亞共晶Al-Si合金熱裂形成過程的研究.pdf

1、熱裂紋常被認為是鑄件和鑄錠生產(chǎn)中常見的且非常嚴重的鑄造缺陷之一，常見于鋼鐵、鋁合金和鎂合金等合金鑄件中。熱裂缺陷是一種不可逆的鑄造缺陷，通常是以裂紋的形式出現(xiàn)在鑄件的表面或者鑄件內部，形成外裂紋和內裂紋。大部分外裂紋可以用肉眼觀察到，細微的裂紋則需要借助磁粉探傷、染色滲透檢查等其他方法才能發(fā)現(xiàn)。在實際生產(chǎn)中，有的合金鑄件形狀復雜、型壁厚薄不均勻，在凝固過程中各個部位的冷卻速度不一樣，會產(chǎn)生較大的熱應力，當積聚的熱應力超過合金材料固有強度

2、時，鑄件就會被拉裂進而演化為裂紋。一旦鑄件生產(chǎn)中出現(xiàn)熱裂紋缺陷，需要對有熱裂紋缺陷的鑄件進行修復，有嚴重裂紋的鑄件則直接廢棄，因此說，熱裂缺陷的產(chǎn)生會降低鑄件的產(chǎn)量并提高鑄件的生產(chǎn)成本，會帶來直接的經(jīng)濟損失。所以，為了解決鑄件生產(chǎn)中的熱裂問題，有必要對熱裂形成過程進行進一步的研究。
　　目前，許多學者在所開展的熱裂研究中，基本是以熱裂傾向性大的合金作為研究對象，并系統(tǒng)研究了合金種類、冷卻速度、變質細化等因素對熱裂形成的影響規(guī)律，為

3、熱裂的研究奠定了理論基礎，但是對于亞共晶Al-Si合金熱裂行為的研究較少。因此，本文以熱裂傾向小的亞共晶鑄造Al-Si合金為主要研究對象，以模擬大尺寸鑄件的收縮行為為目標，對二元亞共晶Al-Si合金及A356合金熱裂形成過程的凝固行為進行相關研究;對冷卻速度、外部施加軸向拉伸載荷對熱裂形成過程的影響規(guī)律進行了研究;并對熱裂試樣的鑄態(tài)組織、斷口的表面形貌進行了相關研究并得出如下結論:
　　(1)在大量實驗探索和調研的基礎上，基于對凝

4、固的試樣主動施加軸向載荷的思路，自行設計開發(fā)了適用于熱裂傾向性小的合金熱裂行為研究的主動施加載荷實驗裝置。本實驗裝置的設計成功可以進一步豐富熱裂研究過程中所使用的測試設備種類;該實驗裝置結構簡單、設計較為合理、后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡單方便，能同時采集合金凝固過程中的溫度和施加的臨界軸向載荷等信息，對深入研究合金的凝固行為和熱裂形成機理提供了重要的實驗手段和方法。
　　(2)熱裂主要產(chǎn)生在合金的凝固末期階段。對于亞共晶Al-Si合金來說，熱

5、裂紋擴展主要有兩種形式，一是在溫度較高的情況下承受應力載荷，在這種情況下，由于大量的殘余液相補縮愈合分離的枝晶而保持了枝晶間的結合強度，因此會出現(xiàn)凝固收縮應力或拉伸應力松弛現(xiàn)象。隨著凝固的繼續(xù)進行，在拉伸載荷的作用下，不斷減少的殘余液相促使二次枝晶出現(xiàn)分離而萌生裂紋。二是在溫度較低的情況下承受應力載荷，在這種情況下，合金凝固接近共晶階段，潛熱釋放較多導致熔體的凝固速度變慢，晶間的殘余液相會有足夠的時間補縮愈合萌生的裂紋或分離的枝晶，增強

6、了枝晶間的結合強度，所以，在這個階段，需要較大的應力載荷來誘發(fā)裂紋的萌生。
　　(3)合金的冷卻速度影響熱裂紋的形成，鑄件凝固過程的冷卻速度較小可以有效的降低合金凝固過程中的熱量散失速度，并有進一步減小合金產(chǎn)生熱裂傾向的趨勢。有效提高金屬模具的預加熱溫度可以減小鑄件與鑄型界面處的溫度差△T'，在凝固過程中合金的固-液界面向熔體中擴展的速度就較慢，在熱節(jié)處不會出現(xiàn)應力應變的大量積聚，進而降低了鑄件產(chǎn)生熱裂缺陷的傾向性;相反，金屬模具

7、的預加熱溫度較低會增加合金凝固的冷卻速度，減少了溶質再分配的時間，在熱節(jié)處容易出現(xiàn)溶質的偏聚，成分偏聚加劇了局部應力應變的積聚，增加了熱裂形成的傾向性。
　　(4)根據(jù)熱裂試樣的鑄態(tài)組織及斷口表面的形貌特征可知:熱裂紋是一種晶間裂紋，在斷口表面的α-Al枝晶包覆著凝固的液膜、晶間搭橋、液膜褶皺等特征;對于亞共晶Al-Si系合金來說，在合金凝固末期枝晶間存在的液膜和晶間搭橋阻斷了液態(tài)金屬對分離枝晶的補縮，使得微裂紋在外部載荷及凝固收

8、縮應力的作用下得到擴展而形成熱裂;若晶間周圍的液膜較厚或者存在連續(xù)的補縮通道，分離的枝晶就會得到液相的補償，形成的愈合的微裂紋，不會產(chǎn)生熱裂紋;亞共晶Al-Si系合金的熱裂形成可以用液膜理論和晶間搭橋理論來解釋。受阻熱節(jié)的積聚應力是熱裂產(chǎn)生的重要因素，并以此構建了基于名義屈服應力的熱裂判據(jù):即合金的名義屈服應力σ'yield與枝晶分離的平均應力<σ>的比值。
　　｛σ'yield/<σ>＞1產(chǎn)生熱裂σ'yield/<σ>＜1不產(chǎn)生