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      由于Si在鎂中的固溶度僅為0.003%，不會(huì)釘扎位錯(cuò)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，能夠有效提高合金的阻尼性能。同時(shí)，添加Si元素在合金內(nèi)部原位內(nèi)生Mg2 Si相，可以強(qiáng)化基體合金，顯著提高合金的強(qiáng)度和剛度，進(jìn)而改善合金的高溫蠕變性能。但是在傳統(tǒng)鑄造條件下，共晶

Mg2 Si相呈粗大的漢字狀，割裂基體，嚴(yán)重?fù)p害合金的力學(xué)性能，因此必須對(duì)其進(jìn)行變質(zhì)處理。李煥文‘21研究表明，在ZLIOI鋁合金中引入Zr能夠?qū)�共晶Si相起到很好的變質(zhì)作用。由于共晶Mg2 Si和共晶Si相的凝固機(jī)理相近，同時(shí)，Zr在鎂合金中的溶解度較小，而且是鎂合金最有效的晶粒細(xì)化劑之一，因此本課題以亞共晶Mg-0. 9Si合金為研究對(duì)象，考察了Zr對(duì)Mg-0. 9Si合金鑄態(tài)組織、力學(xué)性能和阻尼性能的影響。

1  試驗(yàn)材料與設(shè)備

    試驗(yàn)材料為商用99. 97%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的純鎂錠，Mg-5Si和Mg-302r中間合金。合金的制備均在功率為5kW的SG2-5-12型坩堝電阻爐中進(jìn)行。待合金完全熔化后，降溫到750℃，向熔體內(nèi)部吹入高純Ar氣5 min進(jìn)行除氣。靜置IO min后，于720“C出爐澆注到預(yù)熱至300℃的金屬型中。為防止鎂合金的氧化燃燒，采用C02 +SF6（體積比為100：1）氣體進(jìn)行保護(hù)。

    在Metalscan2500光譜分析儀上分析Mg-Si-Zr合金試樣的化學(xué)成分，其結(jié)果見(jiàn)表l。為保證分析的準(zhǔn)確性，試樣均取自鑄錠的相同部位。采用標(biāo)準(zhǔn)金相試樣程序制得金相試樣后，用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HN03酒精溶液浸蝕3～10 s；利用Neophot-2光學(xué)金相顯微鏡觀察試樣的鑄態(tài)顯微組織；在SANS-CMT510電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min；在DMAQ800動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀上測(cè)試試樣的阻尼性能。阻尼測(cè)試試樣尺寸為40 mm×5 mm×1.2 mm，測(cè)試條件為：室溫～450 0C，頻率和應(yīng)變振幅分別設(shè)定為1 Hz和0. 01%。阻尼性能用品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)Q-1表征。

2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

    圖1為不同Zr含量的Mg-0. 9Si合金鑄態(tài)組織。在未添加Zr的Mg-0. 9Si合金鑄態(tài)組織中，可以清楚觀察到呈粗大樹(shù)枝晶狀的初生a-Mg相和呈粗大漢字狀的共晶Mg2 Si相，見(jiàn)圖la。對(duì)比圖lb和圖la可見(jiàn)，添加0.3%的Zr后，初生a-Mg相和共晶Mg2 Si相均得到明顯細(xì)化，其中部分初生a-Mg由粗大的枝晶狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小圓整的薔薇狀，而且已經(jīng)觀察不到呈粗大漢字狀的共晶Mg2 Si相。由圖1看見(jiàn)，Zr的引入對(duì)Mg-0.9 Si合金鑄態(tài)組織中的初生a-Mg相具有較好的細(xì)化作用。關(guān)于Zr細(xì)化初生a-Mg相的細(xì)化機(jī)制，認(rèn)為是包晶反應(yīng)機(jī)制和異質(zhì)形核機(jī)制。其中，包晶反應(yīng)機(jī)制認(rèn)為，合金在凝固過(guò)程中，Zr與合金熔體會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)，形成一層富Zr的Mg固溶體，從而有利于Mg晶核形核。而異質(zhì)形核機(jī)制認(rèn)為，Zr和Mg同為密排六方結(jié)構(gòu)，且Zr的晶格常數(shù)（a=0. 323 nm，c=0. 514 nm）與鎂的晶格常數(shù)（a=0. 320 nm，c=0. 520 nm）相近，因此Zr質(zhì)點(diǎn)可作為Mg的異質(zhì)形核核心，顯著細(xì)化晶粒。

    圖2為不同Zr含量時(shí)Mg-0. 9Si合金鑄態(tài)組織中共晶Mg2 Si相形貌。對(duì)比圖2a和圖2b可見(jiàn)，當(dāng)Zr含量為0.3%時(shí)，合金中的共晶Mg2 Si相得到顯著細(xì)化，大部分共晶Mg2 Si相由粗大的漢字狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的蠕蟲(chóng)狀。繼續(xù)增加Zr含量，共晶Mg2 Si相得到進(jìn)一步細(xì)化。當(dāng)Zr的含量為o．6%時(shí)，Mg-0. 9Si合金鑄態(tài)組織中的共晶M9z Si相絕大部分轉(zhuǎn)變成細(xì)小的點(diǎn)狀，此時(shí)已經(jīng)觀察不到呈漢字狀的共晶Mg2 Si相了，見(jiàn)圖2c。當(dāng)Zr含量為0.9%時(shí)，共晶Mg2 Si相的尺寸形貌相比0.6%的合金變化不大，仍以細(xì)小點(diǎn)狀為主，見(jiàn)圖2d。由圖2可見(jiàn)，Zr的加入對(duì)于Mg-0. 9Si合金鑄態(tài)組織中的共晶Mg2 Si相具有較好的變質(zhì)作用。

    圖3為Mg-0. 9Si和Mg-0. 9Si-0. 62r兩種合金的XRD圖譜。由圖3可見(jiàn)，兩種合金中均只有初生的a-Mg相和共晶Mg2 Si相存在，并沒(méi)有檢測(cè)到其他相。因此分析Zr變質(zhì)的主要原因是由于Zr具有較高的活性，在合金凝固過(guò)程中，易于吸附在共晶Mg2 Si相的表面及生長(zhǎng)前沿，毒化了共晶Mg2 Si相的生長(zhǎng)方式。

    圖4為Zr含量對(duì)Mg-0. 9Si合金力學(xué)性能的影響。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)Zr含量小于0.6%時(shí)，隨著Zr含量的增加，Mg-0. 9Si合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì)。而當(dāng)Zr含量超過(guò)0.6%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率雖有小幅增加，但是變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，這與Mg-0. 9Si合金中的共晶Mg2 Si相的組織形貌隨Zr含量的變化規(guī)律相一致。因此，結(jié)合成本因素考慮，對(duì)于Mg-0. 9Si合金，Zr的最優(yōu)加入量為0.6%左右，此時(shí)其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率相比未變質(zhì)Mg-0. 9Si合金分別提高了約43.4%和64.3%。

    圖5為Zr變質(zhì)前后Mg-0. 9Si合金的阻尼一溫度譜。由圖5可見(jiàn)，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)Zr變質(zhì)的Mg-0. 9Si合金的阻尼值要顯著高于未變質(zhì)的Mg-0.9Si合金的阻尼值。分析其原因主要有兩點(diǎn)：①由于基體a-Mg的熱膨脹系數(shù)（約為26×10-5 K-1）和Mg2 Si顆粒的熱膨脹系數(shù)（約為7.5×10-6 K-1）相差較大，因此在合金熔煉凝固過(guò)程中，兩者之間會(huì)產(chǎn)生一定的錯(cuò)配應(yīng)變，從而在合金內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯(cuò)。根據(jù)位錯(cuò)棱鏡模型n1，合金內(nèi)部的位錯(cuò)密度與第二相顆粒的尺寸相關(guān)。隨著第二相顆粒的細(xì)化，位錯(cuò)密度將顯著增加，而這些高密度位錯(cuò)，在循環(huán)載荷作用下將會(huì)成為一種高內(nèi)耗源。因此，變質(zhì)后的Mg-0. 9Si合金的阻尼值顯著提高主要?dú)w因?yàn)楣簿�Mg2 Si相的細(xì)化。②對(duì)于多晶金屬材料，晶界可以作為該材料的一個(gè)重要阻尼源。因此，加入Zr后的Mg-0. 9Si合金的阻尼值提高還可以部分歸因于初生a-Mg相的細(xì)化。

3  結(jié)  論

Zr對(duì)Mg-0. 9Si合金凝固組織中初生a-Mg相和共晶Mg2 Si相具有顯著的細(xì)化和變質(zhì)作用�？紤]到成本因素，Zr的最優(yōu)加入量為0.6%左右，此時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到187.2 MPa和6.8%，比未變質(zhì)合金提高了約43.4%和64.3%。在整個(gè)測(cè)試的溫度范圍內(nèi)，變質(zhì)合金的阻尼值要顯著高于未變質(zhì)合金的阻尼值。

4摘  要  

研究了Zr對(duì)亞共晶Mg0.9 Si合金鑄態(tài)組織、力學(xué)性能和阻尼性能的影響。結(jié)果表明，Zr對(duì)Mg-0. 9Si合金中的初生a-Mg相和共晶Mg2 Si相具有較好的細(xì)化和變質(zhì)作用。從成本因素考慮，Zr的最優(yōu)加入量為0.6%左右，此時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為187.2 MPa和6.8%，相比未變質(zhì)合金提高了約43.4%和64.3%。在整個(gè)測(cè)試的溫度范圍內(nèi)，加入0.6%的Zr變質(zhì)Mg-0. 9Si合金的阻尼值要顯著高于未變質(zhì)合金的阻尼值。