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A356铝合金具有较高的比强度、耐蚀性和成本较低的特点，广泛应用于航空航天和汽车工业中。但是传统铸造工艺（砂型和重力）下铸造铝合金存在缩松缺陷，会严重影响铸造铝合金的力学性能，尤其是疲劳性能，因此需要通过改进铸造工艺来减少缩松缺陷。差压铸造是一种反重力铸造技术，其可以控制充型速度，同时铝液填充后可继续加压，使铸件在较大压力作用下凝固，提高铝液的补缩能力，减少缩松等铸造缺陷的形成并且获得枝晶较细小的组织，适用于各种结构复杂且性能要求苛刻的薄壁铝合金铸件，如汽车转向节、控制臂、支架等。
研究发现，在无缺陷情况下影响铸造铝合金力学性能的主要是二次枝晶间距（SDAS）大小。目前关于二次枝晶间距对力学性能的研究有很多报道，并且有通过二次枝晶间距预测力学性能的定量关系式，但是二次枝晶间距对疲劳性能方面的定量研究方面报道很少。差压铸件由于复杂的结构、凝固条件不均匀，其内部的二次枝晶间距分布存在较大差异，进而导致不同区域存在不同的性能。目前，产品设计阶段的有限元分析采用统一的材料疲劳性能模型，导致模拟与试验结果存在偏差。本研究通过差压铸造工艺生产出缺陷较少的铸件，在铸件不同区域取样进行材料疲劳试验，同时测量取样部位的二次枝晶间距，建立二次枝晶间距与差压铸造A356铝合金疲劳性能的定量关系式，旨在为其应用提供参考。
图文结果
试验原材料是A356铝合金，首先铝锭在熔炼炉中熔化，然后倒入坩埚炉中，通过转子除气机和高纯氩气控制氢含量，加入Al-5Ti-B和Al-10Sr 中间合金进行细化和变质处理。差压铸造设备示意图见图1，差压铸造过程：首先，型腔和炉腔同时加压建立系统压力，随后型腔保持压力，同时炉腔继续加压产生压力差使铝液经过升液管进入模具，然后铝液在模具中充型和继续加压，接着型腔泄压，炉腔保持压力一段时间直到铸件成形，最后炉腔泄压，铸件冷却。对差压铸件进行T6热处理，利用OBLF QSN750光谱仪检测化学成分，其结果见表1。
图1 差压设备示意图
表1 A356铝合金的化学成分(%)
图2 疲劳试样尺寸
(a)19μm,低倍
(b)40μm,低倍
(c)19μm,高倍
(d)40μm,高倍
图3 差压铸件不同二次枝晶间距的金相组织
由于冷却速率的差异，差压铸造A356铝合金铸件不同区域的二次枝晶间距具有不均匀性。二次枝晶间距分布范围在19~40μm之间，二次枝晶间距较小的试样共晶Si颗粒分布更加弥散。A356合金中的二次枝晶间距与冷却速率关系符合经验公式：
通过扫描电镜对断口进行分析，筛选出疲劳断口疲劳源没有铸造缺陷的试样，然后在试样断口附近取金相试样进行二次枝晶间距测量，最后使用Origin软件中的LogNormal2D方程对所有试验结果进行三维曲面拟合（见图4），得到了二次枝晶间距与疲劳性能的定量关系式。N为疲劳寿命；S为应力；SDAS为二次枝晶间距。
图4 疲劳寿命、应力和二次枝晶间距的
三维曲面拟合方程
图5 不同二次枝晶间距对应的S-N曲线
图6是疲劳断口形貌分析。疲劳源（见图6a）位于试样表面，疲劳源区可见明显的疲劳条纹和二次裂纹。疲劳源区附近驻留滑移带，是由于位错的侵入和挤压形成，见图6b。疲劳条纹在一个晶粒内沿相同方向扩展，当扩展到晶界时，方向发生变化（见图6c中箭头）。同时，在疲劳扩展区局部区域可以看到Si颗粒脱黏的现象（见图6d）。此外，为了研究疲劳裂纹扩展路径，对疲劳试样的断口纵剖面进行金相组织观察（见图7），可以看到二次裂纹沿着共晶Si颗粒扩展（见图7a）和共晶Si颗粒开裂的现象（见图7b）。
(a)疲劳源区断口形貌
(b)驻留滑移带形貌
(c)疲劳扩展区形貌
(d)Si颗粒脱黏形貌
图6 疲劳断口形貌
(a)二次裂纹
(b)共晶Si颗粒开裂
图7 疲劳断口纵剖金相组织
二次枝晶间距对疲劳寿命影响已经有相关的报道，可以从弥散强化的角度来理解。从图3可以明显看到二次枝晶间距较小的试样共晶Si颗粒分布更加弥散。当材料在承受拉伸或压缩循环载荷时，由于不均匀变形，局部屈服不可避免。随着变形进行，位错将与共晶Si颗粒相互作用，二次枝晶间距较小的试样由于共晶Si颗粒分布弥散，位错可以穿过枝晶界而受阻于晶界，位错可以滑移更长的距离，因此局部区域产生的应力较小。随着二次枝晶间距增大，位错与枝晶界相互作用增加，局部区域产生的应力也会随之增大，疲劳裂纹会最终产生于局部区域受力最大处。
表2 试样的疲劳寿命试验结果、预测结果和
对数相对误差
图8 预测疲劳寿命与试验疲劳寿命的对比
图8为预测疲劳寿命与试验疲劳寿命的对比。可以看出定量关系式的预测结果与试验结果符合较好，预测疲劳寿命的对数相对误差最大绝对值在2%以下，表明该定量关系式可以很好地预测差压铸件在不同区域具有不同二次枝晶间距的疲劳性能。此外，工艺仿真软件ProCAST或Magma可以计算差压铸件不同区域的二次枝晶间距，结构仿真软件ABAQUS可以计算铸件在不同区域的应力，该定量关系式可用于预测差压铸件在循环载荷条件下的疲劳寿命。
本文作者：
徐佐 乔海波 邱正 夏书乐 刘书基 朱志华
中信戴卡股份有限公司
2024年第44卷第02期文章全文阅读
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编辑：柳力莎
审核：刘晨辉
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来源：学术期刊
