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压铸件的拉伸性能影响及疲劳失效原因

作者:新盛达有色金属制 发布日期:2019-03-21 12:02 点击:
工业生产中较为常见的压铸合金主要包含铝合金、锌合金、镁合金等熔点较低的有色合金。近些年我国汽车行业迅速扩张,而压铸铝合金在汽车零部件中应用最为广泛,其合金种类得到了快速发展。
工业生产中较为常见的压铸合金主要包含铝合金、锌合金、镁合金等熔点较低的有色合金。近些年我国汽车行业迅速扩张,而压铸铝合金在汽车零部件中应用最为广泛,其合金种类得到了快速发展。
常用的压铸铝合金,主要分为三大类;一是铝硅合金,主要包含ADcl、ADc3等;二是铝硅铜合金,主要包含ADC10、ADC12、ADC14等;三是铝镁合金,主要包含ADCS、ADC6等。
压铸铝合金的性能特点及应用。对于铝硅合金和铝硅铜合金而言,硅含量通常在6~12%之间,硅元素主要起到提高合金液流动性的作用;其中铜元素主要起到提高强度的作用,此外,铜还会降低固相线,使得凝固范围变宽,降低液态金属的流动性(增加孔隙率),增加热裂倾向。由于铜在铝中的溶解度约为4%,其含量不宜超过4%~5%;铁含量通常在0.7~1.2%之间,在此比例之内,工件的脱模效果较佳,但铁元素会形成金属间化合物并降低铸件力学性能,压铸中铁含量不宜超过2%。铝镁合金的凝固范围宽、收缩倾向大,经常产生缩松和裂纹,铸造性能差。因此,在其使用范围上有较大局限性,不宜生产结构复杂的工件。
相对于其他铸造铝合金,AI一Si系铝合金的铸造性能较好,并且由于合金中硅相含有很大的凝固潜热,其比热容较大且线收缩系数较小,在工业生产中长期占据主要地位。而AI一12SI共晶合金拥有窄凝固温度范围,优良的流动性使其具有良好的充型能力,热裂、缩松倾向也都较小,被认为具有较佳的铸造性能,在压铸生产中被广泛用来生产大型、薄壁、复杂形状压铸件。
压铸过程中,液态金属在高压高速条件下填充型腔,液态金属流体易出现紊流现象导致在压铸过程中铸件极易产生由气体和氧 化膜卷入形成的孔洞缺陷,而孔洞对压铸件的力学性能尤其是疲劳性能有着极大的影响。国内外对压铸孔洞与力学性能之间的关系进行了许多研究。由气体卷入引起的孔洞对铸件拉伸性能的影响,提出所研究的ADC12压铸件满足性能要求的孔隙率与较大孔洞尺寸;孔洞形状、尺寸、位置及孔洞之间的距离对AZglD镁合金压铸件应力集中的影响,指出孔洞的尺寸越大,形状越复杂,其引起的应力集中愈大;随着壁厚增加压铸镁合金的孔隙率减少,晶粒变大,强度降低但伸长率升高;含孔洞压铸件断裂的主要影响因素是断面处的孔洞百分比,进一步说,具有较低孔隙率的试样也可能由于孔洞偏聚造成薄弱部位首先断裂。结合铸造孔洞预测与力学有限元分析,模拟了考虑孔洞的试样拉伸行为并计算出其伸长率,与实验较为吻合,提供了一种铸件从设计到生产的优化方法。
压铸中的高压射速度会导致充型过程中金属液卷入大量气体,从而形成气孔缺陷,难于进行热处理,制约了压铸合金的力学性能。近年来,针对压铸件内部存在的孔洞问题,发展了多种压铸新技术,如真空压铸技术、半固态压铸和挤压铸造,从而生产出具有高强度、可热处理、可焊接、高致密度等特点的高性能压铸件。虽然真空压铸、充氧压铸等压铸技术可以有效减少孔洞的形成,但由于生产成本等原因,距离广泛应用仍有较长的时间,压铸件中孔洞缺陷问题还将长期在实际生产中存在,现今国内外有相当的科研工作者致力于铸件孔洞的研究。微观孔洞是铝合金铸件的主要缺陷之一,其对铸件的力学性能,尤其是疲劳性能有着重要的影响。铸造合金的疲劳性能主要与其孔洞缺陷及微观组织特征相关。对于含有相当数量孔洞的铸件,其疲劳性能的分散性主要受孔洞的数量和尺寸影响。而对于含有较少孔洞的铸件,其疲劳行为主要受其孔洞以外的微观组织特征决定,如氧 化膜、第二相粒子、枝晶间距、晶粒大小等。
影响疲劳性能的因素有很多,一般认为,无缺陷的延性固体受循环载荷作用下,疲劳裂纹萌生于表面驻留滑移带(PersistentslipBands,PsB)和侵入挤出,这是由于不同的滑移面产生不同的滑移量造成的。由于PSB和基体界面的位错密度和分布有突变,从而产生间隙,易成为疲劳裂纹萌生区域。
在具有孔洞、氧 化膜等缺陷的铸件中,这些缺陷成为了引起疲劳失效的主要因素。A356铸造铝合金的微观孔洞和组织、成分、共晶相形貌)对疲劳性能的影响,指出在铸件孔洞缺陷很少时,疲劳性能主要受氧 化膜和微观组织影响。晶粒大小、孔洞和非金属夹杂物等对疲劳裂纹萌生过程和s一N曲线形状的影响。不同夹杂物对A356一T6铸造铝合金疲劳性能的影响(孔洞类缺陷得到控制),提出基于微观组织(树枝晶大小、较大si粒子尺寸、较大孔尺寸、较大氧 化物尺寸和孔洞离表面的距离)的高周疲劳裂纹萌生和扩展模型,计算出不同应力条件下的疲劳寿命。国内有关孔洞类缺陷对铸造铝镁合金疲劳性能研究的影响规律的报道较少,在A356铝合金疲劳行为的研究中指出,在循环加载过程中,第二相粒子周围出现位错塞积,将会成为疲劳裂纹的起源。
压铸件由于存在孔洞等铸造缺陷,不仅加速了疲劳裂纹的萌生,还减少了疲劳裂纹扩展的时间,导致压铸件的疲劳寿命较短。有研究指出,疲劳性能和缺陷的尺寸大小直接相关。铸件的疲劳性能与缺陷的分布位置有关,取自板状铸件近表面且远离浇道口处的试样疲劳性能较好,相反板状铸件中心部位靠近浇道口处的试样疲劳性能最差,但压铸件的疲劳性能和壁厚关系仍有待进一步研究。
铸件中靠近表面的孔洞可以直接充当疲劳裂纹萌生的缺口,并且减少了疲劳裂纹的扩展时间。一般来说,铸件中的孔洞尺寸越大越靠近表面,应力集中就越强烈,疲劳裂纹容易萌生于这些部位。影响压铸件疲劳性能最主要的因素是孔洞缺陷(尺寸大小、形状和位置分布等),疲劳断裂试样90%以上都是在孔洞处萌生裂纹。通过对疲劳断口的sEM观察判定疲劳裂纹的萌生区域,再利用图像分析软件对疲劳源处的缺陷特征做定量处理,说明了临近表面处孔洞尺寸的增加会缩短疲劳寿命。
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