По мере усиления глобальных требований к энергосбережению, снижению выбросов и охране окружающей среды легкие и высокопрочные магниевые сплавы привлекают всё большее внимание благодаря своим выдающимся комплексным свойствам. Благодаря низкой плотности, высокой удельной прочности и хорошей биосовместимости магниевые сплавы демонстрируют огромный потенциал применения в авиакосмической отрасли, автомобилестроении, электронике и телекоммуникациях. Однако чистый магний обладает невысокой прочностью и твёрдостью, что ограничивает его использование в более широких областях. Для повышения эксплуатационных характеристик магниевых сплавов особое внимание привлекают металлическоматричные композиты с частицами‑усилителями. Частицы SiC, отличающиеся низким коэффициентом теплового расширения, высокой износостойкостью, большой твёрдостью и стойкостью к окислению, а также не образующие со стабильными соединениями с Mg, широко применяются в качестве упрочняющей фазы в магниевых сплавах. Сочетание частиц SiC с магниевым сплавом AZ91D позволяет не только сохранить преимущества лёгкости магниевых сплавов, но и существенно повысить их прочность и износостойкость. В результате магниевый композит на основе AZ91D, армированный частицами SiC, нашёл широкое применение при изготовлении винтов, хвостовых оперений ракет и цилиндров, став одним из наиболее распространённых магниевых композитов.

Несмотря на то что композиты на основе магниевого матрицы, армированные частицами SiC, демонстрируют выдающиеся эксплуатационные характеристики, в практическом применении они по‑прежнему сталкиваются с рядом проблем. Во‑первых, проблема дисперсности частиц SiC — особенно склонность наночастиц SiC к агломерации в расплаве магниевого сплава — снижает однородность структуры и механические свойства композита. Во‑вторых, адгезия между частицами SiC и матрицей магниевого сплава является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики материала; недостаточная прочность интерфейса приводит к локализации напряжений и образованию трещин, что ухудшает прочность и вязкость разрушения. Кроме того, размерный эффект частиц SiC существенно влияет на микроструктуру и механические свойства композита: частицы различного размера по‑разному воздействуют на измельчение зерна и механизм упрочнения магниевых сплавов, что требует глубокого исследования для оптимизации характеристик материала. Таким образом, вопросы повышения дисперсности частиц SiC и улучшения их интерфейсной адгезии за счёт совершенствования технологий получения, а также оптимизации размера частиц с целью дальнейшего улучшения эксплуатационных свойств композитов остаются актуальными задачами, требующими срочного решения.

В ответ на указанные выше проблемы команда Тайюаньского университета науки и технологий провела углублённое исследование с использованием настольного сканирующего электронного микроскопа ZEM20 компании ZEYU. С помощью метода полутвёрдого механического перемешивания были получены магниевые матричные композиты AZ91D, армированные частицами SiC одного и двух размеров; при этом подробно проанализировано влияние частиц SiC различного размера на микроструктуру и механические свойства композита. Данное исследование направлено на оптимизацию структуры и свойств композитов с целью за счёт взаимодействия частиц разных размеров дополнительно утоньшить зерна, усилить межфазное сцепление и повысить общие механические характеристики, что обеспечивает теоретическую основу и техническую поддержку для практического применения таких композитов; результаты работы опубликованы в журнале «Специальное литьё и цветные сплавы».

Основное содержание данной работы посвящено изучению влияния одноразмерных и двуразмерных частиц карбида кремния на микроструктуру и механические свойства магниевого сплава AZ91D. Исследователи применили метод полутвёрдого механического перемешивания, взяв магниевый сплав AZ91D в качестве матрицы и введя в него частицы карбида кремния со средними размерами 10 мкм и 10 нм в качестве армирующей фазы, что позволило получить три типа композитов: с использованием только частиц карбида кремния размером 10 мкм, только частиц размером 10 нм, а также двуразмерный композит, содержащий частицы обоих размеров. С помощью этого подхода исследовательская группа проанализировала дисперсность частиц карбида кремния различного размера в магниевых матричных композитах, характеристики межфазного сцепления, а также их влияние на микроструктуру и механические свойства.

Исследования показывают, что после введения частиц SiC зерновая структура композита существенно утончается; при этом добавление наноразмерных частиц SiC, благодаря их высокой энергетической интерфейсной активности, способствует зародышевому образованию новых зёрен, что ещё более уменьшает размер зерен. Кроме того, частицы SiC преимущественно выделяются вдоль границ зерён; такое распределение помогает ограничивать рост зерён матрицы, что дополнительно снижает их размер. Что касается двумерных композитов, было установлено, что наночастицы SiC склонны располагаться вокруг микронных частиц SiC в виде агрегатов — вероятно, вследствие адгезии или взаимного зацепления между частицами; при этом явных признаков агломерации не наблюдается, что свидетельствует о хорошем сцеплении наночастиц SiC с матрицей.

Результаты испытаний механических свойств показали, что введение частиц SiC существенно повышает предел прочности при растяжении, предел текучести и относительное удлинение композита; при этом у композита, армированного 10‑нанометровыми частицами SiC, предел прочности достигает 198 МПа, что на 34,7% выше, чем у исходного сплава AZ91D, а предел текучести увеличивается на 46,7%. Эти улучшения обусловлены совместным действием мелкозернистой упрочняющей, дисперсной упрочняющей и механизма передачи нагрузки. Мелкозернистая упрочняющая способность объясняется увеличением предела текучести вследствие уменьшения размера зерен; дисперсная упрочняющая — тем, что частицы SiC препятствуют движению дислокаций, приводя к непрерывности и измельчению фазы β‑Mg₁₇Al₁₂; механизм передачи нагрузки заключается в том, что более твёрдые частицы SiC во время растяжения защищают внутреннюю более мягкую матрицу α‑Mg, что повышает общую прочность на растяжение.

Анализ механизма разрушения показал, что трещины в композитном материале преимущественно распространяются вдоль границы раздела между микронными частицами SiC и матрицей AZ91D; это объясняется тем, что микронные частицы SiC обладают высокой сопротивляемостью пластической деформации и легко вызывают концентрацию напряжений на этой границе. В отличие от этого, граница раздела между наночастицами SiC и матрицей характеризуется более прочным связыванием; при растяжении на ней не образуется микротрещин, что свидетельствует о более высокой прочности межфазного сцепления и меньшей концентрации напряжений. Данное исследование не только выявило конкретное влияние одноразмерных и двуразмерных частиц SiC на микроструктуру и механические свойства композитов на основе магниевого сплава AZ91D, но и предоставило важную теоретическую основу и практические рекомендации для оптимизации технологических процессов получения таких композитов и повышения их эксплуатационных характеристик.

Планшетный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Цзэюй‑Технология — это высокоинтегрированное, портативное и экономичное научно‑исследовательское оборудование. Оно обеспечивает быструю вакуумизацию, высокую скорость получения изображений и широкий выбор детекторов сигналов, подходит для наблюдения морфологии и анализа состава, а также может быть адаптировано к различным экспериментам in situ. Прибор предъявляет минимальные требования к условиям установки, не зависит от этажности здания, прост в эксплуатации — даже непрофессионалы быстро освоят его; при этом стоимость приобретения и обслуживания значительно ниже, чем у напольных сканирующих электронных микроскопов. В настоящее время он стал одним из наиболее предпочитаемых устройств для многих университетов, исследовательских институтов и предприятий.