity and damping stability of Zn-22%Al alloy. An internal friction peaks were observed about 208?℃ and about 195?℃ respectively in the present Zn-22.1%Al and Zn-22%Al-0.21%Sc-0.15%Zr alloys. The improvement of the structure and the damping capacity was found to be directly attributed to the precipitation of Al 3Sc and Al 3 (Sc, Zr) phases from the aluminum alloy matrix. The internal friction mechanisms of the alloy were put forward.
Keyword：
Zn-Al eutectoid alloy; internal friction; Sc; Zr;
Received： 2001-12-03
锌铝合金具有成本低和优良的力学性能, 尤其是超塑性, 因而有着广泛的应用。 锌铝共析合金是该类合金中应用和研究得最多的合金, 它的一个显著特点是具有高的阻尼性能, 且不受磁场的影响。 对阻尼性能的研究
[1 ,2 ,3 ]
表明, 其高的阻尼性能归根于其结构特点, 它是由富Al的α 相 (软相) 和富Zn的β 相 (硬相) 组成的复相型合金, 振动时α /α , α /β , β /β 相界面发生粘滞性可逆滑动吸收能量, 并转变成热能耗散。 但是高阻尼的锌铝合金存在一个问题, 即在室温下, 合金中的α 相及β 相随时间延长会发生长大, 使力学性能和阻尼性能逐渐变化, 内耗值逐渐降低
[4 ]
。 为此, 庞绍平
[5 ]
通过添加B, Ti, Zr, La, Ce等元素以改善锌铝共析合金性能稳定性。 结果表明, 尽管该合金的力学性能和耐蚀性有大幅度改善, 但对阻尼性能的影响不明显。
Sc是铝的弥散强化剂, 强有力的晶粒细化剂, 有效的再结晶抑制剂, 含钪的铝合金具有高强度和塑性, 良好的耐热性、 耐蚀性和可焊性
[6 ,7 ]
。 当Sc和Zr复合添加时其对铝合金的影响更为显著
[7 ,8 ]
。 本实验通过在Zn-Al共析合金中添加微量Sc和Zr以改善合金的阻尼性能及阻尼稳定性, 并分析讨论了Sc和Zr对Zn-22%Al合金的阻尼影响机制。
1 实验
将99.99%的高纯铝和99.98%纯锌及Al-2.16%Sc和Al-4%Zr中间合金分别配制成1# 和2# 合金。 用水冷模铸造, 试样成分分析结果为1# : Zn-22.1%Al; 2# : Zn-22%Al-0.21%Sc-0.15%Zr。 经350 ℃, 4 h均匀化退火后, 在350 ℃下热扎至1 mm厚片状试样。 试样在350 ℃下保温3 h, 在20 ℃水中淬火。 在光学显微镜上对试样进行组织形貌观察。 用D500全自动X射线衍射仪进行X射线衍射分析, CuKα -6 , 内耗温度曲线测试时频率为1 Hz, 升温速率为5 ℃/min。
2 实验结果
2.1 微观组织特征
图1所示为Zn-22.1%Al合金 (1# 合金) 和Zn-22%Al-0.21%Sc-0.15%Zr合金 (2# 合金) 的铸态组织。 可见, 微量的Sc和Zr可显著细化Zn-Al共析合金组织。 两种合金的拉伸断口形貌如图2所示, 亦可见其明显差别。 从X射线衍射图谱 (图3) 看出, 添加Sc和Zr后Zn-22.1%Al合金形成了Al3 Sc和Al3 (Sc, Zr) 粒子。
2.2 内耗
2.2.1 内耗随温度的变化特征
图4所示为两种合金经固溶处理后在温度区间20～250 ℃、 频率1 Hz下内耗随温度的变化关系。可见添加Sc和Zr的Zn-Al共析合金的内耗性能高于Zn-22.1%Al合金, 在温度高于90 ℃后两者内耗Q -1 值随温度急剧增加, 并分别在约208 ℃和约195 ℃出现内耗峰, 然后逐渐降低。 Sc和Zr使Zn-22.1%Al合金的内耗峰位向低温移动13 ℃。
图1 合金的铸态组织
Fig.1 As-cast microstructures of alloys (a) —Zn-22.1%Al alloy; (b) —Zn-22%Al-0.21%Sc-0.15%Zr alloy
图2 两种合金的拉伸断口形貌
Fig.2 SEM morphologies of tensile fracture of alloys
(a) —Zn-22.1%Al alloy; (b) —Zn-22%Al-0.21%Sc-0.15%Zr alloy
图4 Zn-22.1%Al及Zn-22%Al-0.21%Sc-0.15%Zr合金内耗与温度的关系
Fig.4 Internal friction vs temperature of Zn-22.1%Al and Zn-22%Al-0.21%Sc-0.15%Zr alloys
2.2.2 内耗稳定性
固溶处理后的两种试样在室温下随停留时间延长内耗值的变化如图5所示。 可见刚开始时两种试样的内耗随时间延长有相似的变化趋势, 即固溶处理后内耗很快提高, 随后变缓, 再逐渐降低。 但试样1# 下降幅度较大, 试样2# 下降幅度较小, 且试样2# 在约104 ?h后内耗趋于稳定, 说明添加Sc和Zr后Zn-Al共析合金的内耗稳定性得到显著改善。
图5 Zn-22.1%Al及Zn-22%Al-0.21%Sc-0.15%Zr合金内耗随时间的变化关系
Fig.5 Internal friction vs time of Zn-22.1%Al and Zn-22%Al-0.21%Sc-0.15%Zr alloys
3 讨论
Sc和Zr复合作用能显著细化Zn-Al合金的铸态组织 (图1) 。 文献
[
7 ]
认为在含Al的合金中, Sc与Al发生反应, 从熔体中优先析出不熔性质点Al3 Sc, 该质点的显微硬度达2 550 MPa, 为AnCu3 型立方结构, 点阵常数a =0.410 nm, 晶体结构及晶格常数均与Al (fcc, a =0.405 nm) 极为相近。 合金凝固时, 该质点起到非均质形核作用。 Sc和Zr复合添加时, Zr在铝合金中有效促进钪的弥散、 细小二次化合物Al3 Sc的析出, 并能部分取代Al3 Sc中Sc原子形成三元化合物Al3 (Sc, Zr) 相质点, 从X射线衍射图谱 (图3) 可见两质点相的存在。
锌铝共析合金是具有高阻尼的超塑性材料
[1 ,2 ]
, 其阻尼机制是振动时富Al的α 相 (软相) 和富Zn的β 相 (硬相) 界面, 即α /α , α /β , β /β 界面, 产生粘滞线性流动, 消耗能量。 Zn-Al共析合金的晶粒越细, 阻尼性能越高。 因此, 微量Sc和Zr使Zn-Al共析合金的阻尼性能提高, 同时Al3 Sc和Al3 (Sc, Zr) 质点具有高的热稳定性
[8 ]
, 在高温下不长大、 不回溶, 能强烈钉扎位错和晶界, 有效地阻止位错的迁移和亚晶形成、 长大或合并, 从而稳定合金的亚结构, 使锌铝合金在高温下亦具有更高的内耗性能。
锌铝共析合金Q -1 —T 曲线中在约208 ℃ (约0.6T m ) 产生内耗峰 (Q -1 最大约为1.1) 。 研究
[9 ]
表明许多多晶体合金在约0.5T m 时, 由于热激活会产生驰豫内耗峰, 它们可根据晶界的应力驰豫, 即晶界滑动或晶界迁移机制来解释。 多晶铝在290 ℃时出现内耗峰。 该峰是晶界驰豫造成的
[9 ]
。 对于Zn-Al共析合金, 存在α 相 (富Al相) , β 相 (富Zn相) 。 文献
[
10 ]
表明该合金多次变形后, 微观结构基本不变, 且维持在低位错密度, 说明该合金的超塑性是晶界滑动机制。 因此本文作者认为Zn-Al合金在约208 ℃出现的内耗峰是晶界可逆滑动造成的。 由于存在α /α , α /β , β /β 多相界面, 其内耗峰宽度较多晶铝的内耗峰宽度大
[1 ]
。
Zn-Al共析合金在约208 ℃出现内耗峰, 该峰是晶界驰豫造成的
[1 ]
。 添加微量Sc和Zr后, 峰位移向低温处 (约195 ℃) , 但仍可认为内耗峰是晶界驰豫造成的。 峰位移动是Al3 Sc和Al3 (Sc, Zr) 粒子对晶界驰豫的影响造成的, 因为晶界驰豫过程中驰豫时间τ 0 与内耗峰的温度有关
[11 ]
, 如果过程激活能不变, τ 0 的降低则导致峰温降低。 Al3 Sc和Al3 (Sc, Zr) 粒子在晶界分布, 阻碍晶界滑动, 使驰豫时间τ 0 减小, 峰位移向低温。 这一点与其它合金的高温内耗行为类似
[12 ]
。
添加Sc和Zr后, Zn-Al共析合金内耗稳定性的提高亦是由于Al3 Sc和Al3 (Sc, Zr) 粒子对合金组织稳定性的影响造成的。 Zn-Al共析合金随时间延长其内耗性能逐渐下降 (图5) , 是由于其中的α 和β 相中的亚晶长大、 组织不断粗化
[4 ]
造成的。 Al3 Sc和Al3 (Sc, Zr) 质点具有高的热稳定性, 能强烈地钉扎晶界, 有效地阻止亚晶的形成、 长大和合并, 从而稳定合金阻尼性能。
4 结论
1) Zn-Al共析合金具有高的阻尼性能, 并在约208 ℃出现内耗峰。 Sc和Zr复合作用可显著细化Zn-Al共析合金的铸态组织, 进一步提高锌铝共析合金在20～250 ℃温度范围内的内耗, 并使Zn-Al合金内耗峰移至约195 ℃。 峰位的移动是Al3 Sc和Al3 (Sc, Zr) 质点对晶界滑动的阻碍作用造成的。
2) Zn-22%Al-0.2%Sc-0.15%Zr合金比Zn-Al共析合金具有更优良的内耗稳定性, 其原因是Al3 Sc和Al3 (Sc, Zr) 粒子能有效地钉扎晶界, 阻止晶粒长大。
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