亚共晶Al-Si合金热裂形成过程的研究

【摘要】热裂纹常被认为是铸件和铸锭生产中常见的且非常严重的铸造缺陷之一,常见于钢铁、铝合金和镁合金等合金铸件中。热裂缺陷是一种不可逆的铸造缺陷,通常是以裂纹的形式出现在铸件的表面或者铸件内部,形成外裂纹和内裂纹。大部分外裂纹可以用肉眼观察到,细微的裂纹则需要借助磁粉探伤、染色渗透检查等其他方法才能发现。在实际生产中,有的合金铸件形状复杂、型壁厚薄不均匀,在凝固过程中各个部位的冷却速度不一样,会产生较大的热应力,当积聚的热应力超过合金材料固有强度时,铸件就会被拉裂进而演化为裂纹。一旦铸件生产中出现热裂纹缺陷,需要对有热裂纹缺陷的铸件进行修复,有严重裂纹的铸件则直接废弃,因此说,热裂缺陷的产生会降低铸件的产量并提高铸件的生产成本,会带来直接的经济损失。所以,为了解决铸件生产中的热裂问题,有必要对热裂形成过程进行进一步的研究。目前,许多学者在所开展的热裂研究中,基本是以热裂倾向性大的合金作为研究对象,并系统研究了合金种类、冷却速度、变质细化等因素对热裂形成的影响规律,为热裂的研究奠定了理论基础,但是对于亚共晶Al-Si合金热裂行为的研究较少。因此,本文以热裂倾向小的亚共晶铸造Al-Si合金为主要研究对象,以模拟大尺寸铸件的收缩行为为目标,对二元亚共晶Al-Si合金及A356合金热裂形成过程的凝固行为进行相关研究；对冷却速度、外部施加轴向拉伸载荷对热裂形成过程的影响规律进行了研究；并对热裂试样的铸态组织、断口的表面形貌进行了相关研究并得出如下结论：(1)在大量实验探索和调研的基础上,基于对凝固的试样主动施加轴向载荷的思路,自行设计开发了适用于热裂倾向性小的合金热裂行为研究的主动施加载荷实验装置。本实验装置的设计成功可以进一步丰富热裂研究过程中所使用的测试设备种类；该实验装置结构简单、设计较为合理、后续数据处理简单方便,能同时采集合金凝固过程中的温度和施加的临界轴向载荷等信息,对深入研究合金的凝固行为和热裂形成机理提供了重要的实验手段和方法。(2)热裂主要产生在合金的凝固末期阶段。对于亚共晶Al-Si合金来说,热裂纹扩展主要有两种形式,一是在温度较高的情况下承受应力载荷,在这种情况下,由于大量的残余液相补缩愈合分离的枝晶而保持了枝晶间的结合强度,因此会出现凝固收缩应力或拉伸应力松弛现象。随着凝固的继续进行,在拉伸载荷的作用下,不断减少的残余液相促使二次枝晶出现分离而萌生裂纹。二是在温度较低的情况下承受应力载荷,在这种情况下,合金凝固接近共晶阶段,潜热释放较多导致熔体的凝固速度变慢,晶间的残余液相会有足够的时间补缩愈合萌生的裂纹或分离的枝晶,增强了枝晶间的结合强度,所以,在这个阶段,需要较大的应力载荷来诱发裂纹的萌生。(3)合金的冷却速度影响热裂纹的形成,铸件凝固过程的冷却速度较小可以有效的降低合金凝固过程中的热量散失速度,并有进一步减小合金产生热裂倾向的趋势。有效提高金属模具的预加热温度可以减小铸件与铸型界面处的温度差△T’,在凝固过程中合金的固-液界面向熔体中扩展的速度就较慢,在热节处不会出现应力应变的大量积聚,进而降低了铸件产生热裂缺陷的倾向性；相反,金属模具的预加热温度较低会增加合金凝固的冷却速度,减少了溶质再分配的时间,在热节处容易出现溶质的偏聚,成分偏聚加剧了局部应力应变的积聚,增加了热裂形成的倾向性。(4)根据热裂试样的铸态组织及断口表面的形貌特征可知：热裂纹是一种晶间裂纹,在断口表面的α-Al枝晶包覆着凝固的液膜、晶间搭桥、液膜褶皱等特征；对于亚共晶Al-Si系合金来说,在合金凝固末期枝晶间存在的液膜和晶间搭桥阻断了液态金属对分离枝晶的补缩,使得微裂纹在外部载荷及凝固收缩应力的作用下得到扩展而形成热裂；若晶间周围的液膜较厚或者存在连续的补缩通道,分离的枝晶就会得到液相的补偿,形成的愈合的微裂纹,不会产生热裂纹；亚共晶Al-Si系合金的热裂形成可以用液膜理论和晶间搭桥理论来解释。受阻热节的积聚应力是热裂产生的重要因素,并以此构建了基于名义屈服应力的热裂判据：即合金的名义屈服应力σ’yield与枝晶分离的平均应力<σ>的比值。
【作者】许荣福；
【导师】田学雷；
【作者基本信息】山东大学，材料加工工程，2014，博士
【关键词】Al-Si合金；热裂；液膜；凝固行为；铸造缺陷；

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