試析微觀孔洞對(duì)鋁合金壓鑄件疲勞性能的影響

管振明++葛文權(quán)++吳祖亮

[摘 要]本文主要分析了微觀孔洞對(duì)鋁合金壓鑄件疲勞性能的影響，首先對(duì)其疲勞性能的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了概述，進(jìn)而針對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開了相關(guān)研究，主要分析了疲勞裂紋的起源以及孔洞對(duì)疲勞性能的影響等，并結(jié)合本次研究，采用三維X 射線斷層掃描的重構(gòu)數(shù)據(jù)同其中的有限元分析相結(jié)合，計(jì)算和分析了實(shí)際微觀孔洞引起的應(yīng)力情況，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)微觀孔洞對(duì)鋁合金壓鑄件疲勞性能的影響研究提供幫助。

[關(guān)鍵詞]微觀孔洞；鋁合金；壓鑄件；疲勞性能

中圖分類號(hào)：TG146.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）06-0053-01

在目前的技術(shù)條件下對(duì)于鋁、鎂等合金金屬進(jìn)行精確的成型，其所采用的常用方法為壓鑄法。在此過程中合金金屬會(huì)在高溫的條件下呈液體狀態(tài)，從而能夠迅速完成造型的填充，而常常也會(huì)在此過程中因氣體的進(jìn)入而出現(xiàn)孔洞情況，導(dǎo)致金屬成型后出現(xiàn)缺陷，致使金屬鑄件的力學(xué)性能大大降低，同時(shí)也會(huì)誘發(fā)其產(chǎn)生疲勞性裂紋。因此本文將研究鋁合金的壓鑄件在不同條件下的應(yīng)力水平，采取相應(yīng)的疲勞測(cè)試，在基于金屬鑄件樣本的三維X射線行斷層掃描的情況下，研究其內(nèi)部微觀孔洞對(duì)于其疲勞性能產(chǎn)生的影響。

一、概述

在行X射線斷層掃描的分析以及相關(guān)的疲勞測(cè)試當(dāng)中，所選用的合金金屬鑄件樣本材質(zhì)為ADC12，零件質(zhì)量為5843g，實(shí)際大小情況經(jīng)測(cè)量為470mm×350mm×60mm，在對(duì)于合金金屬鑄件進(jìn)行壓鑄的過程當(dāng)中，所采用的澆注溫度為670oC，低速及高速壓鑄的速度通常位于0.125～0.825m/s之間以及4.255m/s之上，其增壓壓力數(shù)值為70MPa。對(duì)其行疲勞性能的測(cè)試，依據(jù)其金屬成分的標(biāo)準(zhǔn)選取測(cè)試合金金屬樣本35個(gè)進(jìn)行疲勞性能的測(cè)試，其所選取樣本的壁壘厚度均為3x5mm左右。在進(jìn)行合金鑄件的疲勞性能測(cè)試之前，對(duì)所選取的35個(gè)金屬樣本均行高分辨率X射線的斷層掃描，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)距離的孔洞位置進(jìn)行無損壞質(zhì)量檢測(cè)。進(jìn)而依據(jù)掃描所獲得的CT掃描樣本切片圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)合金鑄件的孔洞位置三維圖像的重新構(gòu)建，最終獲得35個(gè)試驗(yàn)樣本中心孔洞位置的體積大小、表面積以及分布位置情況等內(nèi)容。

二、結(jié)果及其分析

1、疲勞裂紋的起源分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)合金金屬鑄件樣本當(dāng)中因裂紋而引發(fā)的疲勞性能缺陷，可選用SEM手段對(duì)本次研究所選取的35個(gè)樣本進(jìn)行斷口的觀察及分析。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況表明，有大于75%的疲勞樣本失去其效能，均是因金屬孔洞的問題所引發(fā)的。在合金鑄件其相等效能的情況下直徑超過100μm以上的鑄件孔洞，通常會(huì)致使其出現(xiàn)疲勞性斷裂的誘發(fā)性因素，而在直徑超過200μm以上的孔洞則更加容易引發(fā)鑄件出現(xiàn)疲勞性斷裂，產(chǎn)生疲勞性裂紋嚴(yán)重者甚至?xí)l(fā)斷裂失效，如圖1所示。

2、孔洞對(duì)疲勞性能的影響

采用單對(duì)數(shù)坐標(biāo)對(duì)疲勞應(yīng)力與壽命數(shù)據(jù)作圖，可得到如下的 S？N 圖（見圖2），選用單對(duì)數(shù)的坐標(biāo)體系來對(duì)于合金鑄件的疲勞應(yīng)力情況及壽命進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將存在顯著差異的孔隙率鑄件樣本可采用相應(yīng)的計(jì)算公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其具體公式可表示為：

其中表示鑄件實(shí)驗(yàn)樣本在特定的疲勞周次亦或之下所產(chǎn)生的疲勞性能斷裂情況占本次實(shí)驗(yàn)所有樣本當(dāng)中分?jǐn)?shù)比例；代表疲勞鑄件實(shí)驗(yàn)樣本的疲勞周次情況；代表具有一定特征性的疲勞壽命，其中大致包含了63.3%的鑄件實(shí)驗(yàn)樣本存在疲勞斷裂的情況；表示疲勞壽命的基礎(chǔ)數(shù)值情況；m代表參數(shù)的分布形狀系數(shù)情況，及其表征數(shù)據(jù)情況的分散特性。

3、疲勞壽命預(yù)測(cè)

因?yàn)樵谒泻辖鸾饘勹T件的實(shí)驗(yàn)樣本當(dāng)中孔洞情況均有不同程度的存在，同時(shí)又由于相應(yīng)的疲勞裂紋通常會(huì)由相應(yīng)的空擋當(dāng)中所源發(fā)，因此對(duì)于疲勞裂紋的產(chǎn)生階段在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中可以將其忽略不計(jì)，合金逐漸的疲勞壽命評(píng)價(jià)通常選取逐漸的裂紋發(fā)展階段來確定。同時(shí)需要綜合考慮裂紋在終止之時(shí)的發(fā)生因素情況，當(dāng)=0.1之時(shí)，；=-1之時(shí)，。將此兩項(xiàng)公式分別取以對(duì)數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后可得：。

依據(jù)在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所獲取的疲勞應(yīng)力、壽命及臨界孔洞的尺寸等，對(duì)于樣本鑄件孔洞疲勞模型的參數(shù)以及行線性回歸的擬合分析，其所得到的數(shù)值為B=6.02e21，m=6.62。因此關(guān)于合金金屬鑄件的孔洞—疲勞壽命預(yù)估公式即可表示為=6.02e21（）-6.62。如圖3所示。

4、孔洞周圍應(yīng)力的三維有限元分析

對(duì)于合金金屬鑄件的內(nèi)部孔洞所產(chǎn)生的應(yīng)力情況，采取有限元的分析，能夠明確掌握當(dāng)中孔洞的體積大小、表面形狀以及具體位置等情況進(jìn)行分析，以及對(duì)于鑄件疲勞性失效的影響?；谌SX射線斷層掃描能夠重新構(gòu)建，獲得其中孔洞的實(shí)際立體三維數(shù)據(jù)模型，從而展開對(duì)孔洞所引發(fā)的應(yīng)力集中情況進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析。

結(jié)束語

通過本次研究結(jié)果表明，在鋁合金金屬的鑄件樣本疲勞實(shí)驗(yàn)當(dāng)中其顯示出，孔隙發(fā)生率的增加，相應(yīng)的金屬疲勞壽命也會(huì)有不同程度的減少。通過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，進(jìn)而分析微觀孔洞對(duì)鋁合金壓鑄件疲勞性能的影響，其中主要的影響因素包括疲勞裂紋的起源分析、孔洞對(duì)疲勞性能的影響、疲勞壽命預(yù)測(cè)、孔洞周圍應(yīng)力的三維有限元分析等。最終希望通過本文的研究，能夠?yàn)橄嚓P(guān)的研究人員及金屬加工制造企業(yè)提供一些參考、借鑒。

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