一、论文概述

近年来，航空航天、轨道交通和国防军工等重点领域重大装备发展日趋高速化、轻量化和大功率化，振动和噪声问题变得日益突出。据统计，由振动问题造成的武器系统或仪器故障高达10%；火箭、卫星的失效故障中，更是约2/3与振动和噪声有关。常规的轻量化镁合金已经不能满足重点领域重大装备升级换代的需求。因此，发展具备高强度阻尼减振的新型结构一功能一体化镁合金变得日益重要。然而，传统的镁合金室温阻尼的产生机制是位错阻尼机制，要想提高镁合金的阻尼性能就必须使位错具有比较好的可动性。但是当前镁合金力学性能的主要强化机制，例如固溶强化、第二相强化、细晶强化等，其实质就是使位错钉扎，降低位错的可动性，从而提高镁合金的强度，所以镁合金的强度、塑性、功能特性不易兼得，甚至相互矛盾，导致镁合金特性远未充分发掘。

最近，上海交通大学王渠东教授课题组采用往复挤压大塑性变形工艺制备了纳米SiC颗粒增强AZ91D超细晶镁基复合材料（SiCnp/AZ91D），讨论了往复挤压加工道次及纳米增强相的添加对复合材料室温阻尼性能、高温阻尼性能以及阻尼-温度谱（tanδ~T）的影响。在解析SiCnp/AZ91D复合材料阻尼-温度谱的过程中，首次引入阻尼-温度谱的一次微分曲线，确定了镁基纳米复合材料在连续升温过程中位错开始脱钉、“雪崩式”脱钉以及晶界滑移的临界温度Tcr、Tp和Tv，并给出镁基纳米复合材料的阻尼机制随温度的转变规律。上述理论的建立将为高阻尼镁基纳米复合材料的开发提供重要的理论指导。

文章详细探讨了纳米SiC颗粒的添加以及往复挤压工艺对镁基纳米复合材料阻尼性能的影响规律，结果如图1所示。对于固溶态SiCnp/AZ91D复合材料，其阻尼-温度谱基本可以分为2个区间：低、中温区（25~200 ℃），阻尼值与测试温度无关；高温区（200~250 ℃），阻尼值随着测试温度的升高缓慢增加。纳米SiC颗粒的添加会降低固溶态基体合金的室温阻尼性能，但是会提高其高温阻尼性能。对于往复挤压后的SiCnp/AZ91D复合材料，其阻尼-温度谱可以分为以下3个区间：低温区（<Tcr），阻尼值与测试温度无关；中温区（Tcr~Tv），阻尼值随着温度的升高逐渐增加；高温区（>Tv），阻尼值随着温度的升高快速增加。随着SiC纳米颗粒含量的增加，基体合金的室温阻尼性能和高温阻尼性能均逐步降低。这主要是由于在低温条件下，SiC纳米颗粒通过阻碍位错运动，导致往复挤压复合材料的室温阻尼性能低于同加工状态下的合金；高温条件下，尽管Mg/SiCnp相界面随着SiC纳米颗粒的添加有所增加，但是沿着晶界分布的SiC纳米颗粒会阻碍晶界滑动，使得往复挤压复合材料的高温阻尼性能低于同加工状态下的合金。

图1 纳米SiC颗粒的添加及往复挤压工艺对SiCnp/AZ91D复合材料阻尼性能的影响:（a, c）阻尼-温度谱（tanδ~T）；（b, d）室温（25 ℃）、高温（250 ℃）阻尼性能（振动频率：1Hz）

图2(a-d)为不同振动频率下，往复挤压SiCnp/AZ91D复合材料的阻尼-温度谱（tanδ~T）。对比可知，尽管复合材料处于不同的往复挤压加工状态，但它们的阻尼-温度谱有很多相似之处：（1）复合材料的室温阻尼值随着振动频率的增加逐渐降低；但是，当振动频率从10Hz提高到20Hz时，室温阻尼值异常增大。（2）如前所述，复合材料的阻尼-温度谱可以根据阻尼值随测试温度变化的快慢程度划分为3个区间。为了揭示阻尼值随温度改变的速率，将阻尼-温度谱相对应的一次微分曲线（d(tanδ)/dT~T）绘于图中。很明显，当测试温度低于某一个临界温度（Tcr）时，d(tanδ)/dT≈0，此时阻尼值与测试温度无关（低温区）；当测试温度高于该临界温度（Tcr）时，d(tanδ)/dT>0，阻尼值随着测试温度的升高逐渐增加。与此同时，在阻尼-温度谱的一次微分曲线上出现了两个极值点（峰值Tp, 谷值Tv）。（3）随着测试温度的升高，复合材料的阻尼值对振动频率的变化越来越敏感，即随着测试温度的升高，振动频率对复合材料阻尼值的影响越来越明显。（4）复合材料的高温阻尼值随着振动频率的升高单调下降。

在中温区（Tcr~Tv），复合材料阻尼-温度谱的一次微分曲线（d(tanδ)/dT~T）上出现了两个明显的极值点。随着振动频率的增加，峰值温度（Tp）和谷值温度（Tv）逐渐增大，将Tp和Tv与所对应的振动频率分别进行Arrhenius线性拟合，拟合结果如图2e所示。对于图中任意一条拟合直线，线性相关系数都超过0.99，证实了任一加工道次下，复合材料阻尼-温度谱一次微分曲线中出现的峰和谷都对应于复合材料中的某种微观热弛豫行为。

图2  镁基纳米复合材料阻尼-温度谱的解析：

（a）阻尼-温度谱一次微分曲线；（b）阻尼-温度谱一次微分曲线中极值点的Arrhenius线性回归

通过总结、归纳往复挤压前、后合金/复合材料阻尼-温度谱及其一次微分曲线，结合已有的金属基复合材料的阻尼机制，往复挤压镁基纳米复合材料阻尼机制简述如下：往复挤压过程中，Mg17Al12相的动态析出使得基体内阻碍位错运动的弱钉扎点（Al原子）数量大为降低，而强钉扎点（Mg17Al12相）数量大大增加，如图3a所示。当测试温度低于临界温度（<Tcr）时，阻尼主要是由位错在弱钉扎点（Al原子、空位）间振荡产生；当测试温度略高于临界温度（Tcr）时，位错开始从弱钉扎点挣脱，但依然被强钉扎点（析出相、孪晶界、晶界）所钉扎；当测试温度提高到峰值温度（Tp）时，大量位错从弱钉扎点之间发生挣脱，发生所谓的“雪崩式”脱钉；当测试温度高于峰值温度（Tp）、但仍低于谷值温度（Tv）时，残余的少量仍被钉扎的位错逐渐发生脱钉；当测试温度高于谷值温度时（>Tv）时，Mg基体和Mg17Al12析出相的软化使得晶界和相界面发生相对滑动，此时材料的阻尼机制为晶界阻尼和相界面阻尼。

图3 往复挤压镁基纳米复合材料的阻尼-温度谱示意图及阻尼机制随温度的转变机理

综上所述，本研究采用往复挤压大塑性变形工艺制备了纳米SiC颗粒增强AZ91D超细晶镁基复合材料，讨论了往复挤压加工道次及纳米增强相的添加对复合材料室温阻尼性能、高温阻尼性能以及阻尼-温度谱（tanδ~T）的影响。在解析SiCnp/AZ91D复合材料阻尼-温度谱的过程中，首次引入阻尼-温度谱的一次微分曲线，确定了镁基纳米复合材料在连续升温过程中位错开始脱钉、“雪崩式”脱钉以及晶界滑移的临界温度Tcr、Tp和Tv，并给出镁基纳米复合材料的阻尼机制随温度的转变规律。

二、文章发表

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第5期：

[1] Mahmoud Ebrahimi, Li Zhang, Qudong Wang*, Hao Zhou, Wenzhen Li, Damping performance of SiC nanoparticles reinforced magnesium matrix composites processed by cyclic extrusion and compression [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(5): 1608-1617.

三、中文摘要

本文研究了往复挤压纳米SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料的阻尼机制。研究表明，在往复挤压变形过程中，基体合金中引入大量位错、亚晶界、晶界等，导致基体合金的阻尼性能先提高后降低。加工过程中动态析出的Mg17Al12将通过阻碍位错运动和晶界滑移，降低基体合金的室温阻尼性能，但是Mg17Al12/Mg相界面的形成有助于提高基体合金的高温阻尼性能。在解析SiCnp/AZ91D复合材料阻尼-温度谱的过程中，通过引入阻尼-温度谱的一次微分曲线，确定了镁基纳米复合材料在连续升温过程中位错开始脱钉、“雪崩式”脱钉以及晶界滑移的临界温度Tcr、Tp和Tv，并给出镁基纳米复合材料的阻尼机制随温度的转变规律。

四、Abstract

This work dealt with the damping performance and its underlying mechanism in SiC nanoparticles reinforced AZ91D composite (SiCnp/AZ91D) processed by cyclic extrusion and compression (CEC). It was found that the CEC process significantly affects the damping performance of the composite due to alterations in the density of dislocations and grain boundaries in the matrix alloy. Although there would be dynamic precipitation of the Mg17Al12 phase during processing which increases the phase interface and limits the mobility of dislocations and grain boundaries. The results also showed that the damping capacity of 1%SiCnp/AZ91D composite continuously decreases with adding CEC pass number and it consistently increases with rising the applied temperature. Considering the first derivative of the tanδ–T curve, the dominant damping mechanism based on test temperature can be divided into three regions. These three regions are as follows (i) dislocation vibration of the weak pinning points (≤Tcr), (ii) dislocation vibration of the strong pinning points (Tcr∼TV), and (iii) grain boundary/interface sliding (≥TV).

五、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

张利（第一作者），中北大学机械工程学院副教授，第九届中国科协青年人才托举工程入选者，主要从事结构功能一体化镁基纳米复合材料及其制备成形技术研究。在材料加工领域权威期刊上发表SCI论文24篇，其中第一作者或通讯作者12篇；申请国家发明专利6项，目前已授权4项、授权实用新型专利2项；撰写磁约束热核聚变堆专项标准7项，其中第一作者4项。兼任《粉末冶金技术》青年编委、全国有色金属学会会员、山西省粉末冶金产业技术联盟秘书长等学术职务。

Mahmoud Ebrahimi（第一作者）is a Professor of Mechanical Engineering at the University of Maragheh, Maragheh, Iran. He obtained his Ph.D. degree in Mechanical Engineering from the Iran University of Science and Technology (IUST) in 2015. He is the author of 105 papers published in international journals and 45 papers presented at national and international conferences. His research interests include metal-forming processes, severe plastic deformation (SPD) methods, multilayered metallic composites, additive manufacturing, and the characterization of ultrafine-grained and nanostructured metals and alloys.

王渠东（通讯作者），上海交通大学材料科学与工程学院/轻合金精密成型国家工程研究中心二级教授、长聘教授、博导。从事镁合金、铝合金及其成形技术、金属复合材料等研究开发工作，全球前2%及中国高被引学者，发表论文430余篇，出版学术专著5部，授权专利80项，获国家科技、省部级科技奖10余项。