喷射共沉积6061Al/SiC_p复合材料阻尼机制的研究

【摘要】： 本文采用喷射共沉积方法制备了6061AI／SiCp、6061Al／SiCp／Gr金属基复合材料(MMC)，通过改变淬火介质，较为系统地研究了五种热处理制度(炉冷、空冷、水冷、干冰冷及液氮冷)对6061Al／SiCp MMC组织结构、阻尼性能以及模量的影响。另外，对出现在各热处理态试样中的弛豫内耗峰进行了比较和分析，计算得到了各自相应的激活能，对其产生机制进行了探讨。 首先，利用定量金相(OM)及X射线衍射(XRD)对各热处理态试样的相组成及结构进行了分析。结果表明，SiC颗粒多以角板状存在，在基体中分布均匀，与基体界面清晰，其尖锐棱角清晰可见。另外，通过透射电镜(TEM)对各热处理态试样的显微组织结构进行了观察和分析，发现基体Al多以等轴晶存在，SiC颗粒与基体界面处存在大量位错，且随距离增加位错密度降低。同时晶内存在大量细小的弥散析出相，对位错产生了钉扎。 然后，在多功能内耗仪上对各热处理态试样的阻尼性能进行了全面测试，获得工程应用所需的内耗频率谱、温度谱和振幅效应谱。结果表明，不同的热处理状态材料，常温下阻尼性能没有明显差别，高温下阻尼性能则显著不同，在100℃～270℃温度范围内，阻尼能力的大小顺序为：炉冷＞空冷＞-70℃淬火＞原样＞-195℃淬火＞水淬，且超过180℃时，所有试样的阻尼能力均可达到1×10~(-2)以上，表现了优异的高温阻尼性能；低温下模量不随频率发生变化，超过160℃时，模量随温度的增加大致表现为线性下降，且这时频率越低，模量损耗越严重，模量的这种下降归因于峰温处组织的变化，即高温下的界面弛豫机制开始激活，从模量亏损曲线上还可大致预测内耗峰的出现范围；本实验中应变振幅在(5～40)×10~(-6)范围内，由于没有达到位错产生雪崩式脱钉的临界值(10~(-3)左右)，因而振幅效应不明显。 分析认为，基体内耗、增强相／基体界面内耗及增强相固有内耗构成了金属基复合材料阻尼的三个主要的微观机制，其迭加的结果决定了复合材料的宏观阻尼行为。热弹性阻尼与晶界阻尼在此合金中不会起主要作用，低温下的位错阻尼机制和高温下的界面阻尼机制在该复合材料中起主要作用。位错阻尼可由G-L理论加以说明，即外界振动引起位错移动，发生从弱钉扎点(如 郑州人学M卜学位沦义 抑业 溶质原子、空位等）上出现雪崩式脱钉，然后在强钉扎点（位错网节点、沉 淀相等）周田形成位错环，山此引起应力松弛和机械振动能的消耗；界而阻 尼通常指山于相界面移动引起应力松他的结果，相界面的可动性及可动界面 的数量是影J呐其阻尼性能的主要因素，温度越高，界而移动能力增强，宏观 阻尼性能就会提高。因此，该复合材料阻尼的频率特性是：以位错运动耗能 为主的情况下，阻尼随频率的升高而增加，以界面粘滞性滑动耗能为主的沦 况下，当。＞…时，阻尼随频率的降低而增加；该村料的温度特性是：随着 温度增加，JZ、；缺陷浓度降低，有效位错长度J增加，另外，尽管位错密度会 降低，但可动位错密度八仍可能会增加，山于内耗值正比于八尸，所以内耗 值将随着温度增加而显著提高。 实验中，适当的选用比水淬更快的冷却介质，山于山热错配机制导致的 位错密度显著提高，位错阻尼增大，因而材料的阻尼性能会有所改善；但是 过大的冷却漆度淬火（如淬火介质选液氮）将导致位错密度过高，位错纳结 严重，有效位错长度和可动位错数量降低，从而并不会使材料阻尼达到最大 的提高。山即，适当的增加淬火冷却速度可获得比水淬更好的阻尼性能，但 阻尼性能的提高与淬火冷却速度的增加不存在线性关系。 另一方汕，通过实验还可观察到，各种热处理状态试样，在1扣℃～川0 OC范围内均出现温度内耗峰，频率增加，内耗峰向高温移动，峰高增加，分 析认为，该峰具有他豫特性，它是在热与应力的双重作用下，有位错拖曳点 缺陷运动所奴，符合位错诱生阻尼机制。本质卜讲，内耗的产生是山于试仆 内部存在末一些与试样中的短程序或长程序参量有关的内部变量，这些变最 牵涉到试付中的原于排列状态、电于分介状态或磁畴【刨涛的排列状态，－’亏w 休的内部结构和结构缺陷及其运动变化以及其刑的相工作用的微观过程密切 相关。在外加应力的作用下，这些内部参乞＊｛厂一个平烦值过渡到另一个个饭 值时就引起了附加的应变，但是这个过渡版卜－定的时问，即他豫时问末亢 成，并回．需父越过一定的势垒，即需要一定的颁活能。山于实验中弛豫过沾 是通过原于扩敝（热傲活）过程米进行，；‘d叶迎过勺山en山s方程测得内耗 峰的激活能（即他豫过程中原子必须克服的能垒高度）均高于1eV，且抬数 前因于介于10－”～10川之问；另外，不同的淬火处理对该内耗峰也有显著影 — —11—— 一2