凝固速率对ZA81M合金纳米颗粒沉淀行为及沉淀强化效果的影响

《Journal of Magnesium and Alloys》：Effects of solidification rates on precipitation behavior of nano-particles and precipitation strengthening of ZA81M alloy

研究Mg-8Zn-1Al-0.5Cu-0.5Mn合金不同冷却速率下的凝固行为及沉淀强化机制。发现快速冷却（0.70-33.98 °C·s?1）抑制纳米析出相（β1'、β2'）形成，导致维氏硬度下降（87.70-75.53 HV），并通过析出相与基体特定取向关系（如β1': (3 1 2)//(0 0 0 2)等）及粗大第二相竞争（MgZn、MgZnCu、AlMn）机制解释，揭示冷却速率影响Zn扩散及偏析，进而调控析出相分布及强化效果。

　　本研究聚焦于镁合金在不同冷却速率下的凝固行为及其析出强化机制，重点分析了ZA81M合金（Mg–8Zn–1Al–0.5Cu–0.5Mn）在不同冷却速率下的微观结构演变与力学性能变化。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、选区电子衍射（SAED）以及能量色散谱（EDS）等手段，研究人员系统地探讨了冷却速率对析出相形态、数量和分布的影响，并揭示了其对材料硬度和强度的贡献。

镁合金因其轻质、高强度和良好的铸造性能，在航空航天、汽车制造以及电子电气等领域得到了广泛应用。特别是在汽车工业中，随着轻量化技术的不断进步，镁合金被越来越多地用于制造关键部件。然而，镁合金的性能在很大程度上依赖于其微观结构，尤其是在铸造过程中形成的析出相。研究发现，析出相的形成不仅影响材料的硬度，还对拉伸强度等机械性能产生重要影响。因此，探索冷却速率对析出相形成和强化机制的影响，有助于优化铸造工艺，提高材料性能。

在ZA81M合金中，析出相主要包括两种形态：一种是具有Mg₄Zn₇结构的杆状纳米析出相（β₁′），另一种是具有MgZn₂结构的片状纳米析出相（β₂′）。同时，粗大第二相包括MgZn共晶相、MgZnCu分离共晶相以及AlMn相。通过对比不同冷却速率下的析出相数量，研究发现随着冷却速率从0.70 °C·s^?1增加到33.98 °C·s^?1，析出相的数量显著减少，导致维氏硬度从87.70 HV下降至75.53 HV。这表明，较高的冷却速率抑制了析出相的形成，从而减弱了析出强化的效果。

析出相的形成与冷却速率密切相关。当冷却速率较低时，析出相具有较高的数量和分布密度，能够有效阻碍位错运动，提高材料的硬度。相反，当冷却速率较高时，析出相的数量减少，位错运动的阻碍作用减弱，导致硬度下降。此外，研究还发现，冷却速率对粗大第二相的体积分数具有显著影响。随着冷却速率的增加，粗大第二相的体积分数也随之上升，这可能与锌元素在凝固过程中的微观偏析有关。锌元素在凝固过程中更倾向于富集于枝晶间区域，从而促进粗大第二相的形成，抑制纳米析出相的生成。这一现象表明，冷却速率与析出相和粗大第二相之间存在一种竞争关系。

析出相的形态和分布不仅影响材料的硬度，还对拉伸性能产生重要影响。研究通过分析不同冷却速率下的显微结构，发现当冷却速率较低时，纳米析出相呈弥散分布，而当冷却速率较高时，析出相趋于聚集。这种分布差异导致了材料在不同冷却速率下的力学性能表现出不同的趋势。具体而言，随着冷却速率的增加，拉伸强度和屈服强度均有所提升，而硬度则呈现下降趋势。这表明，拉伸性能主要受到细晶强化的影响，而硬度则主要由析出强化决定。

在析出相的晶体学取向关系方面，研究发现β₁′和β₂′相与镁基体之间存在两种不同的取向关系：一种是与基体的基面（0 0 0 2）平行，另一种是与基体的棱面（1 0 ?1 1）平行。这些取向关系对析出相的形成和分布具有重要影响，因为它们决定了析出相与基体之间的界面能量和相互作用方式。在某些冷却速率下，析出相更倾向于在基面或棱面上形成，从而增强对位错运动的阻碍作用，提高材料的强度。此外，研究还发现，β₂′相的形成与基体的基面和棱面之间存在特定的取向关系，这种关系可能与元素的分配和界面能最小化有关。

为了进一步探讨冷却速率对析出相形成的影响机制，研究通过电子探针X射线微分析（EPMA）分析了锌元素在不同冷却速率下的偏析行为。结果表明，随着冷却速率的增加，锌元素在枝晶间区域的富集程度显著提高，而枝晶区域的锌元素分布则变得不均匀。这种偏析现象与冷却速率密切相关，因为较高的冷却速率缩短了锌元素的扩散时间，导致其在枝晶间区域富集，从而促进粗大第二相的形成，抑制纳米析出相的生成。此外，研究还发现，锌元素的扩散系数在固相中显著低于液相，因此冷却速率的变化对锌元素的扩散行为具有重要影响。

在材料的细晶强化方面，研究通过分析不同冷却速率下的晶粒尺寸发现，随着冷却速率的增加，α-Mg基体的晶粒尺寸显著减小，从392.37 ± 27.33 μm降低至241.37 ± 37.62 μm。这种晶粒细化现象对材料的拉伸性能具有显著的增强作用，尤其是在较高冷却速率下，细晶强化效应超过了析出强化效应。因此，材料的拉伸性能主要由细晶强化决定，而硬度则主要受析出相的影响。

研究还揭示了析出相与粗大第二相之间的竞争关系。在较低的冷却速率下，纳米析出相的数量较多，而粗大第二相的体积分数相对较少。随着冷却速率的增加，粗大第二相的体积分数显著上升，而纳米析出相的数量则相应减少。这种竞争关系可能与锌元素的偏析行为有关，因为较高的冷却速率导致锌元素在枝晶间区域的富集，从而促进粗大第二相的形成，同时抑制纳米析出相的生成。这种现象在实际铸造过程中具有重要意义，因为它直接影响材料的微观结构和力学性能。

此外，研究还分析了不同冷却速率下析出相的取向关系及其对材料性能的影响。β₁′和β₂′相与镁基体之间的取向关系在不同冷却速率下有所变化，这种变化可能与析出相的形成条件和界面能有关。例如，在较低的冷却速率下，β₁′相更倾向于在基面或棱面上形成，而在较高的冷却速率下，其取向关系可能发生变化。这种取向关系的改变可能对析出相的强化效果产生重要影响，因为不同的取向关系可能导致析出相与位错的相互作用方式不同。

研究还探讨了析出相的形成与元素分配之间的关系。在ZA81M合金中，锌元素的分配对析出相的形成和分布具有决定性作用。当冷却速率较低时，锌元素能够充分扩散，形成较多的纳米析出相；而当冷却速率较高时，锌元素的扩散受限，导致其在枝晶间区域富集，促进粗大第二相的形成。这种元素分配的差异可能与凝固过程中的溶质再分布有关，因为较高的冷却速率会缩短溶质的扩散时间，使其更容易在特定区域富集。

通过综合分析不同冷却速率下的微观结构和力学性能，研究得出了一些重要的结论。首先，ZA81M合金在不同冷却速率下形成了两种主要的纳米析出相：杆状的β₁′相和片状的β₂′相。其次，随着冷却速率的增加，析出相的数量减少，导致硬度下降，而粗大第二相的体积分数增加，这表明冷却速率对析出相和粗大第二相之间存在竞争关系。第三，β₁′和β₂′相与镁基体之间存在两种不同的取向关系，这些关系对析出相的形成和分布具有重要影响。第四，冷却速率的增加不仅改变了析出相的分布和数量，还影响了材料的细晶强化效果，从而对拉伸性能产生显著影响。

这些研究结果为优化镁合金的铸造工艺提供了重要的理论依据。通过控制冷却速率，可以有效调节析出相和粗大第二相的形成，从而改善材料的硬度和强度。此外，研究还表明，析出相的形成和分布不仅受冷却速率的影响，还与元素的分配和界面能有关。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，以实现最佳的材料性能。

总之，本研究通过系统的实验和分析，揭示了ZA81M合金在不同冷却速率下的微观结构演变及其对力学性能的影响。这些发现不仅有助于理解镁合金的析出强化机制，还为开发高性能的铸造镁合金提供了新的思路和方法。