《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of Shear History on Microstructure, Defect Evolution and Mechanical Response of Semisolid AZ91D during Injection Molding
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本研究结合ProCAST数值模拟与半固态AZ91D镁合金注射成形实验，研究了不同注射速度下的剪切历史、收缩孔隙率、微观组织及拉伸性能。研究人员采用累积剪切应变（cumulative shear strain）来表征充模过程中的剪切历史。模拟结果表明，提高入口速
本研究结合ProCAST数值模拟与半固态AZ91D镁合金注射成形实验，研究了不同注射速度下的剪切历史、收缩孔隙率、微观组织及拉伸性能。研究人员采用累积剪切应变（cumulative shear strain）来表征充模过程中的剪切历史。模拟结果表明，提高入口速度增强了局部剪切强度，同时缩短了充填时间。由于剪切强度增强与充填时间缩短的竞争效应，累积剪切应变呈现先增后减的趋势，在4.0 m/s时达到最大值49.94。预测的收缩孔隙率体积从2.3284 cm3降至1.8644 cm3，随后又增至2.2907 cm3。实验结果显示，初生α-Mg颗粒数量减少，而其尺寸和圆度呈现阶段性变化；相比之下，次生α-Mg在所有条件下均保持相对细小，其平均等效直径在3.02至3.54 μm之间变化。力学性能也呈现出非单调响应。抗拉强度（ultimate tensile strength）和屈服强度（yield strength）在1.60 m/s时分别达到275 MPa和180 MPa，而最大延伸率（elongation）6.7%则在1.35 m/s时获得。随着注射速度增加，试样的体密度先增后减，在1.60 m/s时达到最大值。这些结果表明，累积剪切应变、微观组织演变和局部缺陷共同影响半固态AZ91D合金的力学响应。
一、研究背景与目的
半固态镁合金注射成形技术近年来受到广泛关注。与传统液态压铸相比，半固态注射成形可在较低加工温度下进行，有利于实现高致密度和优良的综合力学性能，同时降低凝固收缩及相关缺陷的形成倾向，从而提高工艺稳定性和产品良率。作为典型的Mg-Al-Zn合金，AZ91D具有良好的铸造性能和较宽的固液共存温度范围，是半固态注射成形应用最广泛的镁合金之一。
与完全液态熔体相比，半固态浆料由固体颗粒和液相组成，表现出明显的非牛顿流体行为，其流变响应受温度、固相分数、剪切速率和剪切持续时间等多种因素控制。已有研究表明，半固态AZ91D浆料具有显著的剪切稀化和触变特性，其表观粘度不仅取决于剪切速率和固相分数，还会在连续剪切、静置及重新剪切等过程中发生变化。
在实际注射成形过程中，浆料依次流经流道和浇口进入模具型腔。由于流动截面、流动方向和局部几何形状的变化，浆料持续经历流动和剪切条件的改变。由于实际注射过程中难以直接测量浆料内部的流速、剪切速率和温度场，数值模拟为表征充模瞬态行为及其与后续微观组织演变的关系提供了有效手段。作为控制充模的关键工艺参数，注射速度同时影响充填时间、局部剪切条件和后续凝固行为，进而影响初生相形貌、二次凝固微观组织、孔隙缺陷和力学性能。
尽管半固态镁合金的流动行为已在流变性、触变行为和工艺参数方面得到广泛研究，但实际注射充填过程本质上是瞬态的，浆料在不同流动阶段所经历的剪切强度和剪切持续时间持续变化，单一瞬时的剪切速率不足以全面代表浆料所受的整体剪切作用。因此，从剪切历史角度表征充填过程并将其与后续成形行为相关联的研究仍相对有限。
本研究聚焦于半固态AZ91D镁合金的注射成形，结合ProCAST数值模拟与成形实验，研究不同注射速度下浆料的流动和剪切特性及其与力学性能的关系。研究人员采用累积剪切应变表征充模过程中的剪切历史，重点分析了剪切强度与剪切持续时间之间的竞争关系，以及不同入口速度下局部流变条件和预测收缩孔隙率的变化。在此基础上，定量表征了初生α-Mg和次生α-Mg的形貌、尺寸和分布，并结合背散射电子/能谱分析（BSE/EDS）、力学测试和断口形貌观察，进一步讨论了累积剪切应变、微观组织演变和力学性能之间的关系，以阐明半固态AZ91D在剪切强度和剪切持续时间综合作用下的微观组织和力学响应。
二、主要关键技术方法
- 1.
数值模拟方法：基于ProCAST有限元软件建立半固态AZ91D镁合金注射成形数值模型，模型包含1,408,547个二维单元和8,004,115个三维单元，对薄壁区域进行了局部网格细化以保证空间分辨率。采用差示扫描量热法（DSC）测定温度-固相分数关系并嵌入材料模型，采用Yan等人建立的半固态AZ91D浆料表观粘度经验关系式作为宏观充模模拟的本构近似。
- 2.
实验成形与表征方法：在伊之密UN650MGII半固态镁合金注射成形机上开展实验，通过调节三级注射阀开度改变实际注射速度（1.10、1.35、1.60、1.95 m/s）。采用光学显微镜和Image-Pro Plus软件对α-Mg颗粒的等效直径、圆度、数量和面积分数进行定量分析，利用配备牛津仪器Xplore 30能谱探测器（EDS）的扫描电镜进行背散射电子成像（BSE）和元素面扫及线扫分析。
- 3.
力学性能与密度测试：采用室温单轴拉伸试验（加载速率0.2 mm/min）测试力学性能，利用阿基米德排水法测量试样体密度，并通过扫描电镜观察断口形貌。
三、研究结果
3.1 充填、速度和剪切速率分布
不同入口速度下充模过程的流速场演化显示，虽然整体充填路径基本相似，但局部速度分布存在明显差异。随入口速度从3.0 m/s增至4.5 m/s，型腔内高速流动区域逐渐扩大，尤其在浇口附近和流动汇合区域更为显著。剪切速率分布表现出显著的空间异质性，高剪切区域主要位于薄壁连接处、流向发生剧烈变化的区域以及局部速度梯度较大的位置。随着入口速度增加，高剪切区域的范围总体扩大，局部剪切强度增大。
3.2 局部剪切和热历史
在S1-S4四个代表性区域的局部剪切速率随时间演化表明，浆料到达各采样区域后剪切速率迅速上升，随后在充模过程中呈现不同程度的瞬态波动。随着入口速度从3.0 m/s增至4.5 m/s，充填时间从0.331 s缩短至0.220 s，局部剪切速率普遍升高，瞬态高剪切特征更加显著。局部温度随充填百分比的变化显示，所有条件下初始浆料温度接近590 °C，充模过程中温度降幅约3 °C或更小，不同入口速度间的温度变化相对有限。
3.3 预测缺陷特征
预测的收缩孔隙率和凝固时间分布显示，收缩孔隙率主要集中在局部连接区域和流道附近。随入口速度从3.0 m/s增至4.0 m/s，预测收缩孔隙率总体减小，但当入口速度进一步增至4.5 m/s时，局部缺陷再次增多。定量结果表明，3.0、3.5、4.0和4.5 m/s下的预测收缩孔隙率体积分别为2.3284、2.0731、1.8644和2.2907 cm3，在4.0 m/s时达到最小值。采样区域的平均凝固时间随入口速度增加从1.685 s递减至1.593 s。
3.4 微观组织观察
初生α-Mg的微观组织显示，所有条件下均可观察到显著大于周围细微观组织的初生α-Mg颗粒，但其形貌各异，既有球化完全的初生α-Mg，也有未完全球化的初生α-Mg。在1.10 m/s时，视野内初生α-Mg颗粒数量较多，部分颗粒相互靠近呈不规则聚集，仍可观察到明显的枝晶残余和不规则轮廓。随注射速度增加至1.60和1.95 m/s，初生α-Mg颗粒数量减少，分布更加分散，细微观组织所占面积相应增加。
次生α-Mg的微观组织显示，所有条件下初生α-Mg颗粒之间分布着大量细小的次生α-Mg颗粒，与周围的共晶区域共同形成相对细小的二次凝固微观组织。次生α-Mg主要以细小的近等轴或不规则颗粒形式存在，被连续或半连续的共晶组织包围。与初生α-Mg相比，次生α-Mg的整体形貌在不同条件间变化较小。
BSE形貌和元素分布显示，Mg主要富集在α-Mg基体中，Al在次生α-Mg周围和原液相凝固区域呈现明显的偏析，Zn分布相对均匀。线扫剖面显示，从α-Mg区域进入原液相凝固区域时，Mg含量下降而Al含量上升，两者呈现明显的反向变化。与1.10 m/s相比，1.95 m/s下的Al富集区域在空间上更加细小。
3.5 力学性能
工程应力-应变曲线和拉伸性能统计显示，随注射速度从1.10 m/s增至1.35 m/s，抗拉强度从255 MPa略增至258 MPa，屈服强度从约147 MPa略降至142 MPa，延伸率从5.3%增至6.7%，达到四组条件中的最高值。当注射速度进一步增至1.60 m/s时，抗拉强度和屈服强度分别增至275 MPa和180 MPa，均达到最大值，而延伸率降至4.4%。在1.95 m/s时，抗拉强度和屈服强度分别降至266 MPa和175 MPa，对应延伸率为4.7%。
四、讨论与结论
讨论部分总结：
讨论从剪切速率到累积剪切应变的转化入手。各区域平均剪切速率随入口速度增加而总体升高，平均表观粘度随之降低，符合采用的流变模型的剪切稀化行为。然而，平均剪切速率主要反映给定时间间隔内的剪切强度，而半固态浆料在充填过程中的结构调整还与剪切持续时间有关。当入口速度从3.0 m/s增至4.5 m/s时，整体充填时间从0.331 s缩短至0.220 s，表明剪切强度的增强伴随着剪切持续时间的持续缩短。累积剪切应变在S1-S4区域的平均值从3.0 m/s时的36.71增至3.5 m/s时的45.81和4.0 m/s时的49.94，在4.0 m/s时达到最大值，当入口速度进一步增至4.5 m/s时降至45.28。这一趋势与平均剪切速率的总体增加趋势明显不同，表明较高的局部剪切强度并不一定对应更大的累积剪切应变。
关于微观组织演变，初生α-Mg的定量表征显示，随注射速度增加，其平均等效直径先减后增，圆度呈现明显的非单调变化，颗粒数量持续减少。次生α-Mg的平均等效直径呈现总体波动下降趋势，圆度先增后减，粒径分布主要集中在2-3 μm范围内。不同注射速度下的拉伸断口形貌显示，所有条件下断口均以韧窝为主，伴有撕裂脊，但局部断裂特征差异显著。
综合来看，注射速度首先改变半固态浆料在充模过程中的局部流动状态，进而影响最终的微观组织、缺陷和力学性能。适当的剪切历史有利于微观组织调控和缺陷控制，而最高注射速度下剪切持续时间缩短和局部缺陷增加削弱了微观组织改善带来的有益效果。
研究结论部分翻译：
- 1.
随着入口速度从3.0 m/s增加到4.5 m/s，局部平均剪切速率总体升高，而充填时间从0.331 s缩短至0.220 s。充模过程中的局部温度变化保持在3 °C以内。由于剪切强度增强和剪切持续时间缩短的竞争效应，累积剪切应变呈现非单调变化，在4.0 m/s时达到最大值49.94，然后在4.5 m/s时降至45.28。这些结果表明，较高的入口速度不一定导致更大的累积剪切应变。
- 2.
预测的收缩孔隙率体积从3.0 m/s时的2.3284 cm3逐步降至4.0 m/s时的1.8644 cm3，然后在4.5 m/s时增至2.2907 cm3。尽管局部凝固时间随入口速度增加而持续缩短，但预测的收缩孔隙率体积先减后增。相应地，实测平均体密度先增后减，在中等注射速度下获得更高的密度。
- 3.
初生α-Mg和次生α-Mg表现出不同的微观组织响应。随着注射速度增加，初生α-Mg颗粒数量显著减少，而其平均尺寸和圆度呈现阶段性变化，表明初生α-Mg的最终形貌对剪切强度和剪切持续时间之间的平衡敏感。相比之下，次生α-Mg的平均等效直径从3.54 μm总体波动下降至3.02 μm，而圆度在0.470至0.541之间变化。这些变化主要体现在粗大颗粒比例减少以及不同尺寸范围内颗粒数量的变化。
- 4.
力学性能随注射速度呈现显著的非单调变化。在1.60 m/s时，抗拉强度和屈服强度分别达到275 MPa和180 MPa，而在1.35 m/s时延伸率达到6.7%。断口表面以韧窝和撕裂脊为主，伴有准解理状区域、微裂纹和孔洞。适当的剪切历史有利于微观组织调控，而最高注射速度下剪切持续时间缩短和局部缺陷增加削弱了与微观组织改善相关的有益效果。
