颗粒增强铝基复合材料的阻尼行为
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Q叫一Q。叫+Qr_1
(1)
其中:
Q。1一c。譬ex一(-譬)
Q,1=C。pf2/b2
㈤
(3)
这里C。、C。和C,是由材料决定的物理常数;P和b是材料中的位错密度和柏氏矢量;e和 ,是振动时的应变振幅和频率。 从图l可见,铝台金和铝基复合材料的阻尼都表现为与应变振幅无关,因此,这是 位错弛豫型的阻尼。由式(3),材料中的位错密度增加能提高这种阻尼Q厂1。铝基复合材 料因基体铝合金与增强物颗粒的热膨胀系数不同,在复台材料的制备过程中会在界面附 近的基体中产生大量的位错,这已被大量的研究结果所证实”】。由于复合材料中位错密度 大大增加,这使得其位错弛豫阻尼大于铝合金.并且这种效果随颗粒含量增加而增加。 颗粒与基体的结合界面是复合材料特有的阻尼源。界面阻尼是界面在外加应力的作 用下发生相对的微滑移现象,从而消耗振动能力产生阻尼”1。通常,金属基复合材料的界 面结合是十分牢固的,室温阻尼测量时的应力不能使界面发生滑移,但随温度的升高,复 合材料的界面结合将逐渐减弱,界面滑移随温度的升高而加剧。由于界面在复合材料中 所占的比例十分巨大,界面将在高温下成为复合材料的主要阻尼源。关于弱结合界面的 界面滑移阻尼(Qi_1),Lederman引入了一个计算方法”…:
Mayl989
[4]Kinra
V
K,Wren
G G.Experimental
Methanes.1992,8:168・172
Is]张小农.吴人洁,张荻金属荽复合材料的阻尼机制与性能.机械工程材料,1996・20(5):1~4・80 [63张小农、吴人沽,强莸,张国定.高阻尼金属基复合材料的发展途径.材料工程,1997,(9):34~37 [7]Granato
sLn
A.The Damping Properties of
Composite MalerialslPh.D.dissertation,the
University
of W'm∞m-
Miiwaukee.1991
l
E11]Teuronieo
J,Granato
C San
A and
1,ncke
and
KJ
Appl.Phys.,1964,25:220
[12]N6MI。,Esnouf
Judn J
FantnzziG.ActaMetall.,1988,36(4);827・837
334
Damping Capacities of Aluminum Alloy Matrix Composites Reinforced
With
Particulate
Zhang Xiaonong (State Key Laboratory
J,Perez R』,Woag
C R,Lavernia E J,Mater.Set.Eng.R,1994,18(8){325
Rawal S P.Armstrong
J H and
Miara M s
Damping Characleristies
of Metal Matrix c。nlp∞;IHtADA213712,
鹚崞。;一镧;。棚—麓咱,
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Temperature(oC) 图5 SiC/LYl2复合材料的阻尼一温度行为(“牟30vol%,£一7×10_5) 。.:一
颗粒增强铝基复合材料中的中 温阻尼峰是首次观察到,为研究形 成该峰的可能机制,通过变频方法 测量了阻尼峰十分显著的高颗粒含 量(n=30%)的SiC/LYl2复合材 料,图5所示。发现该峰出现的温 度具有随频率增加而向高温侧移动 的特性。由于出现阻尼峰应满足 Arrhenius关系,作其阻尼峰温度 与对应频率的Arrhenius图,如图 6,计算得该阻尼峰的激活能为:H,
1引言
将陶瓷颗粒作为增强物加入到铝合金中制备的颗粒增强铝基复合材料,可提高铝台 金的刚度和强度、增加耐磨性、降低热膨胀系数等,因此,颗粒增强铝基复合材料被认 为具有较好的应用潜力。在动态结构应用中要求构件具有减小振动和嗓音的本领,对材 料的阻尼性能有特别的要求。为扩展颗粒增强铝基复合材料的动态应用领域。研究它们 的阻尼性能是必需的。虽然已有一些研究报道了铝基复合材料的阻尼性能口“】,但由于复 合体系的不同、制备工艺的差别、测量条件的不一致,对铝基复合材料的阻尼行为仍缺 少清晰的了解,本文研究颗粒增强铝合金复合材料的阻尼行为。
at
temperature is
and high tempera— inereaaed.h
Jiao
Wu Renjie Zhang Di of Metal Matrix Composites,Shanghai
Tong University,Shanghai 200030)
Abstract
The experimental results on damping behaviors of
that
3实验结果
图1是两个不同颗粒含量的Al:o。/LD2复合材料与LD2铝合金在室温时的阻尼一应
330
Strain
Amplitude
c
图1
AI:O,/LD2复合材料与LD2铝合金的阻尼一应变振幅行为比较(/=lHz,T=20"Cj
Temperature(oC) 图2 SiC/LYl2复合材料的阻尼一温度行为(V,一15vol“,E摹7×10_)
变振幅行为,可见在测量范围内,它 们的阻尼都几乎与应变振幅无关。复 合材料的阻尼比合金有一定的提高, 且这种提高随颗粒含量的增加而更加 显著,但它们的室温阻尼性能都仍较 低,如Vp=26%的复台材料,其阻尼 性能Q“仅为0.0035。 图2是颗粒含量为15%的SiC/ LYl2复合材料的阻尼一温度行为,图 中示出了在三个频率下的测量结果, 可见,随温度的升高,复合材料的阻 尼性能迅速增加,并且低频下增加的 效果更大。
Q,。;C,ukV。 (ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ)
其中:常数c;a,r/2,卢是陶瓷颗粒与金属基体之间的界面摩擦系数,k一4/%是界面处 径向应力集中系数,y,是颗粒的体积含量。 图3和图4的测量结果表明,温度升高,颗粒增强铝基复合材料的阻尼远大于铝合 金,并且颗粒含量增加,复合材料的阻尼更大,这是界面数量随颗粒含量增加而增加的
333
结果,与式(4)相符合。 颗粒增强铝基复合材料的中温阻尼峰现象是首次观察到,分析它的形成原因,作者 认为它可能是由复合材料中位错在该温度下热和应力的激活而产生的。Teutonnco[“3认 为位错不仅可以在较大的应力作用下发生脱钉运动,形成由应变振幅决定的阻尼峰,而 且位错也可以在热激活下发生脱钉运动,形成温度决定的阻尼峰。图5和图6的测量结 果表雕『,此铝基复合材料的中温阻尼峰发生的温度区间(150~210℃)和激活能 (1.26eV),与N6“”在纯铝中观察到的P。峰吻合,P。峰出现在约45K(,=1Hz)、激活 能为1,2eV,他们的研究认为P。峰是纯铝中自由位错的滑移机制产生的。因此,有理由 认为,此颗粒增强铝基复合材料的阻尼峰是由复合材料基体中较多数量的位错在热和应 力的作用下激活,位错线产生脱钉运动形成的。由于铝合金中不存在位错的大量集c扣现 象,因此铝合金中没有此阻尼峰。
331
。
; 重
芝 善
凸
囤3
SIC/LYl2复合材料与LYl2铝合金的阻尼一 温度行为比较(,=lHz,e一7×10-5)
图3比较了不同颗粒含量的 SiC/LYl2复合材料与LYl2铝合 金的阻尼一温度行为,发现颗粒含量 越多,复合材料的高温阻尼性能就 越好。该图还显示出复合材料在约 160。C处的中等温度范围有一个阻 尼峰现象,这个阻尼峰在高颗粒含 量的复合材料中较显著。 图4比较了不同颗粒含量的 Al。O。/LD2复合材料与LD2铝合 金的阻尼一温度行为,发现与SiC/
2实验方法
分别采用碳化硅(约10t-tm)和氧化铝(约20/*m)两种陶瓷颗粒为增强物,以LYl2 和LD2铝合金为基体,制备SiC/LYl2和Al。O。/LD2两种复合材料。采用搅拌帱造的方 法,在特制的真空搅拌炉中将颗粒加入熔融的铝合金中.以一定的速度搅拌使之在铝台 金中分散均匀,然后在铸模中冷却得到一定体积的复合材料铸锭,最后将铸锭在犬蛩压 机上挤压为十14mm×250mm3的圆棒状型材,从上面切取长为60ram×4mm×lmm’的 阻尼性能测试试样品。利用多功能内耗仪研究铝合金及其复合材料的阻尼性能(Q~‘)。多 功能内耗仪是一种垒自动的倒扭摆仪,在真空状态下以强迫振动方式测量,测量时应变 振幅(£)为10“~10~,频率(,)为0.1~5Hz,温度<7’)从20℃到400℃。
5结论
(1)无论在室温还是在高温,复合材料的阻尼性能都优于铝合金,并且随增强物含量 增加,复合材料的阻尼性能增加更大。 (2)位错阻尼和界面阻尼是提高复合材料阻尼性能的主要原因。 3)首次观察到颗粒增强铝基复合材料的中温阻尼峰现象,认为它是由位错在热和应 力的激活下运动产生的。 参考文献
[I]Wolfandes [2]Zhang E82
A,Lilcke K J.Appl.Phys,.1956—27t 589,789 R J,Shi N
.0锱麓。t鼍名∥
Es]Arsenault
Mater
Sci.Eag.・1986・ASl{175
[9]张小农.金属基复台材料的阻尼行斯研究.[博士学位i它文).上海变通大学,1997
Do]Lederman W
=:1.26eV。
332
1000/T(K‘1) 图6 SiC/LYl2复合材料的阻尼峰一温度的 Arrhenius圈(y,=30%)
4讨论
以上的测量结果说明颗粒增强铝基复合材料的阻尼性能,无论在室温还是在高温下 都优于铝合金,并且颗粒的加入量越多.复合材料的阻尼性能就越好。颗粒增强铝基复 合材料的阻尼强烈地依赖于环境的温度,在室温时它们都还较小,且与应变振幅无关,而 在较高温度下复合材料的阻尼可达到十分高的水平,远大于基体合金的阻尼值。研究认 为这种增加有两个主要的来源,即位错阻尼和界面阻尼。 位错是金属材料中重要的阻尼源。按照G—I。理论‘“.位错阻尼是晶体中位错线在外 加应力的作用下产生弛豫或脱钉运动产生的。位错弛豫是指位错在位错线上的钉扎点间 共振运动,从而消耗振动能量产生阻尼;位错脱钉是指位错从位错线上的弱钉扎点上挣 脱出来而仍被强钉扎点限制,这个脱钉过程可消耗较多的振动能量,产生较大的阻尼。位 错弛豫阻尼表现为与频率相关而与应变振幅无关,而位错脱钉阻尼表现为与频率无关,由 应变振幅决定。即材料阻尼Q1包括由应变振幅决定的阻尼@1和由频率决定的Q,。两 部分:
留4 Temperature(。C) AbOs/LD2复合材料与LDZ铝合金的阻尼一温度 行为比较(厂=1Hz,e聋7×10叫)
LYl2的阻尼行为十分相似,Al:O。/LD2的高温阻尼性能也随颗粒含量增加而有较大的 增长,但它们的阻尼性能小于SiC/LYl2。且也在约160"C处的中温范围有一个明显的阻 尼峰
A,Wolla J M.Dyp-amie Mechanical Properties.in“Metal Matrix
E:verett R K and Aresenau[L
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Comlms[tes:Machan岫4-nd
ProP-
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R j,Academic Press,lnc.・USA,1991.287
SiC/LYl2 and A120j/LD2
composites
are
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capacities room
of these
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than
that of the unreinforeed AI alloy both
increase
颗粒增强铝基复合材料的阻尼行为
张小农张荻吴人洁
(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200030)
要
摘
对比研究了SiC/LYl2和At:O。/LD2两种颗粒增强铝基复合材料及其铝台金
的阻尼行为,拉现复台材料的室温和高iRFJtlg性能都优予铝合金,并且随增强物含量增加.复 台材料的阻尼性能增加更大。研究认为位错阻尼和界面阻尼是提高复台材料阻尼性能的主 要原因。首次观察到复合材料的中温阻尼蜂现象,认为它是由位错在热和应力的澈活下运动 产生的. 关键词铝基复合材料阻尼性能颗粒位错界面
(1)
其中:
Q。1一c。譬ex一(-譬)
Q,1=C。pf2/b2
㈤
(3)
这里C。、C。和C,是由材料决定的物理常数;P和b是材料中的位错密度和柏氏矢量;e和 ,是振动时的应变振幅和频率。 从图l可见,铝台金和铝基复合材料的阻尼都表现为与应变振幅无关,因此,这是 位错弛豫型的阻尼。由式(3),材料中的位错密度增加能提高这种阻尼Q厂1。铝基复合材 料因基体铝合金与增强物颗粒的热膨胀系数不同,在复台材料的制备过程中会在界面附 近的基体中产生大量的位错,这已被大量的研究结果所证实”】。由于复合材料中位错密度 大大增加,这使得其位错弛豫阻尼大于铝合金.并且这种效果随颗粒含量增加而增加。 颗粒与基体的结合界面是复合材料特有的阻尼源。界面阻尼是界面在外加应力的作 用下发生相对的微滑移现象,从而消耗振动能力产生阻尼”1。通常,金属基复合材料的界 面结合是十分牢固的,室温阻尼测量时的应力不能使界面发生滑移,但随温度的升高,复 合材料的界面结合将逐渐减弱,界面滑移随温度的升高而加剧。由于界面在复合材料中 所占的比例十分巨大,界面将在高温下成为复合材料的主要阻尼源。关于弱结合界面的 界面滑移阻尼(Qi_1),Lederman引入了一个计算方法”…:
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[4]Kinra
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颗粒增强铝基复合材料中的中 温阻尼峰是首次观察到,为研究形 成该峰的可能机制,通过变频方法 测量了阻尼峰十分显著的高颗粒含 量(n=30%)的SiC/LYl2复合材 料,图5所示。发现该峰出现的温 度具有随频率增加而向高温侧移动 的特性。由于出现阻尼峰应满足 Arrhenius关系,作其阻尼峰温度 与对应频率的Arrhenius图,如图 6,计算得该阻尼峰的激活能为:H,
1引言
将陶瓷颗粒作为增强物加入到铝合金中制备的颗粒增强铝基复合材料,可提高铝台 金的刚度和强度、增加耐磨性、降低热膨胀系数等,因此,颗粒增强铝基复合材料被认 为具有较好的应用潜力。在动态结构应用中要求构件具有减小振动和嗓音的本领,对材 料的阻尼性能有特别的要求。为扩展颗粒增强铝基复合材料的动态应用领域。研究它们 的阻尼性能是必需的。虽然已有一些研究报道了铝基复合材料的阻尼性能口“】,但由于复 合体系的不同、制备工艺的差别、测量条件的不一致,对铝基复合材料的阻尼行为仍缺 少清晰的了解,本文研究颗粒增强铝合金复合材料的阻尼行为。
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图1是两个不同颗粒含量的Al:o。/LD2复合材料与LD2铝合金在室温时的阻尼一应
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Q,。;C,ukV。 (ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ)
其中:常数c;a,r/2,卢是陶瓷颗粒与金属基体之间的界面摩擦系数,k一4/%是界面处 径向应力集中系数,y,是颗粒的体积含量。 图3和图4的测量结果表明,温度升高,颗粒增强铝基复合材料的阻尼远大于铝合 金,并且颗粒含量增加,复合材料的阻尼更大,这是界面数量随颗粒含量增加而增加的
333
结果,与式(4)相符合。 颗粒增强铝基复合材料的中温阻尼峰现象是首次观察到,分析它的形成原因,作者 认为它可能是由复合材料中位错在该温度下热和应力的激活而产生的。Teutonnco[“3认 为位错不仅可以在较大的应力作用下发生脱钉运动,形成由应变振幅决定的阻尼峰,而 且位错也可以在热激活下发生脱钉运动,形成温度决定的阻尼峰。图5和图6的测量结 果表雕『,此铝基复合材料的中温阻尼峰发生的温度区间(150~210℃)和激活能 (1.26eV),与N6“”在纯铝中观察到的P。峰吻合,P。峰出现在约45K(,=1Hz)、激活 能为1,2eV,他们的研究认为P。峰是纯铝中自由位错的滑移机制产生的。因此,有理由 认为,此颗粒增强铝基复合材料的阻尼峰是由复合材料基体中较多数量的位错在热和应 力的作用下激活,位错线产生脱钉运动形成的。由于铝合金中不存在位错的大量集c扣现 象,因此铝合金中没有此阻尼峰。
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2实验方法
分别采用碳化硅(约10t-tm)和氧化铝(约20/*m)两种陶瓷颗粒为增强物,以LYl2 和LD2铝合金为基体,制备SiC/LYl2和Al。O。/LD2两种复合材料。采用搅拌帱造的方 法,在特制的真空搅拌炉中将颗粒加入熔融的铝合金中.以一定的速度搅拌使之在铝台 金中分散均匀,然后在铸模中冷却得到一定体积的复合材料铸锭,最后将铸锭在犬蛩压 机上挤压为十14mm×250mm3的圆棒状型材,从上面切取长为60ram×4mm×lmm’的 阻尼性能测试试样品。利用多功能内耗仪研究铝合金及其复合材料的阻尼性能(Q~‘)。多 功能内耗仪是一种垒自动的倒扭摆仪,在真空状态下以强迫振动方式测量,测量时应变 振幅(£)为10“~10~,频率(,)为0.1~5Hz,温度<7’)从20℃到400℃。
5结论
(1)无论在室温还是在高温,复合材料的阻尼性能都优于铝合金,并且随增强物含量 增加,复合材料的阻尼性能增加更大。 (2)位错阻尼和界面阻尼是提高复合材料阻尼性能的主要原因。 3)首次观察到颗粒增强铝基复合材料的中温阻尼峰现象,认为它是由位错在热和应 力的激活下运动产生的。 参考文献
[I]Wolfandes [2]Zhang E82
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4讨论
以上的测量结果说明颗粒增强铝基复合材料的阻尼性能,无论在室温还是在高温下 都优于铝合金,并且颗粒的加入量越多.复合材料的阻尼性能就越好。颗粒增强铝基复 合材料的阻尼强烈地依赖于环境的温度,在室温时它们都还较小,且与应变振幅无关,而 在较高温度下复合材料的阻尼可达到十分高的水平,远大于基体合金的阻尼值。研究认 为这种增加有两个主要的来源,即位错阻尼和界面阻尼。 位错是金属材料中重要的阻尼源。按照G—I。理论‘“.位错阻尼是晶体中位错线在外 加应力的作用下产生弛豫或脱钉运动产生的。位错弛豫是指位错在位错线上的钉扎点间 共振运动,从而消耗振动能量产生阻尼;位错脱钉是指位错从位错线上的弱钉扎点上挣 脱出来而仍被强钉扎点限制,这个脱钉过程可消耗较多的振动能量,产生较大的阻尼。位 错弛豫阻尼表现为与频率相关而与应变振幅无关,而位错脱钉阻尼表现为与频率无关,由 应变振幅决定。即材料阻尼Q1包括由应变振幅决定的阻尼@1和由频率决定的Q,。两 部分:
留4 Temperature(。C) AbOs/LD2复合材料与LDZ铝合金的阻尼一温度 行为比较(厂=1Hz,e聋7×10叫)
LYl2的阻尼行为十分相似,Al:O。/LD2的高温阻尼性能也随颗粒含量增加而有较大的 增长,但它们的阻尼性能小于SiC/LYl2。且也在约160"C处的中温范围有一个明显的阻 尼峰
A,Wolla J M.Dyp-amie Mechanical Properties.in“Metal Matrix
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张小农张荻吴人洁
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