压铸镁合金AZ91D非均匀组织变形行为及其对力学性能的影响

随着汽车、航空航天、电子等领域对轻量化需求的不断增加，镁合金以其密度低、比强度高、可回收性好等优点受到广泛关注。镁合金优异的铸造性能使其特别适用于高压压铸（HPDC）工艺。然而，镁合金压铸件作为承力件的大规模应用仍面临诸多挑战，这与镁合金在室温下相对较低的绝对强度和延展性有关。由于具有密排六方（HCP)晶体结构，镁合金在塑性变形过程中滑移系数量有限，在这种情况下孪晶变形是镁合金的另一种重要塑性变形机制。除了HCP晶体结构的固有限制外，压铸镁合金的微观组织对力学性能具有重要影响。压铸Mg-Al合金的典型显微组织通常由α-Mg基体、β相和气孔组成，其中α-Mg基体一般由较细小的晶粒和称之为ESCs的粗大预结晶组织构成，而合金较低的Al含量和HPDC过程中的高冷却速率使得α-Mg晶界处的β相呈现完全离异共晶形态。在压铸件横截面上通常还会观察到孔隙聚集的缺陷带。现有研究已较深入的揭示了上述组织特征各自对压铸件宏观力学性能的影响，然而上述组织特征的微观变形行为及其对压铸件力学性能的耦合作用机制还有待进一步明确。

最近，武汉理工大学吴孟武副教授和清华大学熊守美教授等人基于HPDC工艺分别采用传统和改进分流锥制备了镁合金AZ91D压铸试样，试验结果表明由于改进分流锥对压室预结晶的阻挡和收集作用，采用改进分流锥制备的压铸试样中α-Mg晶粒更细小均匀，此时拉伸试样中位错滑移更难以发生。通过对采用传统与改进分流锥制备的两种试样的拉伸变形过程进行原位观察，得出裂纹分别萌生于试样气缩孔与岛状疏松位置，而裂纹扩展主要包括孔洞长大和合并两种机制。在采用传统分流锥制备的压铸试样中，裂纹将穿过α-Mg晶界处呈网状形态的β相，而在采用改进分流锥制备的压铸试样中，裂纹将绕过岛状的β相。力学性能测试结果表明采用改进分流锥制备的压铸试样力学性能显著高于采用传统分流锥制备的压铸试样，这是由试样微观组织中的α-Mg晶粒、β相和气孔共同作用决定的。

本文采用传统与改进分流锥分别制备了镁合金AZ91D压铸试样，并系统对比分析了两者的显微组织与力学性能差异。如图1所示为两种压铸试样的典型显微组织，可以看到采用改进分流锥制备的压铸试样中α-Mg晶粒更细小均匀，粗大预结晶组织面积比显著减少，印证了实验设计的改进分流锥具有压室预结晶组织的阻挡和收集作用。同时，传统分流锥制备的试样晶界β相主要呈现网状分布形态，而改进分流锥制备的试样晶界β相更多的呈现岛状形态。同样的，传统分流锥制备的试样组织中由于粗大ESCs的存在，晶界处形成更多的气缩孔，而改进分流锥制备的试样组织中气孔更分散，呈现岛状疏松形态。

图1 采用传统及改进分流锥制备的镁合金AZ91D压铸试样微观组织形貌（α-Mg晶粒、β相、孔洞）

重点研究了镁合金AZ91D压铸显微组织中α-Mg晶粒、孔洞及β相的拉伸变形行为，结果如图2和3所示。在采用传统分流锥制备的镁合金AZ91D试样压铸态及拉伸变形态组织中，均观察到了位错滑移现象，同时在压铸态组织中发现了沿着{10-13}压缩孪晶，而拉伸变形态组织中发现了沿着{10-12}的拉伸孪晶。对于采用改进分流锥制备的镁合金AZ91D压铸试样，压铸态组织中几乎没有发现α-Mg晶粒内的取向差，也即此时并没有观察到位错滑移和孪晶现象，只在拉伸变形态组织中观察到了位错滑移现象。通过定量统计分析两种试样压铸态及拉伸变形态下微观组织中α-Mg晶粒取向差，得出α-Mg晶粒塑性变形以位错滑移为主，孪晶变形为辅，同时位错滑移更易于发生在粗大α-Mg晶粒内部。基于原位拉伸实验观察，采用传统分流锥制备的镁合金AZ91D压铸试样中裂纹主要起源于气缩孔位置，随着气孔的长大与膨胀，裂纹近似垂直于拉伸方向进行扩展；对于采用改进分流锥制备的镁合金AZ91D压铸试样，裂纹主要起源于岛状疏松位置，而裂纹的扩展依靠微气孔的合并与联接进行。原位拉伸实验还发现在采用传统分流锥制备的压铸试样中，裂纹将穿过α-Mg晶界处呈网状形态的β相，而在采用改进分流锥制备的压铸试样中，裂纹将绕过岛状的β相。

图2 采用传统及改进分流锥制备的镁合金AZ91D试样压铸态及拉伸变形态下的晶粒取向图与取向差

图3 采用传统及改进分流锥制备的镁合金AZ91D压铸试样中孔洞及β相拉伸变形行为

本研究还对两种压铸试样的力学性能进行了测试，如图4所示。结果表明采用改进分流锥制备的压铸试样力学性能指标均优于采用传统分流锥制备的压铸试样，尤其是延伸率几乎是后者的两倍。上述力学性能的差异，是由压铸试样微观组织中的α-Mg晶粒、β相和气孔共同作用决定的。本研究分别讨论了α-Mg晶粒、β相和气孔对压铸试样力学性能的影响规律，特别是结合已有理论模型与实验数据探讨了气孔对试样力学性能的影响，结果表明气孔体积的增加会显著降低试样的抗拉强度与延伸率。

图4 采用传统及改进分流锥制备的镁合金AZ91D压铸试样力学性能测试结果

综上所述，本研究采用传统与改进分流锥分别制备了镁合金AZ91D压铸试样，发现两种试样微观组织中的α-Mg晶粒、孔洞及β相形态存在较大差异，由此导致试样变形行为与宏观力学性能的差异，研究得出细小均匀的微观组织有利于提高镁合金压铸件的力学性能，这为提高镁合压铸件室温下的绝对强度和延展性，扩大镁合金压铸件作为承力构件的应用范围提供了指导作用。

来源：JMACCMg