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摘要：针对Zn-22Al合金在低周循环下的疲劳问题，本文对轧制工艺下不同压下率（40%、50%、60%）的Zn-22Al合金进行了低周疲劳试验研究。试验结果表明，60%压下率下的Zn-22Al合金表现出良好的低周疲劳性能。这也从另一方面证明了Zn-22Al合金具有良好的耗能减震性能，是制作阻尼器的良好材料。
关键词：Zn-22Al合金 低周疲劳 阻尼器
Research and Development of Low Cycle Behavior Properties of Superplastic Zn-22Al Alloy
Abstract：This paper focuses on the low cycle fatigue properties of Zn-22Al alloy under different reduction ratio（40%、50%、60%）. The results showed the reduction ratio of 60% of the Zn-22Al alloy had better low-cycle fatigue properties.On the other hand ，it proved Zn-22Al alloy had good energy dissipation performance.So it is a good material for making dampers.
Keywords: Zn-22Al alloy; Low cycle fatigue; Dampers
中图分类号：F407.4 文献标识码：A
引言
地震给人类的生命和财产造成了巨大的损害。随着现代建筑技术的发展，耗能减震技术已经成为一种发展趋势，研究的重心大部分集中在隔离器和抗震阻尼器上，旨在减少在地震中建筑物的振动，从而防止伤害。金属阻尼器是通过往复塑性变形的方式耗散输入结构的地震能量[1]，因此，阻尼材料在往复循环下的耗能性能及疲劳寿命就显得尤为重要。目前，用于制作阻尼器的材料主要有低屈服点钢，镁合金以及铅等，大量实践表明[2-3]，这些材料的耗能器都或多或少的存在一些问题：如低屈服点钢每次地震发生后需要进行检查和更换，由于地震作用会导致低屈服点工作硬化和性能恶化，镁合金强度不足以及铅是对人体健康有害等。这些问题似的耗能器的耗能降低。在这样的背景下，Zn-22Al合金以其具有的低变形应力，无加工硬化，高延展性[4-5]、价格便宜等优点引起了人们的广泛关注。此外，作为阻尼装置，此类组件受到循环应力（应变）的作用，由于地震中是产生交变的应力或应变。因此，低周疲劳可以视为为主要破坏模式。一般强震的持续时间在一分钟以内，频率在1-3Hz之间，在这种情况下，疲劳循环的周次在100—200次建筑破坏，这属于高应变低周疲劳。本文旨在研究超塑性Zn-22Al合金的力学性能和疲劳性能，看它是否满足阻尼器的要求。
1 力学性能
超塑性Zn-22Al合金是由Zn和Al两种元素组成，其中Al的质量分数为22%，还有极其微量的C和O。试验所用的试件是经过一系列的加工过程所得到，其中包括坯料的热处理，轧制，切割和试样的打磨，最后得到如图1.1所示的试件。试件分为1#，2#，3#，他们的轧制工艺有所区别，1#下压率为40%，2#为50%，3#为60%，然后通过拉伸试验比较这三组试样的拉伸性能，其中每组7个试件。
a）实物圖 b）示意图
图1.1 加工后试件实物图和示意图
拉伸试验是用的长春机械厂生产的万能试验机，试验前在试件表面黏贴应变片，用电阻应变仪测试件表面在弹性阶段的横向应变和纵向应变，最后算出泊松比。通过拉伸试验得到三种轧制工艺下试件的一些力学参数。
试验得到在加载速度为2.88mm/min下，不同下压率Zn-22Al合金的应力应变曲线如下图1.2。通过图可以发现下压率越大其延伸率越大，但其强度反而降低。1#试件延伸率最小，极限强度最大，而3#试件正好相反。
图1.2 应力—应变曲线
除了应力-应变曲线可反应材料的基本力学性能外，延伸性也是很重要的一方面。延伸率是衡量材料塑性性能的一个重要指标，它可以通过断前断后的长度来计算，最后算出三者的延伸率。泊松比和弹性模量在试验过程也可以测出。因此可以把三者的一些力学性能数据归总到下表1.1。
表1.1 三种加工工艺下的力学性能
力学性能 屈服强度（Mpa） 延伸率（%） 泊松比 弹性模量
1# 168 35.5 0.3 74.5
2# 162 60 0.32 71.4
3# 148 123 0.31 58.6
2 低周疲劳试验
试验用的是由瑞士W+b公司生产的电液伺服疲劳试验机。试验采用应变控制，分别在应变幅为2.5%（总应变幅为5%）1.2%，1.0%，0.8%，振幅频率为1Hz，在室温条件下，比较三种加工工艺的疲劳寿命。并与低屈服点钢作比较。具体数据见下表1.2
表1.2 不同应变幅下各试样疲劳寿命
下压率 试件 2.50% 1.20% 1.00% 0.80%
1# 59 372 474 2293
2# 25 102 291 1944
3# 132 483 1538 5462
通过上表可以发现：3#试件的疲劳寿命最大，其次是1#试件，2#试件的疲劳寿命最小；另一方面随着应变幅的增大，疲劳寿命下降。根据一般金属静强度、塑形与疲劳寿命的关系[6]，见下图1.3，在一个特殊的点（强度曲线与延性曲线交点）时，两者对疲劳的影响是相等的，通常对应的疲劳寿命N=104-105之间，当小于这个循环寿命时，应变增加，延性起主要作用，强度作用减小，较高的塑形能保证在屈服阶段充分变形，吸收较高的地震能量，因此3#试件循环次数最多就可以得到解释；当大于这个循环次数，强度就起主要作用，而延性起次要作用，这常常出现在高周疲劳中。
图1.3 强度，延性与疲劳寿命关系
为了作为比较，我们将3#试件在应变幅为1.2%，1.0%和0.8%，频率为1Hz室温条件下与低屈服点钢BLY225，BLY160[7-8]进行比较。通过如下图1.4可以直观的发现，超塑性Zn-22Al合金疲劳性能上有明显的优势。完全满足在强震下作为阻尼器的要求。除此之外，我们通过疲劳试验发现，3#试件有比较饱满的滞回曲线，说明3#试件吸能效果比较好，符合抗震的要求。
图1.4下压率60%的Zn-22Al合金与其他金属材料的对比
图1.5 3#试件滞回曲线
3 结论
（1）随着低屈服点钢，橡胶和铅在阻尼器中的应用，超塑性Zn-22Al合金也可以在地震中发挥着良好的疲劳性能和耗能作用，可以应用在地震阻尼器上。
（2）通过拉伸试验表明3#试件（下压率60%）有较低的屈服强度，良好的塑性等优点，是制作金属阻尼器的良好材料
（3）通过疲劳试验表明3#试件有良好的低周疲劳性能，疲劳寿命明显高于1#，2#试件且比常用的低屈服点钢的疲劳寿命长，同时吸能耗能效果良好，可以提高抗震能力。
参考文献：
TSUTOMU, TANAKA, YORINOBU, TAKIGAWA, KENJI, HIGASHI. LOW CYCLE FATIGUE BEHAVIOR OF Zn-22Al ALLOY IN SUPERPLASTIC REGION AND NON-SUPERPLASTIC REGION[J]. International Journal of Modern Physics, 2008, 22(2): 5477-5482
Tsutomu, Tanaka, Masahide, Kohzu, Yorinobu, Takigawa, Kenji, Higashi. Low cycle fatigue behavior of Zn–22%Al alloy exhibiting high-strain-rate superplasticity at room temperature[J]. Scripta Materialia, 2005, (52): 231-236
王敬丰, 魏文文, 潘复生, 汤爱涛, 丁培道. 金属阻尼材料研究的新进展及发展方向[J]. 材料导报, 2009, (13): 15-19
杨菲菲，董雪花. Zn-22Al 合金的力学性能及其阻尼器性能分析[J]. 江苏建筑, 2011, (6): 39-41
王建国，董雪花. 新型Zn-22Al 合金阻尼器的减震性能分析[J]. 江苏建筑, 2013, (1): 32-34
王栓柱，宋凤明，李自刚. 金属疲劳[M]. 福州:福建科技出版社, 1985. 95-97
温东辉. 160MPa级抗震用低屈服点钢的研究与应用[J]. 钢铁研究学报, 2010, 22(1): 52-56
宋凤明, 温东辉, 李自刚. 225MPa级抗震用低屈服点钢的开发[J]. 材料热处理技术, 2009, (6): 62-64
关键词：Zn-22Al合金 低周疲劳 阻尼器
Research and Development of Low Cycle Behavior Properties of Superplastic Zn-22Al Alloy
Abstract：This paper focuses on the low cycle fatigue properties of Zn-22Al alloy under different reduction ratio（40%、50%、60%）. The results showed the reduction ratio of 60% of the Zn-22Al alloy had better low-cycle fatigue properties.On the other hand ，it proved Zn-22Al alloy had good energy dissipation performance.So it is a good material for making dampers.
Keywords: Zn-22Al alloy; Low cycle fatigue; Dampers
中图分类号：F407.4 文献标识码：A
引言
地震给人类的生命和财产造成了巨大的损害。随着现代建筑技术的发展，耗能减震技术已经成为一种发展趋势，研究的重心大部分集中在隔离器和抗震阻尼器上，旨在减少在地震中建筑物的振动，从而防止伤害。金属阻尼器是通过往复塑性变形的方式耗散输入结构的地震能量[1]，因此，阻尼材料在往复循环下的耗能性能及疲劳寿命就显得尤为重要。目前，用于制作阻尼器的材料主要有低屈服点钢，镁合金以及铅等，大量实践表明[2-3]，这些材料的耗能器都或多或少的存在一些问题：如低屈服点钢每次地震发生后需要进行检查和更换，由于地震作用会导致低屈服点工作硬化和性能恶化，镁合金强度不足以及铅是对人体健康有害等。这些问题似的耗能器的耗能降低。在这样的背景下，Zn-22Al合金以其具有的低变形应力，无加工硬化，高延展性[4-5]、价格便宜等优点引起了人们的广泛关注。此外，作为阻尼装置，此类组件受到循环应力（应变）的作用，由于地震中是产生交变的应力或应变。因此，低周疲劳可以视为为主要破坏模式。一般强震的持续时间在一分钟以内，频率在1-3Hz之间，在这种情况下，疲劳循环的周次在100—200次建筑破坏，这属于高应变低周疲劳。本文旨在研究超塑性Zn-22Al合金的力学性能和疲劳性能，看它是否满足阻尼器的要求。
1 力学性能
超塑性Zn-22Al合金是由Zn和Al两种元素组成，其中Al的质量分数为22%，还有极其微量的C和O。试验所用的试件是经过一系列的加工过程所得到，其中包括坯料的热处理，轧制，切割和试样的打磨，最后得到如图1.1所示的试件。试件分为1#，2#，3#，他们的轧制工艺有所区别，1#下压率为40%，2#为50%，3#为60%，然后通过拉伸试验比较这三组试样的拉伸性能，其中每组7个试件。
a）实物圖 b）示意图
图1.1 加工后试件实物图和示意图
拉伸试验是用的长春机械厂生产的万能试验机，试验前在试件表面黏贴应变片，用电阻应变仪测试件表面在弹性阶段的横向应变和纵向应变，最后算出泊松比。通过拉伸试验得到三种轧制工艺下试件的一些力学参数。
试验得到在加载速度为2.88mm/min下，不同下压率Zn-22Al合金的应力应变曲线如下图1.2。通过图可以发现下压率越大其延伸率越大，但其强度反而降低。1#试件延伸率最小，极限强度最大，而3#试件正好相反。
图1.2 应力—应变曲线
除了应力-应变曲线可反应材料的基本力学性能外，延伸性也是很重要的一方面。延伸率是衡量材料塑性性能的一个重要指标，它可以通过断前断后的长度来计算，最后算出三者的延伸率。泊松比和弹性模量在试验过程也可以测出。因此可以把三者的一些力学性能数据归总到下表1.1。
表1.1 三种加工工艺下的力学性能
力学性能 屈服强度（Mpa） 延伸率（%） 泊松比 弹性模量
1# 168 35.5 0.3 74.5
2# 162 60 0.32 71.4
3# 148 123 0.31 58.6
2 低周疲劳试验
试验用的是由瑞士W+b公司生产的电液伺服疲劳试验机。试验采用应变控制，分别在应变幅为2.5%（总应变幅为5%）1.2%，1.0%，0.8%，振幅频率为1Hz，在室温条件下，比较三种加工工艺的疲劳寿命。并与低屈服点钢作比较。具体数据见下表1.2
表1.2 不同应变幅下各试样疲劳寿命
下压率 试件 2.50% 1.20% 1.00% 0.80%
1# 59 372 474 2293
2# 25 102 291 1944
3# 132 483 1538 5462
通过上表可以发现：3#试件的疲劳寿命最大，其次是1#试件，2#试件的疲劳寿命最小；另一方面随着应变幅的增大，疲劳寿命下降。根据一般金属静强度、塑形与疲劳寿命的关系[6]，见下图1.3，在一个特殊的点（强度曲线与延性曲线交点）时，两者对疲劳的影响是相等的，通常对应的疲劳寿命N=104-105之间，当小于这个循环寿命时，应变增加，延性起主要作用，强度作用减小，较高的塑形能保证在屈服阶段充分变形，吸收较高的地震能量，因此3#试件循环次数最多就可以得到解释；当大于这个循环次数，强度就起主要作用，而延性起次要作用，这常常出现在高周疲劳中。
图1.3 强度，延性与疲劳寿命关系
为了作为比较，我们将3#试件在应变幅为1.2%，1.0%和0.8%，频率为1Hz室温条件下与低屈服点钢BLY225，BLY160[7-8]进行比较。通过如下图1.4可以直观的发现，超塑性Zn-22Al合金疲劳性能上有明显的优势。完全满足在强震下作为阻尼器的要求。除此之外，我们通过疲劳试验发现，3#试件有比较饱满的滞回曲线，说明3#试件吸能效果比较好，符合抗震的要求。
图1.4下压率60%的Zn-22Al合金与其他金属材料的对比
图1.5 3#试件滞回曲线
3 结论
（1）随着低屈服点钢，橡胶和铅在阻尼器中的应用，超塑性Zn-22Al合金也可以在地震中发挥着良好的疲劳性能和耗能作用，可以应用在地震阻尼器上。
（2）通过拉伸试验表明3#试件（下压率60%）有较低的屈服强度，良好的塑性等优点，是制作金属阻尼器的良好材料
（3）通过疲劳试验表明3#试件有良好的低周疲劳性能，疲劳寿命明显高于1#，2#试件且比常用的低屈服点钢的疲劳寿命长，同时吸能耗能效果良好，可以提高抗震能力。
参考文献：
TSUTOMU, TANAKA, YORINOBU, TAKIGAWA, KENJI, HIGASHI. LOW CYCLE FATIGUE BEHAVIOR OF Zn-22Al ALLOY IN SUPERPLASTIC REGION AND NON-SUPERPLASTIC REGION[J]. International Journal of Modern Physics, 2008, 22(2): 5477-5482
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王敬丰, 魏文文, 潘复生, 汤爱涛, 丁培道. 金属阻尼材料研究的新进展及发展方向[J]. 材料导报, 2009, (13): 15-19
杨菲菲，董雪花. Zn-22Al 合金的力学性能及其阻尼器性能分析[J]. 江苏建筑, 2011, (6): 39-41
王建国，董雪花. 新型Zn-22Al 合金阻尼器的减震性能分析[J]. 江苏建筑, 2013, (1): 32-34
王栓柱，宋凤明，李自刚. 金属疲劳[M]. 福州:福建科技出版社, 1985. 95-97
温东辉. 160MPa级抗震用低屈服点钢的研究与应用[J]. 钢铁研究学报, 2010, 22(1): 52-56
宋凤明, 温东辉, 李自刚. 225MPa级抗震用低屈服点钢的开发[J]. 材料热处理技术, 2009, (6): 62-64