纳米SiC对AZ91D镁合金组织和性能的影响

刘洪旭 李彩霞 张洋 闫志峰

摘 要：为了研究不同SiCp含量对AZ91D镁合金的强化机理，采用扫描电子显微镜测定了各相的微观结构组织形貌和分布特征。同时，结合X射线衍射分析结果，探究其强化机制。结果表明，纳米SiCp加入使基体组织变为柱状晶和树枝晶。纳米SiCp的加入可以显著改善基体结构。在本次实验中，纳米SiCp的含量与晶粒尺寸成反比。当纳米SiCp质量分数为0.5%时，AZ91D镁合金的晶粒细化效果特别显著，此时晶粒尺寸达到103.05 μm。适量的纳米SiCp可以改善AZ91D镁合金的力学性能，但抗拉强度随着增强体含量先增加后减少。当增强体含量为0.5%时，拉伸强度达到最大值。

关键词：纳米SiCp;AZ91D镁合金;微观组织;力学性能

DOI：10.15938/j.jhust.2021.03.018

中图分类号： TG146.2+2;TB333

文献标志码： A

文章编号： 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

作為最轻的高性能结构材料之一，具有高的比强度和比刚度的镁合金广泛应用于汽车、电子电器、国防军工和航空航天等领域，被誉为21世纪的绿色结构材料[1-3]。然而，镁是一种紧密堆垛的六方晶体结构，其滑移系相对较少，这会影响镁合金的塑性变形能力、常温力学性能、高温强度和蠕变性能[3]。晶粒细化是提高镁合金塑性变形能力的一种手段，有助于提高镁合金性能[4-6]。纳米SiCp作为镁基复合材料的主要增强相，具有良好的耐磨性、抗冲击性、抗氧化性能[7]。SiCp能够提升镁合金的机械性能[8-12]。在镁合金中加入1.5 %的纳米SiCp，复合材料的屈服强度、伸长率和硬度分别由85MPa、4.1%和73.6HV提高到124MPa、6.7%和91.5HV[12]。在AZ91D镁合金中加入0.2%的纳米SiCp，AZ91D合金的平均晶粒尺寸从铸态480μm降到124μm[13]。在镁合金中添加1%的纳米SiCp，复合材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别由123、65MPa和2.2%提高到170、80MPa和6.5%[14]。添加石墨烯纳米片的镁合金，其抗拉强度、伸长率和硬度等性能都有所提高[15]。

根据上述分析，选用应用广泛的AZ91D铸造镁合金，通过加入不同含量的纳米SiCp，研究AZ91D合金显微组织和力学性能。

1 试验材料与方法

选择的基体为AZ91D镁合金，增强体颗粒为50nm的纳米SiCp，同时使用RJ-2号覆盖剂，防止基体镁合金过度燃烧。将该合金在720℃下保温30min，然后倒入预热至200℃的金属模具中，并在室温下冷却。腐蚀剂选用4%硝酸酒精，腐蚀时间为5s。镁合金铸锭加工成1平方厘米的小正方形块，然后用不同型号的砂纸打磨完后，用1.5μm的Al2O3悬浊液作为抛光剂，尼绒布作为抛光布，进行抛光，经腐蚀液腐蚀完成后，FEI-SIRION扫描电镜（SEM）用于观察显微组织，通过JEM-2100型透射电子显微镜进行组织结构分析，采用Gatan-600型离子束双喷减薄仪对试样进行减薄。在CSS-44300万能试验机上测试力学性能，应变速率为0.028s-1。拉伸试样尺寸如图1所示。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织分析

铸态显微组织SEM图如图2所示。纳米SiCp的加入改变了合金组织的微观结构，白色第二相β-Mg17Al12均在晶界处析出。在不含纳米SiCp的AZ91D镁合金中，显微组织由粗大的α-Mg和不连续网状分布的β-Mg17Al12组成，当加入质量分数为0.25%的纳米SiCp时，合金的晶粒尺寸明显变小，主要以长条的柱状晶为主，且在晶界处析出较多的白色颗粒状第二相（图2（b））。当纳米SiCp的质量分数增长为0.5%时，合金晶粒尺寸继续变小，以长条状分布的α-Mg相转变为树枝状。沿晶界分布的β-Mg17Al12相颗粒显著增加，如图2（c）所示。随着纳米SiCp的含量继续增加，合金组织的晶粒尺寸继续减小，但变化速度明显降低，如图2（d），2（e）所示。合金组织晶粒尺寸减小的原因可能是纳米SiCp可以作为异质形核核心，因为α-Mg和纳米SiCp之间的错配度很小（约为4%）[16-18]，初生的α-Mg相可以在纳米SiCp上形核，并且纳米SiCp的存在抑制了晶粒生长，使得复合材料的晶粒显著细化，起到细晶强化的效果。图2（d），2（e）中晶粒尺寸减小速度下降的原因可能是纳米SiCp具有较高的比表面能，由于加入量过大且搅拌不均匀从而发生团聚现象，影响晶粒的细化效果。因此，添加适量的纳米SiCp可以细化晶粒，并增加组织均匀性、改善合金性能。

图3为AZ91D-质量分数0.5%SiCp中元素的面分布，质量分数为0.5%SiC/AZ91D合金中，α-Mg基体中Al元素主要集中在晶界，呈半连续分布，Si均匀分布于基体中，并且仅发生少量聚集现象。Al主要分布在晶界处，因为第二相粒子β-Mg17Al12在晶界处析出。少量的Al分布于晶界的边缘，同时Al的含量从晶粒内部到晶界处呈递增趋势。根据Al元素分布的变化特征，Mg17Al12由晶粒内向晶粒外析出。由于降温工艺的选择，最终导致第二相无法全部析出。如图3（d）所示，纳米SiCp开始出现团聚现象，根据图2的分析，纳米SiCp含量的增加，影响组织的晶粒的细化程度，最终导致长条的柱状晶和扇状的树枝晶减小，并且从侧面论证了上文中所述的图2（d），2（e）中晶粒尺寸减小速度下降的原因。

添加不同含量的纳米SiCp试样的XRD分析结果如图4所示。图中可以看到合金组织由α-Mg、Mg17Al12和Mg2Si相组成，结合LAN等[19]的研究，Mg2Si相的形成原因可能是纳米SiCp表面包裹着一层SiO2，在高温制备复合材料期间，发生以下反应：

2Mg+SiO2=Si+2MgO，2Mg+Si=Mg2Si

Mg2Si是高硬度结构材料，表明轻微的界面反应可以改善复合材料的力学性能，并提高纳米SiCp与Mg-Al合金之间的界面结合力。

而XRD图谱中未能检测到纳米SiCp原因可能是加入的纳米SiCp尺寸太小，加入的数量过少，并且由于发生上述反应形成Mg2Si相而对SiCp的数量进行了一定程度的消耗，从而导致X射线无法精确定位。

由复合材料的TEM形貌（图5（a））表明镁合金基体中形成高密度位错，形成的原因：由于基体相与增强体相之间膨胀系数差引起应力梯度，从而导致位错缠结形成高密度位错。图5（b）显示了Mg2Si与基体之间界面，接触面较为平坦，再次证明了上述反应的发生与Mg2Si相的生成。圖5（c）表示孪晶组织在高密度位错区域形成。由于高密度位错的形成，促进了孪晶的形成。高密度位错的形成阻止了晶面的滑移，提高材料的力学性能。

图6为AZ91D合金平均晶粒尺寸和面积。通过Nano Measure软件测定纳米SiCp对AZ91D合金的平均晶粒尺寸和面积的影响，在不加入纳米SiCp时，合金的平均晶粒尺寸和面积分别为为148.40μm和17793.65μm2;随着熔体中纳米SiCp含量的增加，合金的晶粒尺寸和面积显著减小。加入0.25%纳米SiCp后，晶粒尺寸和面积明显变小，分别为112.29μm和10676.19μm2，纳米SiCp含量的增加且均匀分布，阻碍了α-Mg基体晶粒长大，导致平均晶粒尺寸和面积显著减小。当纳米SiCp添加量为1%时，达到最小，分别为89.25μm和7375μm2。

2.2 力学性能和断口分析

图7和图8表示不同含量的纳米SiCp对复合镁合金力学性能的影响，包括抗拉强度、屈服强度和断后伸长率。随着纳米SiCp含量增加，可以明显的观察到以上所述的力学性能均呈现先上升后下降的趋势。其中质量分数0.5%SiCp增强体对AZ91D合金的力学性能改善最大，延伸率增加了54.25%，抗拉强度提升为218.34MPa。

结合上文所述，在纳米SiCp质量分数低于0.5%时，复合材料断后伸长率的增加与晶粒细化程度有关，纳米SiCp含量越高，晶粒尺寸越小，材料断后伸长率越高。抗拉强度与屈服强度的升高可能是由于以下原因：在添加纳米SiCp之后，α-Mg基体与纳米SiCp的界面不一致是由于α-Mg基体和纳米SiCp点阵常数、晶体结构的不同所致。因此，提高复合材料强度可从4个方面解释：①位错增加。在镁合金铸锭的冷却过程中，由于纳米SiCp与α-Mg基体之间的热膨胀系数不同，在纳米SiCp与α-Mg的之间的界面处发生应变错配，纳米SiCp与α-Mg基体界面上产生新的位错是由于纳米SiCp对α-Mg镁基体的热应力提高所导致。引起位错密度增加，使纳米SiCp对AZ91D合金强度提高;②弥散强化。在复合材料中纳米SiCp可以明显阻碍位错运动，纳米SiCp的钉扎作用可以显著提高合金的强度;③载荷传递。由于纳米SiCp与α-Mg界面结合良好，因此在拉伸过程中应力将从较软α-Mg转移到较硬的纳米SiCp。由于纳米SiCp的强度远高于α-Mg强度，因此较软α-Mg得到保护，从而提高了强度;④细晶强化。从图2中可以看出，纳米SiCp的加入明显细化了晶粒。

在纳米SiCp质量分数高于5%后，材料的力学性能开始下降，结合上文所述，力学性能下降的原因可能是随着材料中的纳米SiCp的含量逐渐增加，加入的纳米SiCp开始发生团聚现象并且逐渐严重。

为了进一步表明纳米SiCp含量对AZ91D合金的力学性能，图9为复合材料显微硬度。随着纳米SiCp含量的增加，纳米SiCp对AZ91D合金的硬度增加。AZ91D合金的显微硬度为64.82 HV，纳米SiCp的加入量为质量分数0.25%时，该合金的显微硬度为73.4 HV，提升了13.24%;纳米SiCp加入质量分数为0.5%时，其显微硬度为78.42HV，提升了20.98%;添加质量分数0.75%时，其显微硬度为 82.24HV，提升了26.87%;加入质量分数1%纳米SiCp，其显微硬度为85.58HV，达到了最大，提升了32.03%。这可能是因为随着SiCp含量的增加，一方面生成了硬脆相Mg2Si，另一方面纳米SiCp阻碍了合金原子的运动，硬度提升为其宏观表现之一。

图10为不同纳米SiCp含量对AZ91D合金的断口形貌。如图所示，AZ91D合金的断裂形式为脆性断裂，解理台阶在图a中清晰可见，显示出明显的脆性断裂特征。网状的β-Mg17Al12相在AZ91D合金中分布，β-Mg17Al12割裂了α-Mg基体，主要表现为解理断裂形式，属于脆性断裂。镁合金原样的断口中存在着明显的由解理台阶和晶粒断裂而形成的河流花样和撕裂棱，断口整体形貌不够平整。这是由于铸态试样中存在大量的枝状和网状的第二相，造成一定的应力集中，在外力作用下裂纹容易萌生并在此处扩展，呈现出明显的解理脆性断裂特征。

如图10（b）主要以韧性断裂的特征为主。随着纳米SiCp含量增加，断裂形式发生变化，从脆性断裂转变为韧性断裂。

图10（c）中出现了许多深韧窝。镁合金是紧密堆垛的六方形结构，滑移系很少，并且在拉伸过程中开始沿着晶面破裂，由于一处的断裂会带动周围晶粒的断裂，因此图中断裂韧窝较深。

复合材料断裂方式的转变是由于颗粒的强化作用。纳米SiCp可以增加晶界对位错运动的阻碍作用;分布在β-Mg17Al12周围的纳米SiCp起到一定的强化作用，使得脆性断裂减少。

3 结 论

1）纳米SiCp的加入可以有效的起到对AZ91D镁合金细化晶粒的作用，并且会改变其晶粒组织结构。

2）随着纳米SiCp的增加，AZ91D镁合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率都呈现出先升高后降低的趋势。合金的硬度随着含量纳米SiCp的增加而增大。

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（编辑：王 萍）