质子和离子辐照对镁稀土合金力学性能的影响

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1、航天器环境工程第27卷第1期54SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年2月质子和离子辐照对镁稀土合金力学性能的影响董尚利1，肖景东1，马超1，吕钢1，何世禹1，韩恩厚2(1．哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001；2．中国科学院金属研究所，沈阳110016)摘要：文章研究了质子和离子(氮离子)辐照对镁稀土(Mg．Zn．Y-Zr)合金拉伸性能、表面硬度及拉伸变形断裂行为的影响。经能量为170keV，注量分别为5x10坫／cm2，lxl016／cm2、2x1016／cm

2、2、lxl017／cm2的质子或离子辐照后，合金的拉伸性能和拉伸断口形貌没有发生显著变化，表明质子和离子辐照对Mg．Zn．Y-Zr合金宏观力学性能的影响有限，这与辐照粒子(质子或离子)对合金的穿透深度浅有关。纳米显微硬度测试和扫描分析结果显示，经氮离子辐照后，Mg．Zn．Y-zr合金被辐照面表层发生了一定程度的硬化，纳米显微硬度随着辐照注量的增加而逐渐增加，而质子辐照的硬化效果不明显。关键词：镁合金；质子辐照；离子辐照；表面硬化；拉伸性能中图分类号：0482．1；0483文献标识码：A文章编号：1673-1379(

3、2010)01-0054-05DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．01．010l前言镁合金具有比强度和比模量高、阻尼减震性能好、导热能力强及静电屏蔽性能好等特点，在汽车、电子、航空航天领域的应用日益广泛。随着高性能镁合金的不断开发，镁合金被列为许多航天飞行器结构或器件的候选材料【l'21。空间辐照是航天器在轨运行所经历的主要环境之一，容易对光学材料、热控材料、树脂基材料以及太阳能电池、电子元器件等造成辐照损伤，从而影响航天器在轨服役的寿命和可靠性，国内外对此已进行了广泛的研究【3巧】

4、，但有关空间辐照条件下镁合金损伤效应的研究工作相对很少№J。Mg．Zn．Y-Zr为新近开发的高强镁稀土合金，是一种具有潜在应用价值的航天结构材料。本文以此为研究对象，通过测试分析该合金在相同能量、不同注量的质子及离子(氮离子)辐照后的拉伸性能、表面硬度和拉伸断裂行为，揭示质子或离子辐照对Mg—Zn．Y-Zr合金的影响规律，丰富对镁合金辐照效应的认识，以期为航天器用镁合金构件的设计提供参考。为92．6％Mg一5．65％Zn一1．15％Y-0．60％Zr(w．t．％)，试样直接取自锻造坯料，经线切割成型为片状拉伸试样(

5、拉伸方向平行于锻造方坯的长轴方向)。辐照试验前，试样表面进行精磨和抛光，同一注量质子或离子辐照及未辐照对比试样每组均为4个，其中1个用于辐照后的XRD分析和纳米显微硬度测试，其余3个用于拉伸试验。分别采用空间综合辐照模拟设备和正离子辐照设备进行质子和离子辐照试验，质子和离子辐照能量均为170keV，注量分别为5x1015／cm2、lxl016／cm2、2x1016／cm2和lxl017／cm2。拉伸试验在万能材料试验机MTS一810上进行，测试温度为室温，夹头拉伸速度为0．5mm／min，载荷位移曲线由计算机记录。

6、拉伸断口和断口附近表面形貌观察在扫描电子显微镜S-4700上进行，加速电压为15kV。XRD分析采用PhilipsX’PertX射线衍射仪，扫描角度范围20。～900，步进角度为0．050，掠射角为1o。纳米显微硬度测试采用NanoIndenterXP纳米显微硬度仪，质子辐照试样测试深度为2000Bin，离子辐照试样测试深度为400nm。2材料和试验方法3试验材料为镁稀土合金锻造态板坯，其成分结果和讨论图1给出了分别经给定注量的质子和氮离子收稿日期：2009．10．09；修回日期：2009．12．14基金项目：国家

7、自然科学基金重点项目(50431020)“空天环境下金属材料的疲劳与损伤”。作者简介：董尚利(1966．)，男，博士学位，教授，主要研究方向为模拟空间环境条件下材料行为评价与性能表征。联系电话：(0451)86412462；E—mail：sldong@hit．edu．cn．董尚利等：质f和离子辐照对镁稀土合金力学性能的影响辐照前后Mg．Zn．Y-Zr合金的xRD谱，叮以看到：辐照前合金由两相组成，分别为Mg和MgsYZn6；而经能量为170keV，注量分别为5×10”lcm2、2×1016／cm2和l×1017／c

8、m2的质子或离子辐照后，各辐照试样与原始试样的衍射峰吻合得较好，并没有新峰出现，即合金经辐照后没有产生新相。这说明辐照并没有引起Mg．Zn．V-Zr合会的相组成发牛本质变化。2守‘Il”氯离f离子辐照图l不同汴量质子和氮离子辐照后试样的XRD谱Fig．1XRDpatternsofprotonirradiated(a)andnitrogenionirradia