近日，重庆大学研究团队对高压铸造AE81镁合金孔隙诱导损伤演变和失效机理的研究成果被发表在一区期刊《Journal of Alloys and Compounds》。第一作者为重庆大学博士生谢何聪，通讯作者为重庆大学蒋斌教授、宋江凤老师。该成果利用微旷科技原位拉伸CT技术，探究了高压铸造AE81镁合金在拉伸过程中损伤演变中的孔隙机制。
论文标题: “Mechanism of porosity-induced damage evolution and failure in high pressure die casting AE81 magnesium alloy: An in-situ SEM and micro-CT study”（利用原位CT技术研究高压压铸AE81镁合金中孔隙导致损伤演化与失效的机制）
研究摘要
本研究采用原位扫描电子显微镜（SEM）与原位X射线计算机断层扫描（micro-CT）技术，探究了高压铸造（HPDC）AE81镁合金在拉伸变形过程中孔隙率导致损伤演变的机制。结果表明：净收缩和收缩孔（尤其是垂直于拉伸方向分布的孔隙）是裂纹萌生的主要部位。在整个变形过程中，观察到孔隙形核、生长、聚集和连接等现象。HPDC AE81镁合金的孔隙增长率约为17.8，这种相对较高的增长率可能导致其延展性降低。孔隙取向在材料的失效中起着至关重要的作用；当孔隙的长度垂直于拉伸方向时，应力集中的可能性更大，从而加速裂纹成核。最终，HPDC AE81镁合金的断裂破坏是由于孔隙聚结和剪切断裂机制的共同作用而发生的。此外，通过三维（3D）应变场分析确定的应力集中区域为预测 HPDC 镁合金试样中的断裂位置提供了一种可靠的方法。
研究材料与原位CT试验方法
1. 研究材料
在本研究中，AE81镁合金使用冷室压铸机 （YIZUMI D-M650） 熔化并加工成HPDC产品。从拉伸试验棒制备了原位CT拉伸样品。具体采样位置和样品尺寸如图1（c）所示。
图1. HPDC AE81镁合金铸件和原位拉伸样品的尺寸：（a）铸件，（b）原位SEM样品尺寸，（c）原位显微CT样品尺寸。
2. 原位CT试验方法
利用微旷科技的X射线显微原位CT对尺寸为22 mm × 8 mm × 3 mm的HPDC AE81镁合金样品进行原位显微CT拉伸试验，试验平台如图2(b)所示。本实验中，空间分辨率为2.548 μm，电压设置为 50 kV。机械控制系统设置为1 μm/s 的恒定加载速率。对样品施加载荷的机械控制系统提供50 kN的最大拉力。在CT扫描过程中，机械模块需要将整个部件旋转360°，以获得xy、yz 和 xz平面的扫描切片。收集横截面切片后，计算机将生成三维重建模型，并应用图像重建算法，为研究三维孔隙做准备。
图2. 原位拉伸试验：（a）原位SEM设置，（b）原位micro-CT设置。
原位CT研究结果
3.1 损伤发生和演变的定量分析
3.1.1 孔隙率增长
图3（a）显示了原位CT过程中的应力-应变曲线。在拉伸实验期间，我们选择暂停加载，然后对拉伸样品进行CT扫描。为了观察不同拉伸阶段孔隙缺陷的三维形貌变化，我们选择了5个特定位置（用红色标记表示）进行详细研究。总体而言，在该原位CT实验中，HPDC AE81镁合金的屈服强度、极限抗拉强度和伸长率分别为185 MPa、261 MPa和6.2 %。
图3.（a）原位显微CT的应力-应变曲线，（b）原位显微CT变形过程中各阶段等效球径和孔隙率体积分数的统计分析。
图4显示了HPDC AE81镁合金在不同阶段的孔隙率分布模式。随着应力的增加，在应变为0.01之前的初始阶段，孔隙几乎没有变化；在应变为0.04时，初始孔隙逐渐扩大，并伴随着一些小孔隙的形成。应变为0.05时，新的微孔隙数量迅速增加，原有的孔隙也迅速扩大。此外，合金样品中开始形成缺陷带（参见沿xz轴的投影）。随着应力的进一步增加，材料最终失效并断裂，断裂处附近的孔隙密度明显高于其他区域。为了进一步研究孔隙率的增长，我们分析了原位拉伸试验不同阶段的等效球径分布和孔隙率体积分数，如图3（b）所示。结果表明，随着应力的增加，合金中的最大孔隙尺寸近似线性增加，孔隙体积分数也呈现类似趋势。具体来说，当平均孔隙率体积分数达到1.8%时，合金就会断裂。
图4. 三维重建模型不同阶段原位拉伸变形过程中三维孔隙率的变化。
图5. 在 CT 中检测到的孔隙率与应变之间的相关性：（a）孔隙率数量与应变之间的关系，（b）孔隙率体积与应变之间的关系。
3.1.2 孔隙形状
孔隙的形状会对孔隙率的凝聚和聚集产生影响。因此，它可能会影响断裂应变的过程。为了全面分析显微原位CT中孔隙形状的变化，我们计算了显微原位CT不同阶段孔隙的Sph和纵横比，如图 6（a）所示。结果表明在原位拉伸过程中，孔隙率不是均匀变化的，而是沿特定方向增长，从而导致这种现象。较大且不规则的孔隙可能导致合金中的局部应力集中，从而导致材料失效。
图 6.HPDC AE81镁合金在原位拉伸变形过程中孔隙率Sph和纵横比的变化：（a）ε= 0，（b） ε= 0.01，（c）ε= 0.04，（d）ε= 0.05，（e）断裂，以及（f）纵横比的变化。
3.1.3 孔隙聚结和连接
从HPDC AE81镁合金中提取的一些孔隙率的变化趋势如图7所示。可以明显观察到孔隙之间的“局部”连接（见图7a）。此外，在实验过程中还观察到许多孔隙的生长过程，如图7b1-b4所示。这表明在拉伸过程中，HPDC AE81镁合金中的孔隙在其生长过程中会发生相当大的形状变化。
图7. HPDC AE81镁合金在原位拉伸过程中孔隙的结合和增长。
3.2 三维应变场分析
如图8所示，在原位拉伸试验期间，应变场随着应力水平的增加而增加，这种应力的增加导致HPDC AE81镁合金样品中出现局部应变集中区域。在本研究中，应变集中区域主要位于合金样品的中心区域（见图8b-c）。当应力达到一定阈值时，局部应变可能会超过合金的极限，最终导致试样断裂。
图8. HPDC镁合金的3D应变场分析和孔隙率演变的直观比较：（a）（d）ε = 1 %，（b）（e）ε = 4 %，（c）（f）ε = 5 %。
图9. 基于DVC的孔隙度的3D应变场分布：（a）ε = 1 %，（b）ε = 4 %，（c）ε = 5 %。
3.3 断裂机制
在本研究中，HPDC AE81合金的断裂并未发生在最大的孔隙率处。为了阐明其机制，我们分别测量了初始阶段裂缝表面附近和最大孔隙度周围的局部孔隙率比例（通过选择250个切片进行计算），如图10所示。可以看出，在拉伸变形过程中，位置P2处可能会出现更大的应力集中，导致最初在该位置发生裂纹成核，最终导致合金断裂失效。
图10. 原位CT拉伸样初始阶段最大孔隙附近和断口附近的局部孔隙率，分别选取了250层切片进行计算。
研究结论
在这项工作中，我们利用原位SEM和原位X射线显微断层扫描研究了HPDC AE81镁合金拉伸过程中孔隙对其损伤演化的机理。该研究得出以下创新发现：
（1）在拉伸变形过程中，网状缩松和长度方向垂直于拉伸方向的岛状缩松是裂纹萌生的主要来源。在应力状态下，裂纹沿垂直于施加应力的孔隙率方向延伸。
（2）原位CT分析表明，HPDC AE81镁合金中孔隙率的形核应变约为0.015，孔隙率的增长率约为17.8。这种合金中相对较高的孔隙率增长率可能导致材料的延展性降低。
（3）孔隙率的三维应变场分析表明，孔隙率的取向对HPDC AE81镁合金的裂纹扩展和相应的力学性能有显著影响。当孔隙长度方向平行于拉伸方向时，应变变化相对较小;当它是垂直的时，应变变化最大，有利于应力集中和裂纹成核。
（4）HPDC AE81镁合金的断裂破坏机理是孔隙聚集和剪切断裂机理共同作用的结果。孔隙率的异质分布的存在可能是导致拉伸断裂关键因素，合金倾向于在局部孔隙率较高的区域断裂。
原始文献：
Xie H, Li Y, Song J, et al. Mechanism of porosity-induced damage evolution and failure in high pressure die casting AE81 magnesium alloy: An in-situ SEM and micro-CT study[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2025: 180790.
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