原標(biāo)題：鑄造鋁合金AlSi9Cu3疲勞性能研究

摘要：對(duì)某汽車轉(zhuǎn)向器AlSi9Cu3鋁合金管柱進(jìn)行了高周疲勞性能分析，使用“成組法”測(cè)試材料的高周疲勞性能，繪制了該材料的P-S-N曲線，估算出該材料在99%可靠度下疲勞壽命為106次時(shí)的疲勞強(qiáng)度為120.7 MPa。使用掃描電鏡對(duì)試樣的疲勞斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)疲勞源大多為孔洞和氧化夾雜物。原始鑄造缺陷的類型和尺寸導(dǎo)致試樣疲勞壽命的減小和分散度的增加。

隨著各國(guó)環(huán)境保護(hù)政策的越來越嚴(yán)格，降低汽車的排放成為日益緊迫的要求，其中輕量化是降低排放、減少能源消耗的有效途徑[1]。近年來，各種輕量化材料如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料等在汽車制造中應(yīng)用的越來越多。鑄造鋁合金由于成形性能好、比強(qiáng)度高、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于汽車零部件的生產(chǎn)[2]。鑄造鋁合金常見的系列有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系鋁合金等。Al-Si系鋁合金不僅鑄造性能良好，同時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能。由于汽車上的零部件在實(shí)際工作過程中受到交變載荷作用，而鋁合金鑄件在凝固過程中難免產(chǎn)生空洞、夾雜等鑄造缺陷，因此分析鑄造鋁合金的疲勞性能就顯得尤為重要。劉斌等[3]研究了AlSi9Cu3鑄造鋁合金的低周疲勞行為，得出了疲勞裂紋萌生于材料的表面和近表面，一般在第二相與機(jī)體的界面以及鑄造缺陷處（如空洞、夾雜、氧化物）的結(jié)論。趙杰等[4]對(duì)A356鋁合金缸蓋疲勞性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明缸蓋鑄件的主要鑄造缺陷是氧化夾雜和縮松，縮松對(duì)鑄件的疲勞性能危害更加嚴(yán)重。LATTANZI L等[5]研究了微觀組織和鑄造缺陷對(duì)高壓壓鑄AlSi9Cu3(Fe)合金疲勞性能的影響，認(rèn)為壽命數(shù)據(jù)的分散是由于缺陷控制裂紋的擴(kuò)展，從而影響試樣的疲勞行為，同時(shí)裂紋萌生似乎受到幾何特征的影響。本課題重點(diǎn)研究AlSi9Cu3鑄造鋁合金的高周疲勞性能，并對(duì)不同應(yīng)力水平下的疲勞斷口進(jìn)行了微觀觀察，希望對(duì)該合金的疲勞研究和進(jìn)一步應(yīng)用能提供一定的依據(jù)和參照。

1、試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為Al-Si系鑄造鋁合金，德國(guó)牌號(hào)為AlSi9Cu3，其化學(xué)成分見表1。

表1：鑄造鋁合金AlSi9Cu3的化學(xué)成分 %

按照GB/T228-2002，通過Zwick電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，獲得了材料的基本力學(xué)性能（見表2）。

表2：鑄造鋁合金AlSi9Cu3的力學(xué)性能

疲勞試樣從某轉(zhuǎn)向器管柱經(jīng)過線切割得到，轉(zhuǎn)向器管柱以及試樣截取位置見圖1，試樣形狀及相關(guān)尺寸見圖2。為了消除試樣試驗(yàn)區(qū)的機(jī)械加工痕跡，得到光滑試樣，采用400、800、1000、2000號(hào)砂紙對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行打磨拋光，并對(duì)試樣的棱角邊進(jìn)行磨圓處理。

采用“成組法”測(cè)定鑄造鋁合金AlSi9Cu3的P-S-N曲線，試驗(yàn)儀器為RUMUL高頻共振疲勞試驗(yàn)機(jī)。在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，采用對(duì)稱循環(huán)拉壓載荷，應(yīng)力比R=-1，試驗(yàn)頻率65 Hz。將應(yīng)力水平分為5級(jí)，分別為170、160、145、135、127 MPa，試驗(yàn)中記錄下每個(gè)試樣斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)及相關(guān)異常情況。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由于疲勞數(shù)據(jù)具有很大的分散性，在相同的應(yīng)力水平下，試樣的疲勞壽命與存活率P密切相關(guān)。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須知道材料在一定可靠度下的疲勞壽命應(yīng)力關(guān)系，即使用材料的P-S-N曲線。一般認(rèn)為疲勞壽命符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，即 。通過計(jì)算試樣的對(duì)數(shù)壽命平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，可估計(jì)出代表母體分布性質(zhì)的正態(tài)概率密度函數(shù)，見式(1)。根據(jù)式(2)計(jì)算出不同可靠度下所對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)疲勞壽命值 。對(duì)每一個(gè)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的計(jì)算過程，就可以得到對(duì)應(yīng)同一可靠度不同應(yīng)力水平下的對(duì)數(shù)疲勞壽命值，通過擬合這些數(shù)值即可繪制出P-S-N曲線。鑄造鋁合金AlSi9Cu3的R99、R90、R50壽命見表3，P-S-N曲線見圖3。

表3：鑄造鋁合金AlSi9Cu3不同可靠度下的壽命

在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中使用巴斯坎（Basquin）方程擬合各數(shù)據(jù)點(diǎn)，見式(3)。其中127 MPa應(yīng)力水平數(shù)據(jù)僅擬合R50時(shí)使用。由于135 MPa應(yīng)力水平下試樣壽命標(biāo)準(zhǔn)差較大，導(dǎo)致R99擬合曲線相關(guān)系數(shù)較低。

式中，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；為疲勞強(qiáng)度系數(shù)。

圖3：鑄造鋁合金AlSi9Cu3的P-S-N曲線

2.2 疲勞斷口形貌觀察

在每級(jí)應(yīng)力水平下挑取典型試樣以及異常壽命試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，試樣斷口使用超聲波清洗機(jī)及無水乙醇進(jìn)行清洗。觀察發(fā)現(xiàn)試樣的疲勞斷口由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3部分組成，見圖4。疲勞源區(qū)是疲勞裂紋萌生的區(qū)域，一般位于試樣的表面或次表面，因?yàn)橥砻鎽?yīng)力較高而且受外界環(huán)境影響較大。如果材料內(nèi)部有嚴(yán)重的不連續(xù)性缺陷，疲勞源也可能在材料內(nèi)部萌生。

在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，試樣斷口表面最重要的顯微特征是“疲勞條帶”，見圖5。疲勞條帶是一系列基本上相互平行的條紋，其與局部裂紋擴(kuò)展方向垂直。隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，試樣可承載面積逐漸減小。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，試樣突然斷裂形成瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)比較粗糙，與材料靜態(tài)破壞斷口形貌相似。與低應(yīng)力水平相比，試樣承受高應(yīng)力水平時(shí)，疲勞擴(kuò)展區(qū)面積較小，瞬斷區(qū)面積較大，見圖6。

圖6：160 MPa與127 MPa斷口疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)大小比較

2.3  鑄造缺陷對(duì)疲勞壽命的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力水平的降低，疲勞壽命數(shù)據(jù)分散性增加，160 MPa應(yīng)力下的壽命分散性最小，壽命標(biāo)準(zhǔn)差為0.238，135 MPa應(yīng)力下的壽命分散性最大，壽命標(biāo)準(zhǔn)差為0.436。在高應(yīng)力水平下，試樣的疲勞源很容易萌生，疲勞壽命主要為裂紋擴(kuò)展壽命，因此鑄造缺陷對(duì)壽命分散性的影響比較小；在低應(yīng)力水平下，試樣的疲勞壽命主要體現(xiàn)為裂紋源萌生壽命，如果試樣內(nèi)部含有鑄造缺陷，這些缺陷就會(huì)馬上成為裂紋源，造成疲勞壽命的異常，從而增加了壽命的分散性。在試樣疲勞斷口的觀察中發(fā)現(xiàn)多種類型的鑄造缺陷，見圖7。通過觀察，絕大部分試樣的疲勞裂紋從表面或次表面萌生。只有1個(gè)試樣的疲勞裂紋從內(nèi)部萌生并向外擴(kuò)展，顯示出“魚眼”特征，見圖7a。試樣的疲勞壽命不僅與缺陷的類型有關(guān)，而且與相距表面的距離有關(guān)，一般來說距離表面越遠(yuǎn)，試樣的疲勞壽命越高。該試樣疲勞壽命為50.8萬次，高于該組絕大部分試樣的壽命。135 MPa應(yīng)力水平下一試樣壽命只有3000左右，屬于異常數(shù)據(jù)。結(jié)合掃描電鏡圖像(見圖7b)，確認(rèn)這是由于大面積的氧化夾雜引起的，如此大片的氧化夾雜物不會(huì)直接從鋁液內(nèi)部產(chǎn)生，應(yīng)該是鋁液表面的氧化膜在澆注過程中卷入到鑄件內(nèi)部形成的。圖7c與圖7d為同一等級(jí)下試樣，圖7c缺陷最長(zhǎng)對(duì)角線尺寸為0.365 mm，疲勞壽命為10.5萬，圖7d缺陷最長(zhǎng)對(duì)角線尺寸為0.09 mm，疲勞壽命為24萬，是圖7c試樣的2.29倍，這說明缺陷尺寸越大，疲勞壽命越低。

圖7：多種類型形成的裂紋源

由于鋁合金在熔煉過程中容易吸氫和氧化，表面的氧化膜容易卷入鋁液內(nèi)部，導(dǎo)致在鑄造過程中很容易出現(xiàn)鑄造缺陷。常見的鑄造缺陷有氧化夾雜物、孔洞等?？锥捶譃閮煞N：氣孔和縮孔，由于縮孔形狀不規(guī)則，引起的微觀應(yīng)力集中程度更大，對(duì)疲勞壽命的影響更為顯著。鑄造件內(nèi)部的氧化夾雜物與基體結(jié)合不緊密，割裂了基體的連續(xù)性，而且與基體間彈性模量和熱收縮系數(shù)不匹配。在交變應(yīng)力作用下，這些缺陷起到了缺口的作用，在其周圍產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力集中，成為裂紋萌生的起點(diǎn)。這些缺陷的存在大大降低了疲勞裂紋的萌生時(shí)間，導(dǎo)致疲勞壽命的大幅降低，各個(gè)試樣中不確定的鑄造缺陷導(dǎo)致疲勞壽命分散性的增加。苗國(guó)磊等研究了粉末冶金鎳基高溫合金FGH96高溫疲勞壽命分散性特征，得到了相似的結(jié)論，認(rèn)為導(dǎo)致表面萌生裂紋的夾雜是最差疲勞壽命的主導(dǎo)因素，使得疲勞壽命分散性較大。

3、結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)測(cè)試了AlSi9Cu3鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向器材料的高周疲勞性能，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合出了P-S-N曲線，99%可靠度下疲勞壽命一百萬次時(shí)所對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度為120.7 MPa，試驗(yàn)結(jié)果符合要求。

（2）造成試樣疲勞破壞的主要原因是孔洞、氧化夾雜物等鑄造缺陷，缺陷的存在大大較少了裂紋源萌生時(shí)間，導(dǎo)致疲勞壽命的大幅降低。

（3）鑄造缺陷引起疲勞壽命分散性的增加，缺陷的類型、大小、位置都會(huì)對(duì)試樣壽命和分散性產(chǎn)生很大的影響。在高應(yīng)力水平下，缺陷對(duì)壽命分散性的影響較??；在低應(yīng)力水平下，缺陷對(duì)壽命分散性的影響最大。

作者：戴浩杰 趙禮輝 翁碩

上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

機(jī)械工業(yè)汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室