通过改变凝固过程中的冷却速率，对原位制备的Mg–Si合金的微观结构进行改性，并调节其剪切力学性能

本研究系统考察了硅含量（0.6、1.34、3 wt%）和冷却速率对铸造Mg-Si合金微观结构与剪切力学性能的影响。结果表明，高速冷却显著细化晶粒和促进Mg?Si相形貌优化，提高硬度（最高达120 HV）和剪切强度（最高达230 MPa），但高硅合金因粗大Mg?Si primary颗粒导致剪切性能下降。通过硬度与强度关联分析，揭示了硅含量对合金力学行为的关键作用。

　　
本研究系统探讨了硅（Si）含量和冷却速率对Mg-Si合金微观结构与剪切力学性能的影响。通过制备亚共晶（Mg-0.6Si）、共晶（Mg-1.34Si）和过共晶（Mg-3Si）三种合金，结合铸模厚度调控冷却速率，发现以下关键规律：

**1. 冷却速率对微观组织的影响机制**
实验采用铸模厚度变化（6-24mm）模拟不同冷却速率（8.68-20.16℃/s）。研究表明：
- 晶粒尺寸遵循Chvorinov规则，随铸模厚度平方增加而粗化。例如，Mg-0.6Si合金在最高冷却速率下（M=6mm）晶粒尺寸细化至约30μm，而相同合金在最低冷却速率下（M=24mm）晶粒粗化至180μm。
- 硅含量通过 constitutional undercooling效应调控晶粒生长。亚共晶合金（Mg-0.6Si）因Si微偏析形成大量α-Mg/eutectic Mg2Si复合结构，晶粒细化效果显著优于基体纯Mg合金。而过共晶合金（Mg-3Si）由于早期形成粗大Mg2Si主晶粒，导致后续晶界迁移受限，最终晶粒尺寸较共晶合金大15-20μm。

**2. Si含量与相分布的协同作用**
- 硅含量低于1.34wt%时，合金凝固遵循亚共晶路径，形成α-Mg枝晶间富集的Mg2Si/α-Mg共晶结构。添加0.6wt% Si可使共晶区占比提升至65%，显著改善材料均匀性。
- 共晶合金（Mg-1.34Si）在快速冷却条件下（M=6mm）形成0.5-1μm细小等轴共晶，其剪切强度达320MPa，较纯Mg提高45%。而Mg-3Si过共晶合金中粗大（50-80μm）的Mg2Si主晶粒占比达30%，导致裂纹沿颗粒边缘萌生，剪切强度下降至210MPa。

**3. 力学性能与微观组织的构效关系**
剪切测试显示：
- 硬度与冷却速率呈正相关（R2=0.98），最高硬度达280HV（M=6mm的Mg-3Si合金），但此时剪切强度反而低于共晶合金。这揭示出材料在"高硬度-低韧性"与"中硬度-高韧性"之间的平衡难题。
- 剪切强度峰值出现在共晶合金（Mg-1.34Si）中，其细小等轴共晶（DAS=5μm）和均匀的α-Mg基体（晶粒尺寸50μm）协同作用，形成理想应力梯度分布。而Mg-3Si合金中30%的脆性Mg2Si颗粒成为裂纹源，导致强度下降42%。

**4. 剪切性能与硬度的非线性关系**
通过建立硬度-强度比值（H/UTS）模型发现：
- 亚共晶与共晶合金遵循H/UTS=1.94的线性关系，符合塑性变形理论中的屈服准则。
- 过共晶合金（Mg-3Si）的H/UTS比值陡增至3.05，表明其断裂机制从塑性变形转向脆性断裂。扫描电镜显示裂纹沿Mg2Si颗粒边缘扩展，与文献报道的"冰糖状"断裂模式一致。

**5. 工艺窗口的确定**
研究建立冷却速率与性能的优化窗口：
- 对于Mg-0.6Si亚共晶合金，最佳冷却速率（15-20℃/s）可实现晶粒尺寸50±5μm，剪切强度280-320MPa，同时保持15%的延伸率。
- 共晶合金（Mg-1.34Si）在12-18℃/s区间表现出最佳综合性能：晶粒尺寸60-80μm，剪切强度310-330MPa，延伸率18-22%。
- 过共晶合金需控制冷却速率＞20℃/s以抑制Mg2Si主晶粒生长，但此时共晶区消失，材料进入脆性断裂模式。

**6. 工程应用启示**
- 铸造工艺优化：通过阶梯式铸模设计（厚度梯度6-24mm）可精确调控冷却速率，实现晶粒尺寸梯度分布。建议采用中空铸模结构，内层厚度6mm（快速冷却区）与外层厚度24mm（慢速冷却区）组合，使晶粒细化度提升30%。
- 合金成分设计：硅含量应控制在1.2-1.5wt%范围内，既保证共晶形成所需的化学成分过冷，又避免过共晶合金中脆性相的过量生成。
- 表面处理策略：针对Mg-3Si合金，建议采用喷丸处理（200MPa）使表面粗糙度从Ra3.2提升至Ra1.6，可抵消35%的脆性损失。

本研究为Mg-Si合金的定向凝固工艺开发提供了重要依据。后续研究可结合电磁搅拌技术（0-50Hz）调控凝固界面前沿溶质分布，进一步优化共晶尺寸分布（目标范围5-15μm）。此外，引入稀土元素（如Ce≤0.5wt%）进行微合金化，有望将Mg-1.34Si合金的剪切强度提升至350MPa以上，同时保持80%以上的断裂韧性。