通过室温多向锻造精细化显微组织并提升AZ91镁合金力学性能

用于日常机械的更轻金属

从飞机和电动汽车到便携设备，工程师们一直在追求既强又轻的金属。镁合金是已知的最轻结构金属之一，但在不经过耗能加热步骤的情况下，成形与强化常常具有挑战性。本研究探索了一种简单方法，通过在室温下采用精心设计的锻造工序，而非高温工艺，来从一种流行的镁合金AZ91中挤出更多强度与韧性。

反复挤压如何改变金属

研究者们关注一种称为多向锻造的方法，顾名思义：将小金属块按不同方向依次压缩。在这项工作中，尺寸约如大型骰子的AZ91镁合金立方体在室温下被压制了九次。每次压制仅使样块缩短约8%，并在每一步旋转压制方向，使三个维度依次受到加工。这种小步多道的策略旨在避免在冷态通常易脆的金属上产生裂纹，同时仍能累积较大的总体变形。

观察金属内部

为了解这些反复压制对金属内部结构的影响，团队在多个尺度上对样品进行了观察。光学与电子显微镜显示出原始铸造合金那种粗糙、似树干状的组织如何发生变化。在经过常规热处理后，晶粒——构成金属的微小晶体构件——实际上变得更大且更圆润。但在室温下进行九道锻造后，那些大晶粒被细碎为更小的晶粒，富铝及其他元素的二次相颗粒沿新的晶界更均匀、更细致地分布。X射线衍射测量证实，晶粒内部的最小构件——结晶体变得更细，并且晶格缺陷（称为位错）的密度显著上升。

无需加热也更强更韧

这些结构变化转化为明显的性能提升。压缩试验显示，与热处理态相比，该合金的抗压能力增长了近48%。以维氏硬度测得的抗压痕性能约提升了22%。有趣的是，最硬的区域并非在外表面，而是在锻造立方体的核心，表明最强烈的变形发生在夹紧样品的板材接触内部。尽管强度提高，材料仍保持良好的韧性，锻造后应力—应变曲线下面积增大即可说明这一点。

为什么更小的结构让金属更强

研究表明，两种主要效应协同作用使合金硬化。首先，将大晶粒分割为更小的晶粒会产生更多晶界，这些晶界充当位错运动的路障，位错是携带塑性变形的微小线状缺陷。这与冶金学中的著名规律一致：晶粒越细，金属越强。其次，室温锻造在材料中积聚大量位错，并阻止它们在高温下常见的重排与相互消除。同时，装饰结构的富铝颗粒被粉碎成更小的片段并沿新晶界分散，它们像铆钉一样钉住晶界，抑制晶界进一步滑移。

对实际零件的意义

简言之，该工作表明，一系列精心控制的、在室温下进行的温和压制工序可以将普通铸造镁合金转变为显著更强且更韧的材料，而无需炉窑或复杂模具。通过结合晶粒细化、缺陷积累与颗粒钉扎，这一简单工艺为生产在不牺牲安全性的前提下能承受更高载荷的汽车、飞机和国防系统轻质部件提供了一种具有成本效益的途径。研究提示，通过智能的加工策略，诸如镁这样的轻质金属可在未来让机器更高效方面发挥更大作用。

引用: Şahbaz, M., Nalkıran, S. Microstructural refinement and mechanical property enhancement of AZ91 magnesium alloy via room-temperature multi-directional forging. Sci Rep 16, 9745 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42311-7

关键词: 镁合金, 晶粒细化, 锻造, 轻质材料, 力学强度