納米SiC對AZ91D鎂合金組織和性能的影響

劉洪旭 李彩霞 張洋 閆志峰

摘 要：為了研究不同SiCp含量對AZ91D鎂合金的強化機理，采用掃描電子顯微鏡測定了各相的微觀結構組織形貌和分布特征。同時，結合X射線衍射分析結果，探究其強化機制。結果表明，納米SiCp加入使基體組織變為柱狀晶和樹枝晶。納米SiCp的加入可以顯著改善基體結構。在本次實驗中，納米SiCp的含量與晶粒尺寸成反比。當納米SiCp質量分數為0.5%時，AZ91D鎂合金的晶粒細化效果特別顯著，此時晶粒尺寸達到103.05 μm。適量的納米SiCp可以改善AZ91D鎂合金的力學性能，但抗拉強度隨著增強體含量先增加后減少。當增強體含量為0.5%時，拉伸強度達到最大值。

關鍵詞：納米SiCp;AZ91D鎂合金;微觀組織;力學性能

DOI：10.15938/j.jhust.2021.03.018

中圖分類號： TG146.2+2;TB333

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2021）03-0121-06

Effect of Nano SiC on Microstructure and Properties

of AZ91D Magnesium Alloy

LIU Hong-xu1， LI Cai-xia1， ZHANG Yang1， YANG Zhi-feng2

（1.School of Material Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China;

2.Harbin Solid State Electronics Co.， Ltd.， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to study the effect of different SiCp content on the microstructure and properties of AZ91D alloy， the effects of SiCp on the as-cast microstructure and mechanical properties of AZ91D magnesium alloy were investigated by means of metallographic microscope， scanning electron microscopy and X-ray diffraction analysis. The average grain size and area of the composites were determined. The results show that， in this experiment， the higher the content of SiCp， the smaller the size of the crystal grains. Adding proper amount of SiCp can improve the microstructure of AZ91D magnesium alloy and improve its mechanical properties. In this experiment， when the SiCp content is 0.5%， the grain refining effect of the AZ91D magnesium alloy Is most obvious， and the grain size is 103.05μm. The addition of SiCp can also improve the tensile strength， elongation and hardness of AZ91D magnesium alloy. The tensile strength， elongation and hardness of the alloy are 218.34MPa， 6.17% and 78.42HV.

Keywords：SiC nanoparticles; AZ91D magnesium alloy; microstructure; mechanical properties

0 引 言

作為最輕的高性能結構材料之一，具有高的比強度和比剛度的鎂合金廣泛應用于汽車、電子電器、國防軍工和航空航天等領域，被譽為21世紀的綠色結構材料[1-3]。然而，鎂是一種緊密堆垛的六方晶體結構，其滑移系相對較少，這會影響鎂合金的塑性變形能力、常溫力學性能、高溫強度和蠕變性能[3]。晶粒細化是提高鎂合金塑性變形能力的一種手段，有助于提高鎂合金性能[4-6]。納米SiCp作為鎂基復合材料的主要增強相，具有良好的耐磨性、抗沖擊性、抗氧化性能[7]。SiCp能夠提升鎂合金的機械性能[8-12]。在鎂合金中加入1.5 %的納米SiCp，復合材料的屈服強度、伸長率和硬度分別由85MPa、4.1%和73.6HV提高到124MPa、6.7%和91.5HV[12]。在AZ91D鎂合金中加入0.2%的納米SiCp，AZ91D合金的平均晶粒尺寸從鑄態480μm降到124μm[13]。在鎂合金中添加1%的納米SiCp，復合材料的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別由123、65MPa和2.2%提高到170、80MPa和6.5%[14]。添加石墨烯納米片的鎂合金，其抗拉強度、伸長率和硬度等性能都有所提高[15]。

根據上述分析，選用應用廣泛的AZ91D鑄造鎂合金，通過加入不同含量的納米SiCp，研究AZ91D合金顯微組織和力學性能。

1 試驗材料與方法

選擇的基體為AZ91D鎂合金，增強體顆粒為50nm的納米SiCp，同時使用RJ-2號覆蓋劑，防止基體鎂合金過度燃燒。將該合金在720℃下保溫30min，然后倒入預熱至200℃的金屬模具中，并在室溫下冷卻。腐蝕劑選用4%硝酸酒精，腐蝕時間為5s。鎂合金鑄錠加工成1平方厘米的小正方形塊，然后用不同型號的砂紙打磨完后，用1.5μm的Al2O3懸濁液作為拋光劑，尼絨布作為拋光布，進行拋光，經腐蝕液腐蝕完成后，FEI-SIRION掃描電鏡（SEM）用于觀察顯微組織，通過JEM-2100型透射電子顯微鏡進行組織結構分析，采用Gatan-600型離子束雙噴減薄儀對試樣進行減薄。在CSS-44300萬能試驗機上測試力學性能，應變速率為0.028s-1。拉伸試樣尺寸如圖1所示。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織分析

鑄態顯微組織SEM圖如圖2所示。納米SiCp的加入改變了合金組織的微觀結構，白色第二相β-Mg17Al12均在晶界處析出。在不含納米SiCp的AZ91D鎂合金中，顯微組織由粗大的α-Mg和不連續網狀分布的β-Mg17Al12組成，當加入質量分數為0.25%的納米SiCp時，合金的晶粒尺寸明顯變小，主要以長條的柱狀晶為主，且在晶界處析出較多的白色顆粒狀第二相（圖2（b））。當納米SiCp的質量分數增長為0.5%時，合金晶粒尺寸繼續變小，以長條狀分布的α-Mg相轉變為樹枝狀。沿晶界分布的β-Mg17Al12相顆粒顯著增加，如圖2（c）所示。隨著納米SiCp的含量繼續增加，合金組織的晶粒尺寸繼續減小，但變化速度明顯降低，如圖2（d），2（e）所示。合金組織晶粒尺寸減小的原因可能是納米SiCp可以作為異質形核核心，因為α-Mg和納米SiCp之間的錯配度很小（約為4%）[16-18]，初生的α-Mg相可以在納米SiCp上形核，并且納米SiCp的存在抑制了晶粒生長，使得復合材料的晶粒顯著細化，起到細晶強化的效果。圖2（d），2（e）中晶粒尺寸減小速度下降的原因可能是納米SiCp具有較高的比表面能，由于加入量過大且攪拌不均勻從而發生團聚現象，影響晶粒的細化效果。因此，添加適量的納米SiCp可以細化晶粒，并增加組織均勻性、改善合金性能。

圖3為AZ91D-質量分數0.5%SiCp中元素的面分布，質量分數為0.5%SiC/AZ91D合金中，α-Mg基體中Al元素主要集中在晶界，呈半連續分布，Si均勻分布于基體中，并且僅發生少量聚集現象。Al主要分布在晶界處，因為第二相粒子β-Mg17Al12在晶界處析出。少量的Al分布于晶界的邊緣，同時Al的含量從晶粒內部到晶界處呈遞增趨勢。根據Al元素分布的變化特征，Mg17Al12由晶粒內向晶粒外析出。由于降溫工藝的選擇，最終導致第二相無法全部析出。如圖3（d）所示，納米SiCp開始出現團聚現象，根據圖2的分析，納米SiCp含量的增加，影響組織的晶粒的細化程度，最終導致長條的柱狀晶和扇狀的樹枝晶減小，并且從側面論證了上文中所述的圖2（d），2（e）中晶粒尺寸減小速度下降的原因。

添加不同含量的納米SiCp試樣的XRD分析結果如圖4所示。圖中可以看到合金組織由α-Mg、Mg17Al12和Mg2Si相組成，結合LAN等[19]的研究，Mg2Si相的形成原因可能是納米SiCp表面包裹著一層SiO2，在高溫制備復合材料期間，發生以下反應：

2Mg+SiO2=Si+2MgO，2Mg+Si=Mg2Si

Mg2Si是高硬度結構材料，表明輕微的界面反應可以改善復合材料的力學性能，并提高納米SiCp與Mg-Al合金之間的界面結合力。

而XRD圖譜中未能檢測到納米SiCp原因可能是加入的納米SiCp尺寸太小，加入的數量過少，并且由于發生上述反應形成Mg2Si相而對SiCp的數量進行了一定程度的消耗，從而導致X射線無法精確定位。

由復合材料的TEM形貌（圖5（a））表明鎂合金基體中形成高密度位錯，形成的原因：由于基體相與增強體相之間膨脹系數差引起應力梯度，從而導致位錯纏結形成高密度位錯。圖5（b）顯示了Mg2Si與基體之間界面，接觸面較為平坦，再次證明了上述反應的發生與Mg2Si相的生成。圖5（c）表示孿晶組織在高密度位錯區域形成。由于高密度位錯的形成，促進了孿晶的形成。高密度位錯的形成阻止了晶面的滑移，提高材料的力學性能。

圖6為AZ91D合金平均晶粒尺寸和面積。通過Nano Measure軟件測定納米SiCp對AZ91D合金的平均晶粒尺寸和面積的影響，在不加入納米SiCp時，合金的平均晶粒尺寸和面積分別為為148.40μm和17793.65μm2;隨著熔體中納米SiCp含量的增加，合金的晶粒尺寸和面積顯著減小。加入0.25%納米SiCp后，晶粒尺寸和面積明顯變小，分別為112.29μm和10676.19μm2，納米SiCp含量的增加且均勻分布，阻礙了α-Mg基體晶粒長大，導致平均晶粒尺寸和面積顯著減小。當納米SiCp添加量為1%時，達到最小，分別為89.25μm和7375μm2。

2.2 力學性能和斷口分析

圖7和圖8表示不同含量的納米SiCp對復合鎂合金力學性能的影響，包括抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率。隨著納米SiCp含量增加，可以明顯的觀察到以上所述的力學性能均呈現先上升后下降的趨勢。其中質量分數0.5%SiCp增強體對AZ91D合金的力學性能改善最大，延伸率增加了54.25%，抗拉強度提升為218.34MPa。

結合上文所述，在納米SiCp質量分數低于0.5%時，復合材料斷后伸長率的增加與晶粒細化程度有關，納米SiCp含量越高，晶粒尺寸越小，材料斷后伸長率越高。抗拉強度與屈服強度的升高可能是由于以下原因：在添加納米SiCp之后，α-Mg基體與納米SiCp的界面不一致是由于α-Mg基體和納米SiCp點陣常數、晶體結構的不同所致。因此，提高復合材料強度可從4個方面解釋：①位錯增加。在鎂合金鑄錠的冷卻過程中，由于納米SiCp與α-Mg基體之間的熱膨脹系數不同，在納米SiCp與α-Mg的之間的界面處發生應變錯配，納米SiCp與α-Mg基體界面上產生新的位錯是由于納米SiCp對α-Mg鎂基體的熱應力提高所導致。引起位錯密度增加，使納米SiCp對AZ91D合金強度提高;②彌散強化。在復合材料中納米SiCp可以明顯阻礙位錯運動，納米SiCp的釘扎作用可以顯著提高合金的強度;③載荷傳遞。由于納米SiCp與α-Mg界面結合良好，因此在拉伸過程中應力將從較軟α-Mg轉移到較硬的納米SiCp。由于納米SiCp的強度遠高于α-Mg強度，因此較軟α-Mg得到保護，從而提高了強度;④細晶強化。從圖2中可以看出，納米SiCp的加入明顯細化了晶粒。

在納米SiCp質量分數高于5%后，材料的力學性能開始下降，結合上文所述，力學性能下降的原因可能是隨著材料中的納米SiCp的含量逐漸增加，加入的納米SiCp開始發生團聚現象并且逐漸嚴重。

為了進一步表明納米SiCp含量對AZ91D合金的力學性能，圖9為復合材料顯微硬度。隨著納米SiCp含量的增加，納米SiCp對AZ91D合金的硬度增加。AZ91D合金的顯微硬度為64.82 HV，納米SiCp的加入量為質量分數0.25%時，該合金的顯微硬度為73.4 HV，提升了13.24%;納米SiCp加入質量分數為0.5%時，其顯微硬度為78.42HV，提升了20.98%;添加質量分數0.75%時，其顯微硬度為 82.24HV，提升了26.87%;加入質量分數1%納米SiCp，其顯微硬度為85.58HV，達到了最大，提升了32.03%。這可能是因為隨著SiCp含量的增加，一方面生成了硬脆相Mg2Si，另一方面納米SiCp阻礙了合金原子的運動，硬度提升為其宏觀表現之一。

圖10為不同納米SiCp含量對AZ91D合金的斷口形貌。如圖所示，AZ91D合金的斷裂形式為脆性斷裂，解理臺階在圖a中清晰可見，顯示出明顯的脆性斷裂特征。網狀的β-Mg17Al12相在AZ91D合金中分布，β-Mg17Al12割裂了α-Mg基體，主要表現為解理斷裂形式，屬于脆性斷裂。鎂合金原樣的斷口中存在著明顯的由解理臺階和晶粒斷裂而形成的河流花樣和撕裂棱，斷口整體形貌不夠平整。這是由于鑄態試樣中存在大量的枝狀和網狀的第二相，造成一定的應力集中，在外力作用下裂紋容易萌生并在此處擴展，呈現出明顯的解理脆性斷裂特征。

如圖10（b）主要以韌性斷裂的特征為主。隨著納米SiCp含量增加，斷裂形式發生變化，從脆性斷裂轉變為韌性斷裂。

圖10（c）中出現了許多深韌窩。鎂合金是緊密堆垛的六方形結構，滑移系很少，并且在拉伸過程中開始沿著晶面破裂，由于一處的斷裂會帶動周圍晶粒的斷裂，因此圖中斷裂韌窩較深。

復合材料斷裂方式的轉變是由于顆粒的強化作用。納米SiCp可以增加晶界對位錯運動的阻礙作用;分布在β-Mg17Al12周圍的納米SiCp起到一定的強化作用，使得脆性斷裂減少。

3 結 論

1）納米SiCp的加入可以有效的起到對AZ91D鎂合金細化晶粒的作用，并且會改變其晶粒組織結構。

2）隨著納米SiCp的增加，AZ91D鎂合金的屈服強度、抗拉強度和延伸率都呈現出先升高后降低的趨勢。合金的硬度隨著含量納米SiCp的增加而增大。

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（編輯：王 萍）