Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金和ZL114A铝合金阻尼性能

孟德浩 李培杰 徐文涛 袁文全 王端志

（1 清华大学机械工程系，北京 100084）

（2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

（3 郑州大学，郑州 450001）

文 摘 航天结构飞行过程中，温度、应变振幅等会有大幅的变化，为了研究服役环境对阻尼的影响，采用DMA 测试仪研究了Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金和ZL114A 铝合金材料内部阻尼随服役环境的变化。结果表明：两种材料阻尼都随应变振幅的增大而增大，且同样应变振幅下Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 阻尼性能优于ZL114A；两种材料阻尼都随温度的升高而增大，Mg-6Gd-3Y-0.5Zr和ZL114A 合金330℃时阻尼均值分别是30℃时2.1 倍和1.3 倍，可知Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 合金对温升更敏感，当结构温升较大时，其阻尼应作为变量进行考虑。

0 引言

由于发动机工作及气动噪声等的影响，航天飞行器结构面临严重的宽频带随机振动和噪声环境［1-2］，可能使结构出现疲劳失效和动态失稳。统计数字表明，火箭的地面和飞行试验故障约有三分之一与振动有关，而材料的阻尼性能直接关系到结构的振动特性及响应。镁合金具有良好的阻尼减震性能［3］，随着Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金在航空航天结构上的应用，研究其阻尼性能对结构动态特性和减振设计具有重要意义。

国内外学者对镁合金的阻尼机理和性能等进行了研究，针对镁及镁合金的阻尼机制，GRANATO 和LÜCKE 提出的位错钉扎-脱钉模型（G-L 理论）［4-5］被广泛接受；文献［6］研究了添加镍、铝、铜和锡等不同元素下应变振幅相关的阻尼性能，并从研制高阻尼合金的角度对试验结果进行了解释；文献［7］研究了变形工艺、热处理、合金元素等对镁合金微观组织、阻尼和微塑变的影响机制以及它们之间的内在联系，采用动态机械分析仪（DMA）研究纯镁阻尼性能随应变的变化规律；文献［8］以合金元素的含量和线应变的应变振幅两个因素为切入点，研究了镁合金材料的阻尼特性机理。目前的研究主要集中于微观尺度下材料成分、成型工艺、热处理等对镁合金阻尼性能的影响以及如何得到高阻尼镁合金材料等［9-13］。然而通过文献调研发现，对于航天结构中常用的ZL114A 铝合金和最近几年逐渐应用的Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金的阻尼性能随服役环境的变化规律还有待研究，缺乏阻尼性能相关的定量分析。

本文主要研究Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金材料内部阻尼的变化规律，ZL114A 铝合金作为对照。首先介绍阻尼的测试方法，然后采用DMA 测试仪分别研究材料内部阻尼随应变振幅、服役温度和频率的变化，分析阻尼变化的机理和规律，拟对Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金结构的减振分析及应用具有一定的指导意义。

1 阻尼及阻尼的测试

阻尼按类型可分为材料内部阻尼、结构阻尼、流体阻尼、库仑摩擦和斯特里贝克阻尼等［14］。本文主要研究材料内部阻尼，材料内部阻尼来源于材料内部各种各样微观和宏观过程中的机械能耗散［15］。

根据G-L 理论［4-5］，材料中普遍存在两种阻碍位错运动的力量—弱钉和强钉。当应力幅值较小时，位错弦在两个弱钉扎点间随周期应力振荡，产生由频率决定的且与应变振幅无关的阻尼；当应力足够大时，位错可以挣脱开弱钉扎点，但并限制在强钉扎点之间，同时滑移的面积更大，导致阻尼快速增加，随着应力继续增加，位错弦则将形成位错环，此时材料发生不可逆的塑性应变，示意见图1。

图1 G-L位错阻尼模型Fig.1 G-L dislocation damping model

对于材料阻尼测试，一般用阻尼损耗因子η表示［16］。共振棒法（resonant-bar techniques）是测量材料阻尼常用的一种方法，常用的有单、双悬臂弯曲法和三点弯曲法［17］，镁合金一般采用单悬臂法。动态力学分析仪（DMA）是常用的测量仪器，在强迫振动下，其可测量得到材料的损耗因子η。

采用DMA-Q800型动态热机械分析仪，如图2所示，采用单悬臂梁进行夹持，夹持方式如图3所示。测量的温度范围-150～600 ℃，频率范围0.01～200 Hz，最大力18 N，最小力0.000 01 N，模量范围103～1012Pa，升温速率0.1～20 ℃/min，降温速率0.1～10 ℃/min。

图2 DMA-Q800动态热机械分析仪Fig.2 DMA-Q800 dynamic thermo-mechanical analyzer

图3 单悬臂夹具阻尼测试示意图［7］Fig.3 Diagram of damping test of single cantilever fixture［7］

制备了Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金和ZL114A 铝合金测试试件，每种试件有若干件，试件的种类和尺寸如表1所示。

表1 试件种类和尺寸Tab.1 Type and size of test piece

2 测试结果分析

2.1 阻尼随应变振幅的变化

首先研究了Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金和ZL114A 铝合金阻尼η随应变振幅ε的变化，激励频率为1 Hz，测试温度为室温，镁合金应变振幅范围为5×10-6～2.2×10-3，铝 合 金 应 变 振 幅 范 围 为8×10-6～8.7×10-4，由于DMA 测试的载荷有限，且铝合金弹性模量高于镁合金，因此铝合金可测量的最大应变小于镁合金，试验结果如图4所示。

图4 Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金和ZL114A铝合金阻尼随应变振幅变化曲线Fig.4 Damping change with strain amplitude of Mg-6Gd-3Y-0.5Zr magnesium alloy and ZL114A aluminum alloy

由图4可以看出，不同试件的重复测试表明，测试曲线吻合比较好，表明了测试的有效性。Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金和ZL114A 铝合金的阻尼随应变振幅的增大而逐渐增大，当超过一定的应变振幅后，阻尼开始迅速增加。测试结果表明两种材料都存在一个“雪崩”式脱钉过程，阻尼快速增加。对于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金，当应变振幅超过1.3×10-3后，位错很难从强钉扎点脱钉，阻尼随应变振幅的增大而增大的趋势变得很平缓。对于铝合金，由于测试设备的限制，未测试到更大应变振幅下的阻尼情况。

对于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金，根据G-L 理论，当应变振幅很小时，此时阻尼主要跟频率f相关，阻尼由热弹性阻尼和可逆位错等组成，根据热弹性阻尼理论，在一个完全梁中热量流动带来的阻尼可以用Debye峰来描述［18］：

式中，

式中，E表示弹性模量，α表示线膨胀系数，T表示绝对温度，cp表示定压比热容，a表示试件厚度，κ表示热导率。Mg-6Gd-3Y-0.5Zr相应的参数见表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，试件a=1 mm 时对应的热弹性阻尼为1.65×10-4。应变振幅为5×10-6时，DMA实测总的阻尼为5×10-4，热弹性阻尼占总阻尼的33%。随着应变振幅继续增大，位错脱钉变为主要阻尼来源，热弹性阻尼的占比会大大减小。

对于ZL114A 试件，在测试达到的最高应变8.7×10-4处，阻尼达到0.018 4；对于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金，在测试的最高应变振幅2.2×10-3处，阻尼均值达到0.027 5，在应变振幅为8.7×10-4处，阻尼均值达到0.023 4，是同样应变振幅下ZL114A 阻尼的1.27倍。在测试的应变范围之内，同样应变下，Mg-6Gd-3Y-0.5Zr的阻尼性能比ZL114A铝合金的要高，说明Mg-6Gd-3Y-0.5Zr具有更好的阻尼性能。

2.2 阻尼随温度的变化

航天结构在飞行过程中，由于气动加热等作用，结构件的温度会明显的上升。测试了两种材料阻尼随温度的变化，试件数量各为3个，激励频率为1 Hz，温度范围为30～330 ℃，应变振幅为8.7×10-4。

Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金阻尼随温度变化曲线见图5，可以看出阻尼性能随着温度的增加而增大，30 ℃时3 根Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 试件的阻尼值约为0.027 4，330 ℃时3 根试件的阻尼值是0.059 8、0.057和0.054，平均值是30 ℃时的2.1倍，阻尼性能随温度的增高得到了大幅提高。从3 根Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 试件的趋势来看，阻尼随温度不是线性递增的，在约200 ℃以下增长相对平缓，超过200 ℃后线性增加。3 根Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 试件的总体变化趋势比较一致，但在不同温度区间变化趋势也有差异，这可能与升温过程不均匀有关。

随着温度的不断升高，原子运动加剧，有效位错长度及可动位错密度增加，位错的弛豫及晶界、相界间的滑动也变得相对容易起来［3］。晶界对温度特别敏感，在高温下，晶界会与位错一起产生滑移，此时晶界由于粘滞性流动引起能量损耗，即晶界阻尼［19］。综上，实验结果与理论研究是相一致的。

由测试结果可知，ZL114A 阻尼性能也随着温度的增加而增大，30 ℃时3 根ZL114A 试件的阻尼值都为0.018 4，330 ℃时3 根试件的阻尼值是0.023 4、0.023 6 和0.023 9，平均值是30 ℃时的1.3 倍，阻尼性能随温度的增高得到了提高，但明显小于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 阻尼随温度的增加幅度，可知Mg-6Gd-3Y-0.5Zr阻尼相比ZL114A对温度更敏感。

图5 Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金和ZL114A铝合金阻尼随温度变化曲线Fig.5 Damping change with temperature of Mg-6Gd-3Y-0.5Zr magnesium alloy and ZL114A aluminum alloy

2.3 阻尼随激振频率的变化

航天结构振动具有宽幅激励的特点，由于整个飞行器的固有频率较低，一阶频率一般在20 Hz 以下，因此影响较大的还是低频响应。用DMA 研究了1～120 Hz 下阻尼性能的变化，两种试样各三根，温度为室温。

图6 ZL114A和Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金阻尼随频率变化Fig.6 Damping change with frequency of Mg-6Gd-3Y-0.5Zr magnesium alloy and ZL114A aluminum alloy

由图6看出，在1～120 Hz 内，常温下Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金的阻尼性能在3 Hz 达到峰值，然后随频率的增加而下降，但下降幅值不大，120 Hz 下相对峰值下降的幅度在6.5%～11%。高应变状态下，镁合金阻尼主要是位错脱钉引起的阻尼，当频率比较高时，位错运动跟不上振动频率，导致频率增高时，阻尼性能反而下降。

ZL114A 没有明显的阻尼峰，在1～120 Hz 内，ZL114A 的阻尼性能随频率的增加而下降，120 Hz 下相对1 HZ 阻尼下降0.002 0～0.002 4，降幅在10.8%～13.0%。对比两个合金阻尼随频率的变化可知，ZL114A 阻尼在1～120 HZ 内均小于Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 阻尼，Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 和ZL114A 阻尼随频率的变化趋势一致，但ZL114A的降幅略大。

3 结论

Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金和ZL114A 铝合金材料阻尼性能是一个随着应变振幅、环境温度和激振频率等因素不断变化的物理量，主要结论如下：

（1）超过一定应变振幅后，Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金和ZL114A 铝合金阻尼都随应变振幅的增大而逐渐增大；

（2）在测试的频率范围内（1～120 Hz），Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 镁合金和ZL114A 铝合金阻尼都随频率增加而减小，降幅都在15%以内，其中Mg-6Gd-3Y-0.5Zr 在3 Hz 处有阻尼峰，而ZL114A 铝合金未发现有阻尼峰；

（3）Mg-6Gd-3Y-0.5Zr镁合金和ZL114A 铝合金阻尼都随温度的增加而增加，330 ℃时阻尼均值分别是30 ℃时阻尼的2.1 倍和1.3 倍，可知Mg-6Gd-3Y-0.5Zr阻尼相比ZL114A对温度更敏感；对于有高温工作环境的镁合金结构，为了得到更准确的动力学响应，应该考虑阻尼随服役温度的变化。