含疏松缺陷的ZL205A合金力學(xué)性能研究

趙朋飛，王育紅，張新運(yùn)，李宏民

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含疏松缺陷的ZL205A合金力學(xué)性能研究

趙朋飛，王育紅，張新運(yùn)，李宏民

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854）

目的獲取含疏松缺陷ZL205A材料主要力學(xué)性能參數(shù)的變化規(guī)律及力學(xué)行為。方法通過單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采用割線法估算含不同等級(jí)疏松ZL205A試樣的力學(xué)性能參數(shù)；基于試樣斷面及載荷-位移曲線分析，歸納ZL205A材料的力學(xué)行為，并通過有限元模擬對(duì)假設(shè)的力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)ZL205A材料的抗拉強(qiáng)度、伸長率、彈性模量及屈服強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)隨疏松等級(jí)增加而降低的趨勢(shì)，材料變形塑性屈服階段不明顯且具有脆性斷裂特征。結(jié)論 Ramberg-Osgood方程適合于描述ZL205A材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

疏松缺陷；ZL2015A試樣；力學(xué)性能參數(shù)；本構(gòu)關(guān)系

隨著新一代高性能飛行器的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)輕量化及不斷挖掘材料/結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備強(qiáng)度成為設(shè)計(jì)師和材料研究人員不斷追求的重要指標(biāo)，其中高比強(qiáng)度和高比剛度材料是飛機(jī)、導(dǎo)彈等裝備性能提升的關(guān)鍵因素[1—4]。ZL205A合金是我國自行研制的高強(qiáng)度鑄造鋁合金材料，適用于鑄造生產(chǎn)形狀復(fù)雜、比強(qiáng)度要求高、整體性能要求均一的零件，是國內(nèi)目前應(yīng)用的強(qiáng)度和綜合力學(xué)性能最好的鑄造鋁合金，與國外同類材料相比處于領(lǐng)先水平[5]。近年來，ZL205A合金先后應(yīng)用于航天多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品中，用于制造承受較大載荷的殼體鑄件。該合金材料各種元素比重及熔點(diǎn)差別大、合金結(jié)晶溫度范圍寬、流動(dòng)性差、體積收縮率大，加上殼體鑄件形狀及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均，在合金熔煉、澆注及鑄件冷卻、凝固過程中很容易產(chǎn)生成分偏析、疏松、氣孔、針孔、微裂紋等缺陷[6—8]。

目前，影響某型號(hào)產(chǎn)品殼體鑄造質(zhì)量及力學(xué)性能的主要缺陷是疏松，直接引用航空標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金鑄件規(guī)范》[9]進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)可能過于嚴(yán)格而導(dǎo)致鑄件合格率偏低。原因可能是該標(biāo)準(zhǔn)制定的適用對(duì)象是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，其全壽命期服役時(shí)間及承受載荷的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于航天某型號(hào)產(chǎn)品。因此，有必要對(duì)含不同等級(jí)疏松缺陷的ZL205A材料的力學(xué)性能及變化規(guī)律進(jìn)行分析和研究，為制定適用于航天型號(hào)用鑄件質(zhì)量檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支撐，從而達(dá)到節(jié)約型號(hào)研制成本及保障產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

1.1 試樣制備

以某型號(hào)殼體鑄件為基材進(jìn)行試樣制備，首先利用X射線無損探傷手段對(duì)鑄件進(jìn)行完整的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)出的鑄造缺陷包括疏松、偏析、針孔等形式；然后選取包含疏松缺陷為主的殼體區(qū)域進(jìn)行材料試片切取，利用機(jī)加工方法按照《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》[10]的規(guī)定制作成圓棒狀試樣，形狀及名義尺寸分別見圖1和表1。制備好的試樣及含缺陷基材如圖2所示，實(shí)驗(yàn)前在試樣中間短徑區(qū)域涂抹紅色涂料，用于測(cè)試試樣拉伸斷裂伸長率。

表1 圓形拉伸試樣名義尺寸

該次實(shí)驗(yàn)總計(jì)制作了46件圓形拉伸試樣，制作完成后對(duì)每件試樣進(jìn)行了細(xì)致的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果按照《鋁合金鑄件規(guī)范》有關(guān)規(guī)定對(duì)試樣包含的疏松缺陷進(jìn)行了具體評(píng)級(jí)和分類，獲得共計(jì)包括5個(gè)（I～V）等級(jí)的疏松缺陷，形態(tài)主要分為分散狀和海綿狀。典型的I～V級(jí)分散及海綿狀疏松缺陷如圖3所示，通過對(duì)比可以看出，隨著缺陷等級(jí)的增加，疏松在材料中所占區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，并且疏松表面粗糙度逐漸變大，造成材料表面起伏及凹凸不平的形態(tài)不斷惡化，這可能是導(dǎo)致含高疏松等級(jí)試樣的材料參數(shù)及抗拉強(qiáng)度等性能指標(biāo)下降的本質(zhì)原因[11—12]。

a I級(jí)分散狀 b II級(jí)分散/局部狀 c III級(jí)局部分散/海綿狀

d IV級(jí)局部分散/海綿狀 e V級(jí)局部海綿狀

圖3 典型疏松缺陷形貌的X射線檢測(cè)照片（1×）

1.2 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試

該次單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用液壓伺服驅(qū)動(dòng)的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)完成，設(shè)備型號(hào)為新三思CMT5105，最大量程為100 000 N，數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.5%，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性偏差為±0.3%。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過下夾具將試樣一端固定，另一端由上夾具夾持固定??；通過上夾具的移動(dòng)將載荷施加到試樣，該儀器加載模塊配備有大量程的測(cè)力傳感器。實(shí)驗(yàn)過程中載荷和加載點(diǎn)位移的大小分別由力傳感器和差動(dòng)變壓器裝置來實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)和記錄，并在控制微機(jī)上輸出為載荷-位移曲線。隨著載荷的單調(diào)增加，試樣中央?yún)^(qū)域不斷伸長和截面頸縮，超過破壞極限載荷后，試樣斷裂為兩部分，同時(shí)加載位移不再增加。實(shí)驗(yàn)測(cè)試均在恒定的位移加載速率0.01～0.05 mm/min和室溫（25±2）℃條件下進(jìn)行。通過觀察試樣斷裂過程、位置和形態(tài)特征（如圖5所示），及對(duì)比實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的載荷-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性較好，可信程度較高。

圖4 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

圖5 典型試樣拉伸斷裂后形態(tài)

為便于掌握ZL205A試樣的斷裂特征及機(jī)理，依次使用掃描電鏡對(duì)典型試樣斷面的微觀形貌進(jìn)行了觀察和分析。如圖6a所示，試樣中央部分并沒有發(fā)生明顯的金屬類材料拉伸斷裂特有的“頸縮”現(xiàn)象，斷口比較平整，無尖銳的拉斷毛刺。參照?qǐng)D3給出的疏松形貌，在斷面上可以觀察到不均勻分布的疏松缺陷，通過局部放大可以看出疏松區(qū)域內(nèi)散布有偏析、夾雜、針孔等微缺陷，如圖6b—d所示。由于不同等級(jí)疏松試樣的拉伸斷裂位置不盡相同，在斷面上并沒有全部觀察到疏松缺陷形貌，表明雖然疏松區(qū)域會(huì)對(duì)構(gòu)件整體性能產(chǎn)生影響，但它不一定是構(gòu)件強(qiáng)度最薄弱的位置。此外，通過對(duì)斷面進(jìn)行金相組織（如圖7所示）顯微分析顯示，疏松等微缺陷在鑄造過程中主要沿著微組元的邊界進(jìn)行生成和分布。這些微觀結(jié)構(gòu)特征直接影響著材料及結(jié)構(gòu)的宏觀性能和力學(xué)行為[12—14]。

如圖8所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得各等級(jí)疏松試樣的拉伸載荷-位移曲線表現(xiàn)出比較相似的形狀和趨勢(shì)，即隨著加載點(diǎn)位移增加，載荷最初基本上隨之線性增大，在試樣材料達(dá)到屈服后直接進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段，待局部應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度后產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展至完全斷裂，此時(shí)出現(xiàn)載荷的急劇卸載及加載位移終止。通過進(jìn)一步分析及對(duì)比可以看出：各曲線彈性變形階段的抖動(dòng)及變化不均勻，可能是由儀器測(cè)量誤差、實(shí)驗(yàn)夾具間隙、疏松缺陷等因素引起的；隨著試樣疏松等級(jí)的增加，載荷-位移關(guān)系逐步趨于線性化，即材料的線彈性力學(xué)行為逐漸顯著，這可能與鑄造缺陷引起的材料微結(jié)構(gòu)演化有關(guān)；如圖8f所示，不同等級(jí)載荷-位移曲線彈性變形段變化趨勢(shì)較為一致，表明疏松缺陷等級(jí)對(duì)材料的彈性常數(shù)影響較小，可能V級(jí)及以上疏松才出現(xiàn)明顯分化，但疏松等級(jí)對(duì)材料強(qiáng)度性能退化的影響較為明顯。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料性能參數(shù)估算

2.1.1 抗拉強(qiáng)度及延伸率

選取實(shí)驗(yàn)所測(cè)單調(diào)載荷-位移曲線中載荷開始出現(xiàn)快速卸載的位置，作為試樣發(fā)生斷裂時(shí)的極限載荷max，可由式（1）和式（2）計(jì)算求得抗拉強(qiáng)度b和延伸率，

(2)

式中：0為試樣中央部分理論截面直徑；0和c為實(shí)驗(yàn)前后試樣標(biāo)距。

各等級(jí)疏松試樣的抗拉強(qiáng)度及延伸率指標(biāo)見表2，限于篇幅表中僅列出部分試樣的計(jì)算結(jié)果。試樣拉伸性能指標(biāo)對(duì)比及與疏松等級(jí)的關(guān)系如圖9所示，可以看出，抗拉強(qiáng)度總體分散程度小于伸長率，這可能由試樣標(biāo)定及標(biāo)距測(cè)量等人為操作因素較多引起的。平均抗拉強(qiáng)度及延伸率均隨試樣含疏松等級(jí)的增加而降低，表明合金材料強(qiáng)度及塑性指標(biāo)不斷退化，斷裂特性逐漸傾向于脆性材料，這可能與疏松缺陷區(qū)域增大和微結(jié)構(gòu)劣化對(duì)材料強(qiáng)度及力學(xué)行為的影響有關(guān)[12—13]。

表2 含不同等級(jí)疏松試樣的抗拉強(qiáng)度及延伸率計(jì)算結(jié)果

2.1.2 彈性模量及屈服應(yīng)力

一般地，試樣的拉伸載荷-位移曲線在很大程度上是材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的反映。在一定的變形范圍內(nèi)，可以利用載荷-位移曲線對(duì)材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行粗略估計(jì)。由于試樣拉伸曲線沒有明顯的彈性變形階段，可以采用割線法對(duì)材料的彈性模量和屈服應(yīng)力進(jìn)行近似估計(jì)。如圖10所示，割線1代表試樣彈性變形段的變化趨勢(shì)，割線2代表試樣在屈服后斷裂前的變化趨勢(shì)。兩條割線斜率的轉(zhuǎn)折表示試樣發(fā)生屈服和塑性變形，承載剛度發(fā)生變化，交點(diǎn)可近似為屈服應(yīng)力點(diǎn)。由于試樣在拉伸過程中變形和截面收縮不明顯，假定試樣斷裂區(qū)域截面面積在實(shí)驗(yàn)前后保持不變，可得試樣彈性模量及屈服應(yīng)力的計(jì)算公式：

式中：E為彈性模量；σs為屈服應(yīng)力；εs為名義屈服應(yīng)變；Fs為屈服點(diǎn)載荷；A為截面面積；ΔL為試樣伸長量；L0為試樣原始標(biāo)距；n為位移放大倍數(shù)。

表4列出了含不同等級(jí)疏松試樣的彈性模量及屈服應(yīng)力估算結(jié)果，變化趨勢(shì)如圖11所示?？梢钥闯?，試樣彈性模量及屈服應(yīng)力整體上隨包含疏松等級(jí)的增加而降低，尤其是III級(jí)以后明顯加劇。彈性模量的退化趨勢(shì)相比屈服應(yīng)力較為緩和，從圖8f曲線對(duì)比中也可以看出，III級(jí)模量升高可能與數(shù)據(jù)樣本量及分散程度有關(guān)?？傊?，ZL205A合金內(nèi)部疏松等級(jí)增加及微結(jié)構(gòu)惡化造成了材料力學(xué)性能的下降，主要表現(xiàn)為材料抗屈服、抗破壞等強(qiáng)度指標(biāo)的降低，對(duì)彈性模量的影響相對(duì)較小。通過與文獻(xiàn)[12—14]及相關(guān)手冊(cè)[9—10]中對(duì)ZL205A材料的性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果比較，可以看出文中的參數(shù)估算的結(jié)果是比較合理的。

表4 含不同等級(jí)疏松試樣的彈性模量及屈服應(yīng)力估算值

2.2 力學(xué)模型驗(yàn)證

2.2.1 模型假設(shè)

鋁合金拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線沒有明顯的屈服階段，但有彈性變形段及很好的塑性特性，屬于塑性材料?；诣T鐵受拉伸時(shí)直至斷裂完成局部變形都很不明顯，沒有屈服階段和頸縮現(xiàn)象，屬于典型的脆性材料。對(duì)于高強(qiáng)鑄造鋁合金ZL205A，通過進(jìn)一步分析其拉伸載荷-位移曲線（見圖8），發(fā)現(xiàn)該類合金雖然屬于鋁合金類材料且沒有明顯的屈服階段，但其斷裂形變量小，斷口相對(duì)平整且“頸縮”現(xiàn)象不顯著。據(jù)此，可以判斷ZL205A合金的力學(xué)行為兼具塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及近似脆性斷裂破壞特征[14]，即在積聚彈性應(yīng)變能并發(fā)生屈服后便迅速達(dá)到抗拉強(qiáng)度而引起斷裂。這可能與合金化學(xué)成分、鑄造過程、熱處理工藝、內(nèi)部缺陷等材料-冶金因素的綜合作用影響有關(guān)。

由此可知，ZL205A材料表現(xiàn)出一種鑄造鋁合金特有的力學(xué)行為，即無明顯屈服階段及具有脆性斷裂特征的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，鋁合金及鑄鐵材料本構(gòu)模型可能都無法進(jìn)行準(zhǔn)確描述。如圖12所示，經(jīng)驗(yàn)的Ramberg- Osgood彈塑性本構(gòu)方程[15]表示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的載荷-位移變化趨勢(shì)比較接近，故文中假設(shè)ZL205A材料拉伸本構(gòu)模型滿足該方程，具體表達(dá)式為：

式中：ε和σ為Von Mises等效應(yīng)力和等效應(yīng)變；σ0，n，α為描述材料塑性特征的常數(shù)，一般通過實(shí)驗(yàn)曲線的擬合和校準(zhǔn)獲得。如圖12所示，當(dāng)時(shí)，表示彈性應(yīng)變值，表示不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變值，通常也稱作屈服偏離大小。

2.2.2 有限元驗(yàn)證

利用ABAQUS6.11商用軟件對(duì)ZL205A試樣的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有限元模擬（FEM），通過模擬載荷-位移曲線與實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比和校準(zhǔn)，以驗(yàn)證材料遵守R-O彈塑性本構(gòu)模型的合理性。R-O模型參數(shù)和根據(jù)文獻(xiàn)[16—18]研究結(jié)果分別近似地取經(jīng)驗(yàn)值1.25和3.2。結(jié)合表4，依據(jù)實(shí)驗(yàn)載荷-位移曲線可確定方程中的和0的取值。因此，各級(jí)疏松試樣都有相應(yīng)的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式。

假設(shè)材料為均質(zhì)及各向同性的，建立的圓形拉伸試樣三維有限元實(shí)體及網(wǎng)格模型如圖13所示，采用試樣一端固支、另一端布置面力的邊界條件及加載方式，模型包含二次四面體單元（C3D10）共15940個(gè)，有效節(jié)點(diǎn)24551個(gè)。典型試樣拉伸有限元模擬的Mises應(yīng)力云圖如圖13b所示，可以看出，在試樣臺(tái)階過渡部分的根部附近應(yīng)力幅值最大，這對(duì)于試樣結(jié)構(gòu)形式是顯而易見的，但斷裂不一定發(fā)生在應(yīng)力最大部位；中間區(qū)域應(yīng)力幅值雖然相對(duì)較小，但可能包含了主要的疏松缺陷區(qū)域，導(dǎo)致此處抗拉強(qiáng)度值可能遠(yuǎn)低于過渡段根部，最終在中間區(qū)域某個(gè)部位發(fā)生斷裂。

模擬過程中，逐漸增加載荷值并記錄加載端的法向位移y，繪制出模擬載荷-位移曲線與實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，在曲線曲率變化段對(duì)載荷-位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了密集處理。為了便于觀察分析，這里僅列出I級(jí)和II級(jí)典型疏松試樣的模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的比較情況，如圖14所示?？梢钥闯?，在彈性變形階段模擬曲線要比實(shí)驗(yàn)曲線平直，這是因?yàn)閵A具安裝間隙等引起曲線抖動(dòng)的因素在理想的計(jì)算模型中不會(huì)出現(xiàn)。在屈服點(diǎn)以后，由于數(shù)值模擬設(shè)置的模量及屈服應(yīng)力等力學(xué)性能參數(shù)不同，導(dǎo)致模擬曲線可能在實(shí)驗(yàn)曲線上方或下方偏出。通過大量模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含不同疏松等級(jí)試樣的模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線總體趨勢(shì)符合性較好，偏離誤差基本控制在15%以內(nèi)。因此，可以認(rèn)為R-O彈塑性本構(gòu)方程用于描述ZL205A材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是基本合理的，塑性特性參數(shù)有待于進(jìn)一步優(yōu)化和檢驗(yàn)。

3 結(jié)論

通過開展圓形試樣的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析和研究了含不同等級(jí)疏松缺陷ZL205A材料力學(xué)性能的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論。

1）采用割線法估算的試樣彈性模量、屈服應(yīng)力等力學(xué)性能參數(shù)隨包含疏松等級(jí)的增加而降低。

2）通過試樣斷裂特征及載荷-位移曲線分析，歸納出ZL205A材料的彈塑性力學(xué)行為特點(diǎn)是無明顯屈服階段且具有脆性斷裂特征。

3）通過有限元模擬及實(shí)驗(yàn)曲線校準(zhǔn)，Ramberg- Osgood方程用于描述ZL205A材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系是合理的。

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Mechanical Properties of the ZL205A Alloy of Porosity Defect

ZHAO Peng-fei, WANG Yu-hong, ZHANG Xin-yun, LI Hong-min

(Aerospace Science & Industry Corp Defense Technology R&T Center, Beijing 100854, China)

Objective To obtain variation rules and mechanical-behaviors of the main mechanical properties of ZL205A materials of porosity. Methods By uniaxial tensile testing, mechanical properties of ZL205A specimens including various grades of porosity were estimated with the secant method; based on analysis of fractured surface and load-displacement curve of specimens, the mechanical-behaviors and model of ZL205A materials were assumed and validated by finite element modeling. Results Values of tensile strength, extensibility, elastic modulus and yield strength of ZL205A materials exhibited decreasing trend with the increase of porosity grade. The materials in deformation had no obvious plastic yielding stage and brittle fracture. Conclusion The Ramberg-Osgood equation is suitable for describing the elastoplastic constitutive relationship of ZL205A materials.

porosity defect; ZL205A specimen; mechanical property; constitutive relationship

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.017

TJ04

A

1672-9242(2017)08-0088-07

2017-04-04；

2017-05-04

趙朋飛（1985—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檠b備材料/結(jié)構(gòu)環(huán)境、力學(xué)與可靠性技術(shù)。