原标题：微量Al变化对压铸Mg-4Sm-2Al合金组织和力学性能影响

镁合金由于其密度低、比强度高，在汽车行业具有广阔应用前景，如中控屏背板、方向盘骨架、仪表盘骨架、LED车灯等。然而，在新能源汽车发展热潮下，车内的元器件向高度集成化、高功率化发展，需要结构材料具有良好的散热能力，以维持车内各种元器件的稳定运转。传统的商用镁合金由于热导率低，无法满足车内元器件的散热需求，因此开发兼具高热导率和力学性能的镁合金具有重要意义。

Mg-RE-Al合金是常见的高导热镁合金。通过合理优化合金成分及元素含量，降低基体中固溶原子浓度，使其转变成有效的强化相，可以获得较高的热导率和力学性能。前期经过成分优化发现，在重力铸造条件下，当Al含量高于2%（质量分数，下同）时，镁合金热导率和力学性能较为良好，如Mg-4Sm-2Al （SA42）和Mg-4Sm-2.6Al （SA42.6）合金，而当Al含量低于2%时，各个合金成分均不能获得理想的综合性能。当Al含量为1.5%时，合金的热导率达到峰值，但塑性较差，伸长率仅为3.4%。与SA42合金相比，SA42.6合金中仅增加了0.6%的Al，在未大幅降低热导率的同时，强度和伸长率分别提升了7.5%和38%，这很大程度上得益于Al消耗了一部分基体中的Sm原子，形成了Al2Sm颗粒。该颗粒能作为有效的异质形核质点，晶粒细化作用显著。但是，通过重力铸造工艺制备的合金，其晶粒尺寸和第二相较粗大，强化效果不足，通常难以实现应用。

高压压铸（High-pressure die casting， HPDC）技术通过对熔体施加高速高压，可以有效细化晶粒和第二相，使合金的力学性能有望进一步提升。高压压铸技术效率高、生产成本低、尺寸精度高，是得到广泛应用的成形工艺之一。近些年，一体化压铸的研究热潮，正在成为汽车制造业中新的工艺革命，特别是在新能源汽车领域得到了广泛应用和快速发展。压铸技术有助于实现车身轻量化，这对提高新能源汽车的续航里程具有重要意义。此外，一体化压铸可以减少生产过程中的零件数量和焊接点，从而降低生产成本，提升生产效率。

本研究采用压铸工艺制备SA42和SA42.6合金，分析微量Al含量的变化对合金力学性能的影响，阐述强化机制和断裂行为，合理调控合金成分，旨在为压铸合金设计提供参考。

图文结果

采用TOYO/BD-350V5型冷室压铸机制备了SA42和SA42.6合金压铸件，制备过程中通有保护气体（体积分数为95%的N2+0.5%的SF6）。合金实际成分通过Inductively coupled plasma optical emission spectrometer （ICP-OES，Avio 500）测量获得，见表1。压铸件外形及其相应的压铸工艺参数分别见图1和表2。采用标准拉伸试棒（标距尺寸为ϕ6.4 mm×60 mm），在室温下采用Zwick/Roell 100 拉伸试验机以1 mm/min的拉伸速率进行拉伸试验。在矩形区域进行微观组织观察。先对试样进行机械研磨、抛光并用镁合金专用蚀刻剂（4 mL的硝酸+96 mL的乙醇）腐蚀5 s后，采用搭载波谱仪的（Wavelength-dispersive spectrometer， WDS）Hitachi SU-70扫描电镜（SEM）在至少10个基体区域测量固溶原子含量，并采用Image Pro Plus软件测量合金的晶粒尺寸和第二相体积分数。

表1 测试合金的化学成分(%)

图1 压铸样件

表2 压铸工艺参数

图2为SA42和SA42.6合金的微观组织。可以看出，两种合金的微观组织均呈现细小等轴晶，晶界周围分布着棒状的Al11Sm3相，晶粒内部少量分布着块状Al2Sm相。图3为SA42与SA42.6合金的第二相体积分数和固溶原子浓度。可以看出，SA42.6合金的晶粒尺寸为8.2 μm，略小于SA42合金的晶粒尺寸（9.1 μm）；SA42.6合金的晶粒内部含有更多尺寸>2 μm的Al2Sm颗粒，而SA42合金的晶粒内部的Al2Sm颗粒更细小，并未完全长大。由图3b可以发现，SA42合金中Sm的固溶原子浓度较SA42.6合金中的高。

图2 两种合金的微观组织

图3 SA42与SA42.6合金的第二相体积分数和固溶原子浓度

图4为SA42和SA42.6合金的室温工程应力-应变曲线。可以看出，SA42和SA42.6合金的屈服强度、抗拉强度、伸长率分别为160.9 MPa、257.3 MPa、13.7%和144.4 MPa、206.5 MPa、5.0%。可以发现，在SA42合金的基础上仅增加0.6%的Al，屈服强度的降幅达到10.2%。对于压铸合金，其强化机制主要为固溶强化（σss）、晶界强化（σgs）和第二相强化（σsp）。

σy=σss+σgs+σsp

图4 SA42和SA42.6合金的室温工程应力-应变曲线

图5 SA42和SA42.6合金的固溶强化效果

依据图3a计算出两种合金的第二相强化效果，见图6。可以发现，Al2Sm相的强化效果有明显的增加，但是总体第二相强化效果差别不大。表3为两种合金不同强化效果的差异。在SA42合金的基础上增加0.6%的Al后，形成了大量的大块Al2Sm相，一方面导致Sm原子的固溶强化效果大幅降低，而形成的Al2Sm相带来的第二相强化效果又无法弥补固溶强化的缺失；另一方面，压铸工艺制备的合金晶粒尺寸较细小，Al2Sm颗粒不会产生显著的异质形核效果，导致SA42.6合金的屈服强度比SA42合金低了近20 MPa。

图6 SA42与SA42.6合金的第二相强化效果

表3 SA42与SA42.6合金的不同强化效果

由图4可知，在SA42合金的基础上增加0.6%的Al，塑性显著降低，伸长率降低了63.5%。图7为SA42合金和SA42.6合金断口附近纵截面的形貌。可以看出，SA42合金的裂纹既有穿晶断裂又有沿晶断裂，但穿晶断裂较多。而SA42.6合金由于存在大量大块的Al2Sm颗粒，Al2Sm颗粒的弹性模量（143.95 GPa）比Al11Sm3相的弹性模量（102.25 GPa）高，Al2Sm更脆且更硬。所以在Al2Sm颗粒上很容易产生应力集中，导致Al2Sm开裂，裂纹顺着Al2Sm颗粒与镁基体的界面扩展，随后进一步从晶粒内部穿越，扩展到晶界，最终导致试样断裂（见图7b中曲线）。

图7 断口表面附近纵截面BSE照片

图8 两种合金断口表面形貌

结论

（1）SA42合金中增加0.6%的Al后，SA42.6合金中形成了大量的大块Al2Sm相，导致压铸SA42.6合金基体内固溶的Sm含量降低了近50%。

（2）增加0.6%的Al后，SA42.6合金固溶强化效果大幅降低，形成的Al2Sm相强化效果弱，异质形核效果也较差，产生的第二相强化和晶界强化无法弥补固溶强化效果的缺失，导致压铸SA42.6合金的屈服强度比SA42合金的降低了近20 MPa。

（3）增加0.6%的Al后，SA42.6合金塑性急剧恶化，伸长率降低了63.5%。这主要归因于Al2Sm颗粒与基体的模量不匹配，Al2Sm颗粒较脆较硬，在变形过程中产生了较大的应力集中，加速了合金的断裂失效。

《微量Al变化对压铸Mg-4Sm-2Al合金组织和力学性能影响》

李子昕1 陈滨2 童胜坤2 陆仕平2 梁晟2 胡波1
付彭怀1 彭立明1 李德江1 曾小勤1

1. 上海交通大学材料科学与工程学院，轻合金精密成型国家工程研究中心；2. 万丰镁瑞丁新材料科技有限公司