徐貴寶， 馬俊成， 梁 超

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011）

0 引言

鋁硅系鑄造合金因具有優(yōu)異的鑄造性能、足夠的力學(xué)性能、中等的機械加工性能，以及具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、可回收利用等優(yōu)點，而被廣泛用于飛機、輪船、汽車以及列車的某些復(fù)雜鑄件中[1]。近年來，隨著我國各行業(yè)高速度和輕量化的發(fā)展，尤其是中國高速鐵路的崛起，鑄造Al-Si系合金的應(yīng)用將更為廣泛，同時對其性能提出了更高的要求。Al-Si合金產(chǎn)品在高鐵應(yīng)用中往往承受交變載荷，因此有必要研究其疲勞性能。

影響鋁合金疲勞性能的因素有很多，如二次枝晶間距（SDAS）、共晶硅形貌特征以及鑄件內(nèi)部和表面缺陷等，其中孔洞類缺陷是主要影響因素之一。在服役過程中，孔洞缺陷使鑄件的相應(yīng)有效承載面積減小，導(dǎo)致缺口效應(yīng)，造成局部應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源，從而影響到鑄件的抗疲勞和抗斷裂性能[2-5]。本研究所述的孔洞缺陷主要指疏松和針孔，這兩者之間既有區(qū)別又有聯(lián)系。疏松是低倍橫向試樣經(jīng)浸蝕后才能顯現(xiàn)的分散性密集小空洞，邊界參差不齊，多帶棱角，近似鋸齒狀，顏色發(fā)暗，底部為尖狹的凹坑。疏松一般分為收縮疏松和氣體疏松兩種：1）收縮疏松是在結(jié)晶過程中，在樹枝晶枝杈間因液體補充不足而形成的空腔；2）氣體疏松是在結(jié)晶過程中，由于熔體中含氫量較高，在枝杈間氫氣析出占據(jù)收縮位置而形成的空腔。針孔是低倍的橫向試樣未經(jīng)浸蝕可顯現(xiàn)的表面光滑的圓形或橢圓形空洞。在熔煉和澆注時，鋁液容易吸收大量的氫氣，冷卻過程中因其溶解度的降低而不斷析出。在一般生產(chǎn)條件下，特別是在厚大斷面砂型鑄件中，很難避免針孔和疏松的產(chǎn)生，在空氣相對濕度較大時針孔尤其嚴重。針孔和疏松之間常常是相互伴隨產(chǎn)生，都與氧化膜的存在密切相關(guān)。

據(jù)文獻報道，當(dāng)孔洞尺寸較大時，裂紋可能從單一的大孔洞萌生和擴展；當(dāng)孔洞較小時，導(dǎo)致疲勞破壞的孔洞缺陷存在一個關(guān)鍵尺寸，如果材料中僅含有小于此尺寸的孔洞缺陷，那么孔洞缺陷將不是影響疲勞壽命的主要因素。一些學(xué)者研究認為這一尺寸在20～100 μm之間[6-8]。

我國高速動車組齒輪箱所用材料為AlSi7Mg合金，且在其服役過程中的主要失效形式為疲勞裂紋[9]。本文研究疏松和針孔缺陷對該合金疲勞性能的影響，并討論其作用機制，以便在實際生產(chǎn)過程中采取適當(dāng)措施，避免或減少疏松和針孔的產(chǎn)生，從而提高產(chǎn)品的抗疲勞性能。

1 試驗過程

本試驗包括兩個方面的內(nèi)容：1）對齒輪箱實物本體取樣，試樣中存在疏松微孔缺陷，然后對試樣進行疲勞測試；2）人為制作純針孔試樣，并采用X射線探傷進行針孔分級，然后在試驗機上進行疲勞試驗。

1.1 實物本體取樣

表1 AlSi7Mg 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 Chemical composition of AlSi7Mg alloy (mass fraction /%)

圖1 鋁合金齒輪箱解剖試樣選取位置Fig.1 Selection position of the specimens from the aluminum alloy gearbox

1.2 針孔試樣的制備

為獲得不同等級的純針孔試樣，試驗采用向鋁液中添加不同量新鮮樹枝并攪拌的方式。眾所周知，樹枝內(nèi)含較多水分，加入鋁液中，受熱分解產(chǎn)生大量氣體，包括H、CO2等，其部分H終將以針孔形式析出，其余氣體從鋁液中逸出，并帶走鋁液內(nèi)的夾雜物，凈化了鋁液，從而獲得了純針孔試樣。而后，對各組試樣進行統(tǒng)一線切割加工，并采用X射線檢測分級。

1.3 疲勞試驗方法

疲勞試驗在高頻疲勞試驗機上進行，相關(guān)要求按照 GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》執(zhí)行。該測試在室溫環(huán)境下完成，試樣形狀和尺寸見圖2。測試過程采用總應(yīng)力控制，加載方式軸向，應(yīng)變比為R=0.1，正弦波加載，頻率約為80 Hz，測試完成后，通過掃描電鏡對試樣斷口進行觀察分析。

圖2 疲勞試樣的形狀和尺寸Fig.2 Shape and dimension of the fatigue sample

2 結(jié)果與分析

2.1 箱體疏松對疲勞性能的影響

圖3為齒輪箱材料AlSi7Mg合金的S-N曲線。從圖可以看出，隨著加載應(yīng)力的逐漸降低，試樣的疲勞壽命不斷增加。當(dāng)加載應(yīng)力低于160 MPa時增加速率較快；當(dāng)加載應(yīng)力值降為120 MPa時，疲勞壽命達到106次，進入了材料的長壽命區(qū)；繼續(xù)降低應(yīng)力值到92 MPa時，疲勞壽命值為107次，達到超長壽命或無限壽命區(qū)。由此可得，高速動車組齒輪箱體材料AlSi7Mg合金的拉壓疲勞極限值約為92 MPa。對S-N曲線的線性部分做擬合，得到加載應(yīng)力σ與疲勞壽命Nf的方程：

圖3 合金 AlSi7Mg 的 S-N 曲線Fig.3 S-N curve of AlSi7Mg alloy

在齒輪箱的制備過程中，添加了合金元素Ti進行晶粒細化，采用長效變質(zhì)劑Sr進行變質(zhì)處理。從圖4可以看出，試樣中的硅相已轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀或棒狀，測得α-Al相的SDAS平均值為36 μm，表明共晶硅相和枝晶大小已經(jīng)得到良好控制。在齒輪箱的實際生產(chǎn)過程中，鋁液的精煉除氣效果良好，采用低壓反重力的方式進行澆注，可有效地避免針孔和氧化夾雜等缺陷。一般地，鑄造鋁合金鑄件內(nèi)部疏松缺陷難以避免，特別是砂型鑄造厚大件，在幾乎所有的疲勞斷口試樣上都可以觀察到大小不等的疏松孔洞[10-12]。所以影響齒輪箱材料的疲勞性能的主要因素將是鑄造疏松缺陷。

圖4 AlSi7Mg 合金微觀組織Fig.4 Optical micrograph of modified AlSi7Mg alloy

圖5是加載應(yīng)力分別為190、110 MPa的2個試樣疲勞源附近的SEM斷口形貌，可以看出，兩疲勞源處均存在明顯的疏松空洞。圖5a中疏松尺寸較小，約為100 μm，與試樣邊緣連通；圖5b的疏松形狀不規(guī)則，尺寸超過300 μm，緊鄰試樣邊緣。

圖5 疲勞斷口源區(qū)形貌Fig.5 Morphology of fatigue fracture source region

圖6為加載應(yīng)力為90 MPa的試樣斷口SEM照片。裂紋起始于圖6a箭頭所指處，斷口可分為3部分：疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。疲勞源處存在明顯的疏松，大致呈橢圓狀，距試樣表面約 15 μm，其最大尺寸約 300 μm（圖 6b）。除了裂紋源處的疏松，斷口上還有一處圓形疏松（圖 6a中圓環(huán)處），直徑約 250 μm，距離試樣表面約300 μm。但值得注意的是，裂紋并未從此處起始。裂紋擴展區(qū)呈羽毛狀，表現(xiàn)出疲勞條帶特征（圖6c）。瞬斷區(qū)由韌窩構(gòu)成，呈現(xiàn)出韌性斷裂的特點（圖 6d）。

圖6 試樣的疲勞斷口（σ=90 MPa）Fig.6 Fatigue fracture of specimen (σ=90 MPa)

對試樣斷口的觀察表明，所有的試樣疲勞裂紋均起始于試樣內(nèi)部的疏松。疏松的大小、形狀和位置對試樣的疲勞裂紋萌生有重要的影響。對于材料的高周疲勞，裂紋萌生占據(jù)了其疲勞壽命的大部分時間。所以試樣內(nèi)部疏松的分布決定了試樣的壽命。通過對齒輪箱多個試樣斷口觀察并聯(lián)系其疲勞壽命，得出如下結(jié)論：

對地震測量數(shù)據(jù)的分析還顯示，淺水流砂體不僅表現(xiàn)出了強均方根振幅和明顯弱相干性的地震特征，同時也表現(xiàn)出了明顯的古峽谷水道特征。在這些已知的淺水流砂體物性特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域內(nèi)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)，可以對潛在淺水流砂體的分布進行有效識別和預(yù)測。

1）當(dāng)疏松位于表面或臨近試樣表面時，疲勞裂紋將萌生于疏松；

2）疏松孔洞的尺寸越大，或者形狀越不規(guī)則，越有利于疲勞裂紋的產(chǎn)生；

3）遠離試樣表面的內(nèi)部疏松對其疲勞斷裂影響較小。

2.2 試樣針孔對疲勞性能的影響

圖7為射線探傷針孔分別為7～8級、4～5級、2～3級試樣的S-N曲線，對應(yīng)的拉壓疲勞極限分別為 50、62、70 MPa，針孔孔洞面積分數(shù)分別為2.13%、1.48%、0.41%。對疲勞極限強度σ0.1與孔洞面積分數(shù)Qf進行擬合，得到高擬合優(yōu)度的線性關(guān)系式：

圖7 不同等級針孔試樣的疲勞 S-N 曲線Fig.7 S-N curves of specimens with different levels of pinholes

由圖7可見，在高壽命低應(yīng)力區(qū)，隨著孔洞體積率的增加，疲勞壽命縮短；但在低壽命高應(yīng)力區(qū)，這種關(guān)系并不存在，可能疲勞壽命與單個孔洞的大小和位置更加相關(guān)，位于表面的單個孔洞尺寸越大，決定了試件疲勞壽命越短。對于射線探傷針孔7～8級的試樣其拉壓疲勞極限比較分散，可能也是因為單個較大孔洞的大小和位置對疲勞壽命的影響更大。從圖8可以看出，在射線檢測針孔7～8級試樣斷口上存在諸多較大孔洞缺陷，直徑約 1 mm。

圖8 7～8級針孔試樣疲勞斷口Fig.8 Fatigue fracture of specimen with 7～8 level pinhole

3 討論

3.1 孔洞尺寸對疲勞壽命的影響

對于疲勞裂紋萌生于孔洞的情況，當(dāng)孔洞尺寸較大時，裂紋萌生時間較短，裂紋擴展時間可以近似地被認為是疲勞壽命。應(yīng)用Paris[13-14]提出的裂紋擴展速率公式，即

式中：N為循環(huán)周次數(shù)；A為裂紋長度；C和m均為材料常數(shù)；ΔK為裂紋擴展驅(qū)動力[15]，

其中，σA為引起裂紋萌生的孔洞處的應(yīng)力大小，d為孔洞尺寸，F(xiàn)為裂紋形狀系數(shù)（對于內(nèi)部缺陷F=0.5）[2,16]。

將孔洞尺寸di視為裂紋初始長度，對式（3）積分可得：

式（4）給出初始孔洞尺寸di與試樣壽命Nf以及加載應(yīng)力σA之間的關(guān)系。對于AlSi7Mg合金C 和 m 分別取 2.744×10?12和 4.03，這里取 m=4，得到：

根據(jù)式（5）可知，在一定的加載應(yīng)力下，疲勞壽命與孔洞尺寸成反比；隨著加載應(yīng)力的降低，在孔洞尺寸相同的情況下，材料的壽命逐漸增大。在高加載應(yīng)力情況下，表面較大尺寸的孔洞決定了材料的疲勞壽命；在低加載應(yīng)力情況下，由于應(yīng)力長時間的反復(fù)作用，尺寸大于某臨界值的小孔洞也有可能成為裂紋源。

3.2 影響孔洞大小的因素

鑄件中疏松或針孔孔洞的形成條件可用下面的統(tǒng)一形式表示：

式中，Pg為氣體的析出壓力；Ps為對疏松孔洞補縮的阻力；Pa為大氣壓力；Po為外部壓力；ρgH為孔洞上的金屬液壓力；σ為氣液界面上的表面張力；r為孔洞半徑。

在通常的鑄造條件下，變化的參數(shù)為Pg和Ps，影響孔洞形成的因素主要是熔體中氣體的含量和鑄件凝固的補縮行為。熔體中氣體含量愈多，則鑄件結(jié)晶時隨氣體溶解度變化而析出的氣體壓力Pg愈大，形成氣體孔洞的可能性更大。鑄件以體積方式凝固，凝固區(qū)域的寬度越大，枝晶越發(fā)達，孔洞補縮的阻力Ps越大，產(chǎn)生疏松孔洞的傾向越大；或者由于鑄件的凝固補縮擴張角較小，在封閉區(qū)域得不到液體補縮，導(dǎo)致補縮阻力Ps較大，形成疏松孔洞的傾向大。

3.3 解決孔洞缺陷的措施

在實際鑄造條件下，為解決鋁合金鑄件中的孔洞缺陷，提高產(chǎn)品疲勞性能，可采取以下措施：

1）加強精煉和除氣，減少熔體非金屬夾雜物和氣體含量，或者采用反重力澆注方式，如低壓或差壓鑄造工藝，減少夾雜物進入鑄型，阻止熔體中的非自發(fā)氣泡核的形成，延緩氣泡半徑r的長大；

2）采用低壓或壓力鑄造的方式，其施加壓力Po使疏松或針孔產(chǎn)生的可能性減?。?/p>

3）采用金屬型鑄造，或在厚大部位或關(guān)鍵部位設(shè)置冷鐵，提高凝固過程的溫度梯度，加強補縮，減小孔洞補縮的阻力Ps，縮短氣泡半徑r的長大時間，減少針孔傾向。

4 結(jié)論

1）通過對鑄造鋁合金高鐵齒輪箱疲勞性能的研究表明：臨近試樣表面的疏松缺陷，成為明顯的疲勞裂紋源，遠離試樣表面的疏松對疲勞斷裂影響較小；疏松的尺寸越大，或者形狀越不規(guī)則，越有利于疲勞裂紋的產(chǎn)生。

2）對針孔缺陷的試驗研究表明，隨著針孔缺陷射線等級的增加，軸向R=0.1下的疲勞極限強度σ0.1逐漸降低，并且與孔洞面積分數(shù)存在高線性相關(guān)性。

3）在一定的加載應(yīng)力下，疲勞壽命與孔洞尺寸成反比；在孔洞尺寸相同的情況下，隨著加載應(yīng)力的減少，材料的疲勞壽命逐漸增大。在高加載應(yīng)力情況下，表面較大尺寸的孔洞決定了試樣的疲勞壽命；在低加載應(yīng)力情況下，尺寸很小的孔洞也可成為裂紋源。

4）在實際生產(chǎn)過程中，采取低壓或壓力鑄造工藝，加強精煉除氣，提高鑄件冷卻速度等措施，可有效避免疏松和針孔的產(chǎn)生，從而提高產(chǎn)品的疲勞性能。