通过双偏心销工具摩擦搅拌工艺调控AZ91D/ZrO?镁基复合材料的微观结构及其强度-延展性协同关系

《Journal of Magnesium and Alloys》：Tailoring microstructure and strength-ductility synergy in AZ91D/ZrO? magnesium matrix composite by dual eccentric-pin tool friction stir processing

本研究采用双偏心轴摩擦搅拌加工（DEPT-FSP）技术处理AZ91D/ZrO?复合材料，通过优化工具几何设计，显著提升材料强度与延展性平衡。微观分析表明，DEPT-FSP使晶粒尺寸从15.6μm细化至2.35μm，形成高密度{10-12}孪晶和均匀分布的β-Mg17Al12相，同时增强位错密度（2.24×101? m?2）和动态再结晶。力学性能测试显示，处理后的材料硬度达92 HV，抗拉强度提升至325 MPa，延伸率保持23.8%，有效解决镁合金强度-延展性矛盾。

　　镁合金因其优越的强度重量比而备受工业界的关注，特别是在需要高性能和轻量化应用的领域，如汽车、航空航天和生物医学植入物。然而，镁合金在延展性和强度之间存在固有的权衡，这主要由其微观结构分布和晶体取向特征决定。传统的镁合金，如AZ91D，由于粗大的α-Mg枝晶和β-Mg??Al??相的存在，其强度和延展性均受到限制，这限制了其在结构应用中的潜力。为了克服这一挑战，研究者们致力于开发各种微观结构细化技术，以改善镁合金的机械性能。

摩擦搅拌加工（FSP）是一种严重的塑性变形（SPD）技术，通过生成细小的晶粒、均匀分散的碎裂颗粒和高角度晶界（HAGBs），有效细化微观结构，从而在高应变率和低温条件下实现超塑性成型。本研究采用了一种双偏心销工具（DEPT）FSP技术，将ZrO?颗粒引入6 mm厚的AZ91D镁合金中，从而在搅拌区形成了高体积的{10–12}孪晶、位错和β-Mg??Al??析出相。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等技术，分析了在不同工艺参数下搅拌区的微观结构演变和机械行为。DEPT显著提升了塑性剪切和动态再结晶（DRX），将晶粒尺寸从15.6 μm降低至2.35 μm，同时促进了搅拌区内的位错均匀分布。

通过晶粒取向分析发现，由于增强的径向-切向耦合剪切变形，基底纹理逐渐被棱柱纹理取代，占据29.3 %的体积分数。这一变化有助于激活非基底滑移系统，从而改善材料的机械性能。DEPT显著提升了搅拌区的硬度，从58 HV增加至92 HV，同时提高了抗拉强度，从234 MPa增加至325 MPa，而保持了23.8 %的延伸率，实现了强度和延展性的最佳平衡。本研究提出了一种一步法，通过DEPT FSP技术来调控AZ91D/ZrO?复合材料的微观结构异质性和提升其机械性能。该方法为缓解镁合金中常见的强度-延展性权衡提供了一种有效的策略。

研究者们发现，将ZrO?颗粒引入镁基体中可以增强其机械性能，提高表面电势并促进基体与增强相之间的高效载荷传递。在FSP过程中，材料受到复杂的应变和热梯度影响，这使得准确评估变形机制的个体贡献变得困难，特别是早期的孪晶形成对最终纹理和再结晶行为的影响。然而，DEPT通过优化工具设计，可以有效增强材料的流动性和颗粒分布，从而减少材料的缺陷和提升机械性能。此外，DEPT还可以促进晶粒的细化和均匀分布，这有助于改善材料的强度和延展性。

在实验过程中，研究人员使用了双偏心销工具（DEPT）来加工AZ91D/ZrO?复合材料，并分析了其在不同工艺参数下的微观结构和机械性能。通过高分辨率热成像系统，研究人员实时监测了搅拌区和热影响区的温度变化。结果表明，DEPT加工过程中，搅拌区的温度分布更加稳定，有助于提高材料的微观结构均匀性。此外，DEPT的加工方式还能够减少材料的流动缺陷，如隧道状空洞，从而提升材料的整体质量。

通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析，研究人员发现DEPT加工后的AZ91D合金中，晶粒尺寸显著减小，同时β-Mg??Al??析出相的分布更加均匀。这表明DEPT加工能够有效促进动态再结晶和材料流动，从而提升材料的强度和延展性。同时，通过电子背散射衍射（EBSD）分析，研究人员发现DEPT加工能够显著减少基底纹理的强度，增加棱柱纹理的占比，从而改善材料的塑性变形行为。

在机械性能方面，DEPT加工后的材料表现出更高的硬度和抗拉强度。通过2D维氏硬度图谱，研究人员发现搅拌区的硬度显著高于基体材料。此外，通过拉伸测试，研究人员发现DEPT加工后的材料具有更高的抗拉强度和屈服强度，同时保持了较好的延伸率。这些机械性能的提升可以归因于晶粒细化、位错均匀分布以及孪晶的形成。DEPT加工还能够促进材料的超细晶粒结构，提高材料的强度和延展性之间的平衡。

通过SEM和TEM分析，研究人员观察到DEPT加工后的材料中形成了大量的{10–12}孪晶和细小的β-Mg??Al??析出相。这些微观结构的演变有助于改善材料的机械性能，特别是在抗拉强度和延伸率方面。此外，DEPT加工还能够促进晶粒的再结晶，减少晶粒尺寸，并提高材料的硬度。这些结果表明，DEPT是一种有效的工具设计，能够显著提升镁合金复合材料的性能。

综上所述，本研究通过DEPT FSP技术，成功实现了对AZ91D/ZrO?复合材料的加工，分析了其在不同工艺参数下的微观结构演变和机械性能。DEPT不仅能够有效细化晶粒，还能促进位错的均匀分布和孪晶的形成，从而提升材料的强度和延展性之间的平衡。这些发现为镁合金复合材料的进一步应用提供了重要的理论依据和技术支持。