亞共晶Al-Si合金熱裂形成過(guò)程的研究.pdf

1、熱裂紋常被認(rèn)為是鑄件和鑄錠生產(chǎn)中常見(jiàn)的且非常嚴(yán)重的鑄造缺陷之一，常見(jiàn)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(nèi)部，形成外裂紋和內(nèi)裂紋。大部分外裂紋可以用肉眼觀察到，細(xì)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(shí)際生產(chǎn)中，有的合金鑄件形狀復(fù)雜、型壁厚薄不均勻，在凝固過(guò)程中各個(gè)部位的冷卻速度不一樣，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當(dāng)積聚的熱應(yīng)力超過(guò)合金材料固有強(qiáng)度

2、時(shí)，鑄件就會(huì)被拉裂進(jìn)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(duì)有熱裂紋缺陷的鑄件進(jìn)行修復(fù)，有嚴(yán)重裂紋的鑄件則直接廢棄，因此說(shuō)，熱裂缺陷的產(chǎn)生會(huì)降低鑄件的產(chǎn)量并提高鑄件的生產(chǎn)成本，會(huì)帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)損失。所以，為了解決鑄件生產(chǎn)中的熱裂問(wèn)題，有必要對(duì)熱裂形成過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
　　目前，許多學(xué)者在所開(kāi)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(duì)象，并系統(tǒng)研究了合金種類(lèi)、冷卻速度、變質(zhì)細(xì)化等因素對(duì)熱裂形成的影響規(guī)律，為

3、熱裂的研究奠定了理論基礎(chǔ)，但是對(duì)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(duì)象，以模擬大尺寸鑄件的收縮行為為目標(biāo)，對(duì)二元亞共晶Al-Si合金及A356合金熱裂形成過(guò)程的凝固行為進(jìn)行相關(guān)研究;對(duì)冷卻速度、外部施加軸向拉伸載荷對(duì)熱裂形成過(guò)程的影響規(guī)律進(jìn)行了研究;并對(duì)熱裂試樣的鑄態(tài)組織、斷口的表面形貌進(jìn)行了相關(guān)研究并得出如下結(jié)論:
　　(1)在大量實(shí)驗(yàn)探索和調(diào)研的基礎(chǔ)上，基于對(duì)凝

4、固的試樣主動(dòng)施加軸向載荷的思路，自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適用于熱裂傾向性小的合金熱裂行為研究的主動(dòng)施加載荷實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)成功可以進(jìn)一步豐富熱裂研究過(guò)程中所使用的測(cè)試設(shè)備種類(lèi);該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)較為合理、后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單方便，能同時(shí)采集合金凝固過(guò)程中的溫度和施加的臨界軸向載荷等信息，對(duì)深入研究合金的凝固行為和熱裂形成機(jī)理提供了重要的實(shí)驗(yàn)手段和方法。
　　(2)熱裂主要產(chǎn)生在合金的凝固末期階段。對(duì)于亞共晶Al-Si合金來(lái)說(shuō)，熱

5、裂紋擴(kuò)展主要有兩種形式，一是在溫度較高的情況下承受應(yīng)力載荷，在這種情況下，由于大量的殘余液相補(bǔ)縮愈合分離的枝晶而保持了枝晶間的結(jié)合強(qiáng)度，因此會(huì)出現(xiàn)凝固收縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力松弛現(xiàn)象。隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)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(yīng)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(dǎo)致熔體的凝固速度變慢，晶間的殘余液相會(huì)有足夠的時(shí)間補(bǔ)縮愈合萌生的裂紋或分離的枝晶，增強(qiáng)

6、了枝晶間的結(jié)合強(qiáng)度，所以，在這個(gè)階段，需要較大的應(yīng)力載荷來(lái)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(guò)程的冷卻速度較小可以有效的降低合金凝固過(guò)程中的熱量散失速度，并有進(jìn)一步減小合金產(chǎn)生熱裂傾向的趨勢(shì)。有效提高金屬模具的預(yù)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(guò)程中合金的固-液界面向熔體中擴(kuò)展的速度就較慢，在熱節(jié)處不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變的大量積聚，進(jìn)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(yù)加熱溫度較低會(huì)增加合金凝固的冷卻速度，減少了溶質(zhì)再分配的時(shí)間，在熱節(jié)處容易出現(xiàn)溶質(zhì)的偏聚，成分偏聚加劇了局部應(yīng)力應(yīng)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(duì)于亞共晶Al-Si系合金來(lái)說(shuō)，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(duì)分離枝晶的補(bǔ)縮，使得微裂紋在外部載荷及凝固收

8、縮應(yīng)力的作用下得到擴(kuò)展而形成熱裂;若晶間周?chē)囊耗ぽ^厚或者存在連續(xù)的補(bǔ)縮通道，分離的枝晶就會(huì)得到液相的補(bǔ)償，形成的愈合的微裂紋，不會(huì)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(lái)解釋。受阻熱節(jié)的積聚應(yīng)力是熱裂產(chǎn)生的重要因素，并以此構(gòu)建了基于名義屈服應(yīng)力的熱裂判據(jù):即合金的名義屈服應(yīng)力σ'yield與枝晶分離的平均應(yīng)力<σ>的比值。
　?。?yield/<σ>＞1產(chǎn)生熱裂σ'yield/<σ>＜1不產(chǎn)生