Al-Si合金因其良好的鑄造性能和力學(xué)性能，被廣泛用于制造汽車、軌道交通及航空航天等領(lǐng)域的零部件，在其服役環(huán)境下可能會(huì)承受循環(huán)載荷作用，因此這類鋁合金鑄件的疲勞性能十分重要。但鋁合金鑄件疲勞性能受諸多因素影響，GERBE S等發(fā)現(xiàn)鑄造鋁合金組織的二次枝晶臂間距（SDAS）值越大，疲勞性能越低。由于鋁合金不可避免地存在鑄造缺陷（如縮孔、氣孔、氧化膜等），關(guān)于鋁合金各種性能的研究眾多。一般認(rèn)為鑄造缺陷的尺寸越大，鑄件的疲勞性能越差。

鋁合金的鑄造缺陷一般通過(guò)優(yōu)化鑄造工藝來(lái)消除。鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)材料利用率高、成形效率高，且可以生產(chǎn)出高性能且形狀復(fù)雜的零件，能有效地降低生產(chǎn)成本。同時(shí)半固態(tài)壓鑄件的致密性好、組織均勻，且沒(méi)有普通鑄件中存在的粗大枝晶組織，擁有良好的力學(xué)性能。本課題分別采用常規(guī)壓鑄及半固態(tài)壓鑄方法制備ZL114A鋁合金疲勞試樣，通過(guò)高周疲勞試驗(yàn)對(duì)比不同工藝成形的鑄件疲勞性能差異。對(duì)疲勞試樣進(jìn)行斷口觀察和分析，探索成形方式以及缺陷與壓鑄試樣疲勞性能之間的關(guān)系，為研究高疲勞性能鋁合金件壓鑄工藝提供參考。

圖文結(jié)果

表1 ZL114A合金的化學(xué)成分（%）

先在電磁攪拌爐中石墨坩堝里將約8kg的ZL114A鋁錠熔化，升溫至700℃，保溫30min，然后向熔體中通入氬氣精煉10min，除氣扒渣后靜置，在670℃澆注壓鑄試樣。在605℃下進(jìn)行電磁攪拌，頻率為5Hz，時(shí)間為60s，功率為3kW，制備半固態(tài)漿料并壓鑄。壓鑄試樣為圓形試樣，具體尺寸見(jiàn)圖1。將制得的試樣依GB/T3075-2008的要求進(jìn)行機(jī)加工，將試樣表面拋光至Ra0.2，隨后按數(shù)字編號(hào)，用排水法測(cè)量試樣的密度。使用PLG-100高頻共振疲勞機(jī)進(jìn)行軸向疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比R=0.1。設(shè)定4個(gè)應(yīng)力水平（應(yīng)力級(jí)），分別為70、80、90、100 MPa，每個(gè)應(yīng)力級(jí)取6根試樣。采用VHX-1000超景深顯微鏡以及Inspect F50掃描電鏡對(duì)疲勞試樣斷口進(jìn)行分析，并在疲勞試樣斷口附近取一截面拋光、腐蝕后，進(jìn)行金相組織觀察和拍攝。通過(guò)超景深顯微鏡測(cè)定缺陷區(qū)域的周長(zhǎng)和面積，以計(jì)算缺陷區(qū)域的平均等效直徑，其計(jì)算公式為：

圖1 疲勞試驗(yàn)用壓鑄試樣尺寸

圖2 液態(tài)壓鑄試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖3 半固態(tài)壓鑄試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖4 疲勞試樣密度與裂紋源缺陷平均等效直徑的關(guān)系

圖5 液態(tài)壓鑄試樣密度與疲勞壽命的關(guān)系

圖6 半固態(tài)壓鑄試樣密度與疲勞壽命的關(guān)系

表2 半固態(tài)壓鑄件各應(yīng)力下密度與疲勞壽命 回歸分析結(jié)果

兩批試樣典型宏觀疲勞斷口形貌見(jiàn)圖9。近斷口截面缺陷見(jiàn)圖10。從圖9a可以看出，液態(tài)壓鑄試樣的斷口除了中心縮松區(qū)域以外裂紋擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)出現(xiàn)了大量的氣孔。從圖10a也可以看出，近斷口截面有大量氣孔彌散分布，同時(shí)存在尺寸較大的氣縮孔。從圖9b可以看出，半固態(tài)壓鑄件的斷口形貌除中間大孔外，孔洞很少，且靠近心部，而圖10b也反映孔洞集中在中部這一規(guī)律。值得注意的是，與圖9b斷口形貌上的中間大孔相比，斷面上的孔要小得多。因此推測(cè)孔洞在三維上可能是互通或位置非常接近的，這樣裂紋源孔洞在初始擴(kuò)展階段合并周圍的小孔最終形成一個(gè)大孔裂紋源。

圖7 液態(tài)壓鑄試樣裂紋源缺陷平均等效直徑和疲勞壽命

圖8 半固態(tài)壓鑄試樣裂紋源缺陷平均等效直徑和疲勞壽命

圖9 不同工藝疲勞試樣典型斷口形貌

圖10 不同工藝疲勞試樣近斷口截面缺陷圖

圖11 不同工藝疲勞試樣近斷口組織形貌

（1）與液態(tài)壓鑄相比，半固態(tài)壓鑄的ZL114A鋁合金試樣疲勞性能總體更高并且更加穩(wěn)定。半固態(tài)壓鑄ZL114A鋁合金試樣在密度大于2.62g/cm3時(shí)，疲勞性能表現(xiàn)良好，在70MPa應(yīng)力下，疲勞壽命可達(dá)107次。

（2）半固態(tài)壓鑄試樣的疲勞壽命與密度成正比。試樣密度越高，試樣的疲勞壽命越高。液態(tài)壓鑄試樣的疲勞壽命主要受孔洞尺寸影響，孔洞尺寸越大，疲勞壽命越低。

（3）液態(tài)壓鑄試樣整個(gè)截面均有孔洞，裂紋萌生于大的氣縮孔，半固態(tài)壓鑄試樣的孔洞集中在中心附近，裂紋萌生源傾向于中心縮松多孔的綜合作用。

本文作者：

楊依珉 趙君文 巫國(guó)強(qiáng) 王海波
西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
本文來(lái)源：特種鑄造及有色合金雜志