Bi添加对AZ61–0.7Si合金显微组织稳定性及抗软化性能的改善作用

《Materials Today Communications》：Enhanced microstructural stability and softening resistance in AZ61–0.7Si alloy with Bi additions

　　

研究人员采用298~523 K温度范围内的热剪切冲孔测试(Shear Punch Test, SPT)测定极限剪切强度(Ultimate Shear Strength, USS)，并结合热压入硬度(Hot Indentation Hardness, Hv)，综合评价铸态AZ61–0.7Si–(0.0、0.25、0.5、1.0) wt% Bi合金的性能。通过剪切强度和硬度随测试温度的变化关系获得转变温度(Transition Temperature)与软化系数(Softening Coefficient)，以此评估合金的热稳定性和抗软化能力。实验结果表明，含Bi合金较基体合金具有更优的热稳定性、抗软化性能及高温力学性能，体现为高温下更高的剪切强度和硬度、剪切强度和硬度的转变温度分别提高5.4%和7.1%，以及剪切强度和硬度的软化系数降低约29%。上述改善归因于Bi对显微组织的细化作用及热稳定金属间化合物Mg3Bi2颗粒的形成，这些颗粒通过阻碍位错运动有效稳定了显微组织，从而提升高温变形过程中的热稳定性和抗软化能力。

论文解读：Bi添加对AZ61–0.7Si合金显微组织稳定性及抗软化性能的改善作用

本文发表于《Materials Today Communications》。镁(Mg)–铝(Al)系铸造镁合金因耐蚀性较好、室温力学性能尚可及成本较低而被关注，但其β-Mg₁₇Al₁₂相热稳定性差，在400 K以上易分解软化，限制其高温应用。添加Si可形成高热熔点的Mg₂Si相改善热稳定性，但Mg₂Si易长成粗大的汉字状(Chinese Script Morphology)，易成裂纹源。已有研究表明Bi(Bismuth)可作为镁合金晶粒细化剂并形成热稳定的Mg₃Bi₂相，但Bi对AZ61–0.7Si合金高温力学行为的影响尚缺乏系统研究。为此，研究人员制备铸态AZ61–0.7Si–xBi (x=0、0.25、0.5、1.0 wt%)合金，采用热剪切冲孔测试(Shear Punch Test, SPT)和高温维氏硬度测试评价298~523 K下的力学性能和热软化行为，结合光学显微镜(Optical Microscopy, OM)、扫描电镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)、能谱仪(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)及X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)分析显微组织演变，探讨Bi添加对显微组织稳定性、高温强度及抗软化性的影响机制。研究证实Bi可显著细化α-Mg枝晶臂及Mg₂Si与Mg₁₇Al₁₂相，并促进热稳定Mg₃Bi₂相析出，使转变温度升高、软化系数下降，高温剪切强度和硬度显著提升。该工作表明局部化SPT可有效评价小尺寸铸造镁合金的热稳定性，并为含Si镁合金的高温强化设计提供依据。

主要关键技术方法

研究人员以高纯Mg、Zn、Mn、Bi及Al–12 wt% Si中间合金在石墨坩埚中熔炼，浇入预热钢模获得铸锭。沿铸棒截取样品用于SPT(厚约0.7 mm圆盘)与热硬度(厚3 mm抛平)。SPT使用直径3.175 mm平头圆柱冲头配3.225 mm接收孔，在298~523 K以0.25 mm/min速率记录载荷–位移曲线，按τ=P/(πDt)计算剪切应力，取峰值作为极限剪切强度(Ultimate Shear Strength, USS)。热硬度在同等温区保温15 min后以10 N载荷保载30 s测定压痕对角线，按H_v=0.1854P/d²计算维氏硬度。OM、SEM/EDS及XRD表征相组成与形貌，图像分析法统计二次枝晶臂间距(Secondary Dendrite Arm Spacing, SDAS)、各金属间化合物体积分数及粒径分布。由ln(USS)–T与ln(H_v)–T分段线性拟合获取转变温度及软化系数。

3. Results（结果）

3.1. Microstructural observations（显微组织观察）

OM与SEM显示所有合金为枝晶组织，Bi添加使枝晶及枝晶间金属间化合物明显细化。XRD与EDS确认基合金含α-Mg、β-Mg₁₇Al₁₂及Mg₂Si相；含Bi合金新增Mg₃Bi₂相且衍射峰强度随Bi含量升高而增强。图像分析表明二次枝晶臂间距(SDAS)由无Bi时的均值16.9 μm分别降至0.25Bi时约11 μm、0.5Bi时7.9 μm、1.0Bi时6 μm。Mg₁₇Al₁₂体积分数由9%降至7.2%，Mg₂Si略降至2.1%，Mg₃Bi₂体积分数由0增至0.7%；Mg₁₇Al₁₂与Mg₂Si平均粒径分别由约34.5 μm和16 μm减小至约10 μm和8 μm，Mg₃Bi₂粒径随Bi增加而微增。结论：Bi偏聚于固液界面引起成分过冷抑制α-Mg枝晶生长，消耗Mg形成Mg₃Bi₂并提供异质形核质点，同时抑制Mg₂Si长大，实现组织细化。

3.2. Mechanical properties（力学性能）

SPT曲线形态类比拉伸应力–应变曲线，取峰值获USS。随温度升高(298~523 K)USS与硬度均下降，但含Bi合金全温区USS和H_v高于基合金。室温USS由142 MPa升至1.0Bi时的152 MPa(+7%)，523 K时由85 MPa升至103 MPa；硬度同步提升。结论：Bi通过组织细化与热稳定Mg₃Bi₂相析出提高室温和高温剪切强度及硬度。

4. Discussion（讨论）

由ln(H_v)–T与ln(USS)–T分段拟合得转变温度：SPT法基合金422 K，含Bi合金445 K(+5.4%)；硬度法基合金423 K，含Bi合金453 K(+7.1%)。软化系数(B_u、B_h)含Bi合金分别降至0.0031~0.0033和0.0037~0.0042，较基合金(0.0044、0.0052)降低约29%。高温变形后SEM见基合金中Mg₁₇Al₁₂易软化，而含Bi合金中未溶Mg₃Bi₂与Mg₂Si钉扎位错、阻碍剪切流变方向排列。0.25 wt% Bi即形成足量Mg₃Bi₂阻断连续β相网络，超过此量强化效果趋于饱和，过量Bi致Mg₃Bi₂粗化聚集反不利。结论：Bi提高转变温度、降低软化系数，归因于枝晶与相细化及热稳定Mg₃Bi₂颗粒钉扎位错，改善高温组织稳定性和抗软化性。

5. Conclusions（结论部分翻译）

研究人员通过对铸态AZ61–0.7Si–(0.0、0.25、0.5、1.0) wt% Bi合金在298~523 K下进行OM、SEM、剪切冲孔及热硬度测试，得出如下结论：(1) 温度和剪切强度及硬度的关系表现为低于转变温度(424–452 K范围)适度降低、高于转变温度显著降低。(2) Bi的加入提高了298~523 K内的强度和硬度，使转变温度升高约5.4–7.1%，同时软化系数降低约29%，表明基合金抗软化能力改善。(3) 基合金组织由α-Mg基体中的β-Mg₁₇Al₁₂和Mg₂Si金属间化合物组成；Bi添加细化这些组成相并形成新的热稳定Mg₃Bi₂金属间化合物颗粒，通过阻碍位错运动显著稳定显微组织，从而提升力学性能、热稳定性及高温变形抗软化能力。(4) 两种局部化测试方法所得转变温度和软化系数彼此吻合，表明局部化剪切冲孔技术可有效用于宽温区内小尺寸铸造镁合金热稳定性与软化行为的评价。