旋锻变形对Mg-Zn-Ca/SiCp复合材料微观结构与力学性能的增强机制研究

本研究针对镁基复合材料塑性差、难以通过传统剧烈塑性变形(SPD)工艺强化的瓶颈问题，系统探讨了旋锻(RS)技术对SiC颗粒增强Mg-Zn-Ca(ZX50/SiCp)复合材料的微观结构演变与强化机制。研究发现，室温十道次旋锻使复合材料屈服强度(YS)从174.1 MPa显著提升至346.5 MPa，增幅达98%，其主要强化机制归因于晶界强化、位错强化和沉淀强化。该研究为高性能镁基复合材料的工业规模化制备提供了新思路。

　　

镁及其合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和汽车工业的节能减排领域具有广阔应用前景。然而，其低绝对强度和模量严重限制了工业化应用。虽然通过引入陶瓷等高强度模量增强体可改善力学性能，但刚性增强体的加入通常会诱发模量失配并在界面区域产生应力集中，导致初始变形阶段弱界面处裂纹产生，从而降低复合材料的延展性和塑性，进一步削弱可加工性。

针对这一难题，上海交通大学的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表了创新性研究成果，系统探究了旋锻技术对SiC颗粒增强Mg-Zn-Ca(ZX50/SiC_p)复合材料的微观结构演变与强化机制。

研究采用半固态搅拌铸造制备ZX50/SiC_p复合材料，随后进行热挤压和室温旋锻处理。通过光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射、透射电镜等先进表征技术，结合维氏硬度测试和室温拉伸试验，系统分析了不同旋锻道次后复合材料的微观结构和力学性能演变。

研究结果显示，旋锻过程显著改善了SiC颗粒的分布均匀性，虽然颗粒仍沿棒材轴向呈带状分布，但聚集程度随旋锻处理而降低。经过十道次旋锻后，SiC带开始转变为流线型而非完全平行于轴线，表明剪切应力导致的塑性流动重新分散了SiC颗粒。

微观结构分析发现，旋锻过程中产生了大量的层状孪晶。随着应变增加，多重孪晶发展进一步细化孪晶片层。十道次旋锻后，平均晶粒尺寸从挤压态的20±9 μm细化至16±9 μm。更为重要的是，几何必需位错(GND)密度从2.8×10¹⁴ m^-2增加到7.2×10¹⁴ m^-2，位错强化贡献的屈服强度增量为26.9 MPa。

旋锻过程中还发生了动态析出现象，形成了大量纳米尺度的Mg-Zn第二相（平均直径约70 nm）。这些纳米沉淀物通过Orowan机制有效抑制位错运动，贡献了约64.4 MPa的屈服强度增强。研究表明，高应变率变形产生的大量晶格缺陷（包括位错、孪晶和晶界）能够通过引入大量过量空位来促进溶质原子的有效扩散，从而加速沉淀动力学。

在变形机制方面，研究发现旋锻过程中激活了多种变形孪晶，包括{10-12}张力孪晶(TTW)、{10-11}压缩孪晶(CTW)和{10-11}-{10-12}双孪晶(DTW)。由于SiC颗粒和沉淀物的钉扎效应，孪晶界迁移受到强烈抑制，导致形成密集的孪晶网络。这种约束作用导致应变集中，促进堆垛层错(SF)和位错阵列的形成。

研究人员通过双束衍射技术鉴别了位错类型和构型，发现积累成阵列的位错被判别为非基底〈c+a〉位错。相比之下，亚胞内部充满了基底〈a〉位错。这些残余位错及其后续重排显著促进了旋锻处理复合材料的强度增强。

力学性能测试表明，随着旋锻应变的增加，屈服强度(YS)和极限抗拉强度(UTS)显著增强，但断裂伸长率(ε_f)降低。经过十道次旋锻后，ZX50/SiC_p复合材料表现出最高的YS（347±8 MPa）和UTS（380±5 MPa），但最低的ε_f（1.3±0.1%）。旋锻工艺具有显著的强化效果，十道次旋锻使YS提高了98%以上。

研究结论表明，旋锻工艺能够对ZX50/SiC_p复合材料施加大于0.3的大塑性应变，显著提高材料强度。主要强化机制包括晶界强化、位错强化和沉淀强化。旋锻过程引入的大量变形孪晶几何分割了母体粗大晶粒，随着应变增加，初始孪晶内发生多重孪生进一步细化晶粒。同时，激活了大量位错形成更小域，这些残余位错阵列通过限制滑移活动产生有效的强化效果。

该研究的重要意义在于揭示了旋锻技术在镁基复合材料强化中的独特作用机制，为高性能镁基复合材料的工业规模化制备提供了理论基础和技术途径。旋锻工艺不仅能够有效改善增强颗粒的分布均匀性，还能通过引入高密度晶体缺陷和促进动态析出实现多重强化效应的协同作用，为解决镁基复合材料塑性差、难以通过传统SPD工艺强化的问题提供了创新性解决方案。

这些发现通过提出的旋锻工艺为镁基复合材料的制备和强化提供了宝贵见解，对推动镁基复合材料在轻量化结构件中的应用具有重要指导价值。