Al-Si系铸造合金微观结构对疲劳寿命影响的研究进展

第3L卷第3期2009年5月上海金属SHANGHAIMETALSV0131，N0349MAY，2009ALSJ系铸造合金微观结构对疲劳寿命影响的研究进展向学渊何国求莫德锋胡正飞刘兵同济大学材料学院金属基材料研究所上海市金属功能材料开发应用重点实验室，上海200092【摘要】对影响A1SJ系铸造合金疲劳寿命的各种因素进行了概括总结，特别是对有重大影响的孔洞、氧化物薄膜、共晶硅颗粒、二次枝晶臂间距SDAS和裂纹闭合等影响因素作了详细讨论。指出了疲劳寿命随各因素的变化规律，对微观组织结构危害其疲劳寿命的相对大小进行了系统的分析和阐述。【关键词】A1SI系铸造合金疲劳寿命微观组织影响因素EFFECTOFMICROSTRUCTUREONALSICASTINGALLOYINFATIGUELIFETIMEPROGRESSXIANGXUEYUANHEGUOQIUMODEFENGHUZHENGFEILIUBINGINSTITUTEFORMETA1BASEDMATERIALRESEARCH，SCHOOLOFMATERIALSCIENCEANDENGINEERING，TONGJIUNIVERSITY，SHANGHAIKEYLABFORADOFMETALLICFUNCTIONALMATERIA1【ABSTRACT】THEFACTORSINFLUENCINGTHEFATIGUELIFETIMEOFA1SICASTINGALLOYWERESUMMARIZEDINCLUDINGTHEPORE，OXIDEFILM，EUTECTICSILICONPARTICLE，SDASANDCRACKCLOSURETHEVARIATIONSOFTHEFATIGUELIFEWITHEACHINFLUENCEFACTORWEREANALYZEDTHERELATIVEMAGNITUDEOFTHEMICMSTMCTUREHARMINGTHEFATIGUELIFEWASSYSTEMATICALLYCOMPAREDANDINTERPRETED【KEYWORDS】A1SICASTINGALLOY，FATIGUELIFETIME，MICROSTMCTURE，INFLUENCEFACTOR1前言A1SI系铸造合金具有良好的力学性能、铸造性能、机械加工性能和抗疲劳性能，在汽车工业中得到了广泛的应用N】。目前，国内外学者对于A1SI系铸造合金中的各种微观组织对其疲劳性能的影响进行了大量的研究，COUPER等认为J，微观结构缺陷对铸造铝合金的疲劳寿命的影响很大，缺陷尺寸越大，疲劳强度越低。但是，绝大多数研究集中在讨论单个微观结构缺陷对疲劳寿命的影响，很少涉及到不同微观组织结构对疲劳寿命危害的相对大小，而实际上将影响材料疲劳寿命的不同因素作对比是非常有必要的。这些微观组织结构及缺陷包括孔洞、氧化物薄膜、二次枝晶壁间距、共晶硅颗粒的尺寸和形貌、金属问化合物、滑移带，晶粒尺寸等因素，对疲劳寿命影响最大的是孔洞和氧化物薄膜，其他因素的影响则相对较小】。鉴于微观组织结构对于A1SI系铸造合金疲劳影响的重要性，本文在调研国内外有关AL。SI系铸造合金研究成果的基础上，总结了影响合金疲劳寿命的一系列因素，对微观组织结构影响疲劳寿命的相对大小进行了系统的分析和阐述。2铸造缺陷铸造缺陷是在铸造过程中由于液态铝的氢吸附和氧化而引起的，包括孔洞和氧化物薄膜两类。WANG等人7认为铸造缺陷不仅降低疲劳裂纹扩展寿命，而且也缩短了裂纹萌生的寿命。存在缺陷的合金的疲劳寿命比没有缺陷的至少低一个数量级。根据断裂机理，缺陷的存在会在基体周围产生应力集中，缺陷周围的应力集中加速了基金项目教育部“新世纪优秀人才计划”NCET050388；国家重点基础研究发展计划973资助项目2007CB714700；高等学校博士学科点专项基金资助项目20050247002作者简介向学渊，男，主要研究方向金属材料的疲劳，联系电话02165982463，EMAILYUANTOBYHOTMAILCOM50上海金属第31卷裂纹萌生。对给定尺寸的缺陷，位于自由表面的应力强度因子比试样中心高约55，导致疲劳裂纹萌生于表面或近表面的孔洞和氧化物薄膜处，研究认为，对于AI一7SIMG试件，如果在平面应变条件下失效，并且假设断裂表面足够大，就很有可能有可辨别的V型标志指向断裂萌生处。对于萌生点的观察能够显示断裂是否在结构缺陷处萌生。并且，在孔洞和氧化物薄膜周围更高的应力集中场也加强了微裂纹的萌生和在疲劳裂纹前端进而连结成宏观裂纹，为裂纹扩展提供了一条容易的路径。WANG等人的实验结果表明，缺陷形状对裂纹形成时的驱动力的影响相当小，疲劳裂纹的产生主要受到缺陷数量、尺寸及位置的影响。下面就两类铸造缺陷的相对重要性及其影响机理进行论述。21孔洞众多学者“玑“已经确定孔洞对疲劳寿命有显著影响，孑L洞是对疲劳寿命最具破坏性的缺陷，对疲劳性能危害最大，尤其是数量和尺寸超过一定值时，它的影响超过了其他如氧化物薄膜、共晶硅颗粒和滑移带等因素。根据对裂纹萌生的影响大小，把孑L洞分为两类一类是危害最大的近表面单个缩孔，另一类是对裂纹萌生影响较小的近表面的单个气孔。扫描电镜SEM技术对于检测单个孑L洞气孔处引发的疲劳裂纹萌生非常适用，但是，当裂纹萌生区域包含多个孔洞缩孔时，SEM就不能够精确确定裂纹萌生处孔洞尺寸。这种情况下，就必须引入光学显微镜和对断裂试样的纵剖面进行测试。CAMPBELL。认为所有的孔洞都是第二现象，是氧化膜形核的结果，但是，毫无疑问，氧化膜和孔洞的形貌是不同的，不是所有孑L洞都通过氧化膜形核，有些氧化膜与孔洞是没有联系的。由于是最终的缺陷尺寸和形状决定了应力强度因子，所以不论这个争论的本质如何，他们都不会与疲劳性能相关。低周疲劳条件下，孔洞对疲劳寿命有显著影响。GERARD等人N得出，缺陷尺寸对疲劳寿命有强烈影响。大的孔漏会萌生出大的裂纹，裂纹尺寸与孔洞尺寸的变化是一致的。因此，材料的疲劳性能与缺陷尺寸是直接相关的，缺陷尺寸越大，疲劳寿命越低，减小孔洞尺寸总是对疲劳寿命有利。不仅如此，疲劳寿命也受缺陷数量的影响，经过热等静压处理后的合金缺陷数量显著降低，比没有处理的合金寿命长J。对于A356合金，孔洞尺寸在25TM大小时具有与热等静压试样相似的疲劳寿命，当应力比为0102，应力幅为70100MPA时，SR变质处理过的合金其孔洞临界尺寸为25TM，如果孔洞尺寸在这个临界点以下，则孔洞对疲劳寿命的影响将大大降低。HRAMMAR等人认为，通过在孔洞周围产生高度的应力集中，减少了裂纹萌生时间，疲劳寿命主要消耗在裂纹扩展上。引发疲劳裂纹萌生的临界缺陷尺寸与材料微观结构和载荷条件有关。最近发展起来一种定量预测疲劳寿命和缺陷尺寸关系的方法，但是，该方法仍不能完全解决孔洞形状和缺陷尺寸对疲劳寿命的影响，基于实验数据的更全面的理解尚未建立。22氧化膜氧化物薄膜分为厚尖晶石型和薄氧化铝型，CAMPBELL等人LL将其定义为老氧化膜和新氧化膜。老氧化膜比新氧化膜更平坦，旧氧化膜与新氧化膜对疲劳的影响不同，一些证据表明新氧化膜更具损害性。在没有孔洞的时候，氧化物薄膜对疲劳寿命的影响占主导地位，从氧化物薄膜处萌生裂纹的试样的疲劳寿命比孔洞的长45倍。对于这个事实有几种可能的解释。，第一，氧化膜与铝基体部分联合，降低了它们边缘处的应力集中。第二，二维的氧化膜比孔洞更易闭合，因此氧化膜的逆循环应变是受限的。疲劳寿命随氧化物薄膜尺寸减小而增加，但是氧化物薄膜尺寸增大导致疲劳寿命降低的速率比气孔的要低，在给定的载荷条件下，其临界尺寸比孔洞的临界尺寸要大“。氧化物薄膜尺寸为50KTM时A356合金的疲劳寿命与不含氧化物薄膜的合金差不多，热等静压对减少氧化物薄膜作用不大J，因此，在HIP处理过的试样中氧化物薄膜仍然能萌发裂纹。目前除了NYAHUMWA等人得出的一些初步结论之外，还没有任何资料能比较不同氧化物薄膜类型的影响。由于不同铸造工艺会产生不同的薄膜种类，所以这样的比较是非常有用的。一些研究人员认为存在无法测定的薄且折叠的氧化物薄膜对铸件的疲劳性能有损害的问题，并由此提出假说，认为如果残余裂纹在永久滑移带或第二相第3期向学渊等A1SI系铸造合金微观结构对疲劳寿命影响的研究进展51颗粒处萌生，并且如果有极薄氧化物薄膜存在时，永久滑移带或第二相颗粒就不会对裂纹萌生有明显影响。WANG等人观察了不同铸造工艺得到的断裂表面，显示在裂纹萌生点无明显孔洞和氧化物薄膜的试样总是有最长的寿命，这与假说一致，但是还不能完全解释极薄氧化膜的影响，需要进一步的实验以及观察来证实。目前，多数研究者认为孔洞比氧化膜对疲劳寿命具有更大的损害性，WANG等人认为对于给定的缺陷尺寸，孔洞比氧化物薄膜对疲劳寿命的损伤更大，有以下三个原因1与孔洞和氧化物薄膜相邻的微观组织不同。在气孑L和缩孔周围有更多的共晶硅颗粒和金属问化合物，在疲劳载荷下，这些脆性颗粒增加了孔洞的有效尺寸。与此相反，老氧化物薄膜通常位于枝晶内部而双层新氧化物薄膜一般沿晶界分布。结果萌生于氧化物薄膜的疲劳裂纹扩展时通常与枝晶中的滑移相关联。2孔洞是一种三维空穴，这能导致对疲劳性能不利的各向同性，而氧化物薄膜，尤其是老氧化物薄膜趋向于二维形貌，他们对疲劳的不利影响更多的取决于外加应力的方向。3CAMPBELL等人认为只有新氧化物薄膜容易萌生裂纹，老氧化物薄膜趋向与相邻组织结合，这将减小氧化物薄膜作为疲劳裂纹萌生点的总体效能。但是，并不是所有的资料都支持孔洞比氧化物薄膜对疲劳寿命的损伤更大的论点。BYEZYNSKI和CAMPBELL报道氧化物薄膜比孔洞对疲劳寿命的影响稍大，这与WANG等人的观点相反，他们认为WANG等人施加的高压工艺在消除孔洞的同时已经将氧化物薄膜激发了，受激发后的氧化膜对疲劳寿命产生危害。MURAKAMI和END02则持有另外一种观点，他们认为不同种类的缺陷对疲劳性能有相似的影响。分析各学者观点，孔洞与氧化膜对疲劳寿命的相对重要性还没有完全明了。3微观结构随着挤压和半固态铸造等工艺的改进，缺陷尺寸得以逐渐减小，基于此，微观结构对疲劳性能的影响就必须加以考虑。没有缺陷的试样，疲劳裂纹通常萌生于滑移带和共晶硅颗粒处。通过比较包含不同缺陷类型的SR变质A356铸造铝合金的疲劳寿命，可以得出，氧化膜处裂纹萌生试样的疲劳寿命比孔洞的长45倍，滑移带处萌生裂纹的试样疲劳寿命比孔洞的长约25倍，比氧化膜处的长约6倍。WANG等人观察到裂纹萌生点存在滑移面时，其周围也有细小氧化膜，并提出两种假设来解释1氧化膜在裂纹萌生之处早就存在，并导致聚集在最终剪切面的滑移。2最初没有氧化膜存在，裂纹从剪切面处萌生，任何氧化都是通过裂纹生长时微动磨损发生。目前，还没有足够的证据符合任意一种假设，但是从WANG等人的观察中发现两种情况都会发生。31共晶硅颗粒共晶硅颗粒的尺寸和形貌对疲劳寿命有影响。变质过程和合金成分对共晶硅颗粒的尺寸和形貌有决定作用，铸态未变质的合金存在AL枝晶和大的薄片共晶硅颗粒，对于在恒定固熔速率下变质的合金，共晶硅颗粒的形貌已经完全从薄片转变为纤维状，并且极少聚集。由于变质合金中的共晶硅颗粒小而圆，总的来说，变质后的铝合金比没有变质的寿命长约24倍。硅颗粒尺寸还受到MG含量、FE含量和热处理工艺的影响，增加MG含量会形成大的含MG元素的富FE相，从而增大硅颗粒尺寸，尤其是SR变质合金中硅颗粒的尺寸，增大的共晶硅颗粒会导致更多的颗粒断裂，因此降低了疲劳寿命。同样，FE含量的增加也导致富FE相的数量和尺寸增加，从而使得硅颗粒尺寸增大，降低疲劳寿命。热处理工艺对共晶结构也有影响，短时间1H固熔处理对共晶结构无明显影响，由于固熔不足，所以观察到微观结构上存在细小SI颗粒和大的富FE颗粒，长时间100H固熔处理后由于球化，使得大的富FE颗粒消失，硅颗粒变大。T6固熔处理后产生小的富FE相和硅颗粒，这是最优组合，也具有最佳疲劳寿命。根据断裂机理，共晶硅颗粒处疲劳裂纹萌生有两种机制，分别为硅颗粒的断裂和脱粘。LEE等人认为在硅颗粒为约15GM的SR变质A1SIMG合金中，主要断裂机理是硅颗粒从铝基体处脱粘，在硅颗粒为约38GIN的未变质A1SIMG合金中主要断裂机制为硅颗粒的断裂。对于硅颗粒尺寸在2555M之间的合金，同时存在硅颗52上海金属第31卷粒的脱粘和断裂。共晶硅颗粒的尺寸与临界缺陷尺寸有关，分析认为】，一方面，拥有大的共晶硅和金属间化合物颗粒会导致更大的临界外源缺陷尺寸，另一方面，在循环过程中增加最大应力会增加微观损坏，从而导致颗粒脱粘和断裂。加速微观裂纹的连结，从而增大材料微观裂纹的尺寸，因此诱发最终疲劳裂纹的临界缺陷尺寸也会增加。32二次支晶壁间距SDASWANG等认为二次支晶壁间距SDAS的值只受固熔速率的影响，根据公式SDAS394R。”，R表示初生铝枝晶固镕时的平均冷却速率，表面固熔速率越快，SDAS值就越小。对于SR变质A1SI系合金，SDAS小于60TM时，疲劳寿命随SDAS的增大而降低，当SDAS大于60KTM时，疲劳寿命随SDAS的增大而升高，在SDAS等于60PM时，疲劳寿命最低。对于未变质A1SI系合金，SDSA小于40TTM和大于60_TM时，疲劳寿命随SDAS的增大而降低，SDAS为4060TM时，疲劳寿命不随SDAS变化，在SDAS等于40KTM时，疲劳寿命最低。二者变化趋势不一致的原因在于在未变质合金中，大而长的共晶硅颗粒使得在较低的SDAS时，就产生了明显的枝晶界，在SDAS大于60M时，这种大而长的共晶硅颗粒导致疲劳寿命随SDAS的升高而进一步减少。如果在一定SDAS值范围内共晶硅颗粒尺寸和形貌保持恒定，可以假定在粗糙的微观结构中，疲劳寿命随SDAS的减小而升高。4裂纹闭合闭合的概念首先是由ELBER在1972年提出的，从此以后人们对这种复杂的现象进行了大量的研究，裂纹闭合主要有粗糙度诱发闭合和残余应力诱发闭合。粗糙度诱发闭合取决于材料的微观特征，对裂纹闭合有显著影响。另外一种引起闭合的因素就是残余应力，很多研究者从裂纹尖端局部内应力人手，对这种机制进行了广泛的研究。VASUDEVAN2。等人运用这种引起裂纹闭合的内应力机制试着解释了短裂纹行为。另外，还存在另外一种类型的残余应力，即由淬火等外部因素诱导残余应力，它的作用超过了其他闭合机制。残余应力的存在能够掩盖微观结构对疲劳寿命的影响。残余应力诱发裂纹闭合，导致应力强度因子门槛值提高，这是由于残余压应力导致了裂纹闭合，闭合度越高，就意味着有效驱动力越低，从而裂纹增长速率越低，在给定的应力下，应力强度因子就越高，因此，裂纹扩展需要更高的驱动力。但是，如果置于拉应力场中，由于裂纹尖端总是打开，就会产生相反的作用，降低应力强度因子门槛值，提高裂纹扩展速率。与裂纹扩展路径相遇的SI颗粒改变了裂纹局部滑移位向和扩展路径的选择。在不含SI的合金中，裂纹扩展通过在某几个滑移带上的材料分离来完成，遇上缺陷等障碍后导致位向的改变。裂纹偏转机制主要由与晶界的相互作用决定，裂纹偏转会导致更高的粗糙度和应力强度因子门槛值，使得更多的闭合意味着作用于裂纹尖端的有效驱动力更小，因此需要施加更大的循环应力促使裂纹扩展。但是，在含SI量较高的合金中，与SI颗粒更频繁的相遇导致扩展路径改变更少，更低的粗糙度，因此裂纹扩展所需的循环驱动力更低。5结束语孔洞和氧化膜对疲劳寿命的影响起关键作用，减小缺陷尺寸能提高疲劳寿命。一般认为，同样大小的缺陷，氧化膜对疲劳寿命的影响较孔洞的小。但是，氧化膜和孔洞的相对重要性仍然尚不确定。共晶硅颗粒的尺寸和形貌影响着材料的疲劳寿命，SI含量越高，变质和未变质合金的疲劳寿命相差越大。SDAS影响裂纹扩展行为，SDAS较大的合金意味着更高的应力强度因子门槛值和更低的断裂韧度。更低的粗糙度使裂纹扩展所需的循环驱动力更低，有利于裂纹扩展，残余压应力导致裂纹闭合，阻止裂纹扩展，延长疲劳寿命，残余拉应力导致裂纹打开，对裂纹扩展有利，缩短疲劳寿命。参考文献RL1BOSEFILHOWW，DEFREITASER，DASILVAVF，ETA1A1SICASTALLOYSUNDERISOTHERMALANDTHERMOMECHANICALFATIGUECONDITIONSJINTERNATIONALJOURNALOFFATIGUE，2007，299一L1184618542杨忠敏聚焦汽车材料的轻量化技术J城市车辆，2008，854583COUPCRMJ，NEESONAE，GRIFFITHSJRCASTINGDEFECTS第3期向学渊等A1SI系铸造合金微观结构对疲劳寿命影响的研究进展53ANDTHEFATIGUEBEHAVIOUROFANALUMINIUMCASTINGALLOY【JFATIGUEFRACTENGNGMATERSTRUCT，1990，1332132274AMMARHR，SAMUELAM，SAMUELFHEFFECTOFCASTINGIMPERFECTIONSONTHEFATIGUELIFEOF319RFANDA356T6AISICASTINGALLOYSJMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA，2008，4731265755REINHARTTLFATIGUEANDFRACTUREPROPERTIESOFALUMINUMALLOYCASTINGSJASMHANDBOOKFATIGUEANDFRACTUREUSA，1996，198138226XUMINGSUTOWARDANUNDERSTANDINGOFLOCALVARIABILITYOFFATIGUESTRENGTHWITHMICROSTRUCTURESJINTERNATIONALJOURNALOFFATIGUE，2008，306100710157WANGQG，APELIAND，LADESDAFATIGUEBEHAVIOROFA356一T6ALUMINUMCASTALLOYSJPARTIEFFECTOFCASTINGDEFECTSJOURNALOFLISHTMETALS2001，1173848GALLKA，HORSTEMEYERMF，DEGNERBW，ETA1ONTHEDRIVINGFORCEFORFATIGUECRACKFORMATIONFROMINCLUSIONSANDVOIDSJINTERNATIONALJOURNALOFFRACTURE，2001，19832072339WANGQG，DAVIDSONCJ，GRIFFITHSJROXIDEFILMS，PORESANDTHEFATIGUELIVESOFCASTALUMINUMALLOYSJMETALLURGICALANDMATERIALTRANSACTIONSB，2006，37B88789510COUPERIJ，RINDERERB，YAOJYCHARACTERISATIONOFAIFESIINTERMETALLICSIN6O0OSERIESALUMINIUMALLOYEXTRUSIONSJM8TALSSCIENCEFORUM，2006，51930330811ZHANGB，SUNGPK，POIRIERDR，CHENWEFFECTSOFSTRONTIUMMODIFICATIONANDHYDROGENCONTENTONTHEFATIGUEBEHAVIOROFA3562ALUMINUMALLOYJTRANSAFS，200010838338912BOILEAUJM，ALLISONJETHEEFFECTOFSOLIDIFICATIONTIMEONTHEMECHANICALPROPERTIESINACASTA356T6ALUMINUMALLOYJSAETRANS，2001。11064865913GREENNR，CAMPBELLJINFLUENCEOFOXIDEFILMFILLINGDEFECTSONTHESTRENGTHOFAI一7SIMGALLOYCASTINGJAFSTRANSACT，1994，34L一34794LL414GERARDDA，KOSSDATHEDEPENDENCEOFCRACKINITIATIONONPOROSIDURINGLOWCYCLEFATIGUEJMATERSCIENG，L99O。129A778515AMMARHR，SAMUELAM，SAMUELFHEFFECTOFCASTINGIMPERFECTIONSONTHEFATIGUELIFEOF319FANDA356一T6AISICASTINGALLOYSJMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，2008，473A657516ODESJA，PODERSENKFATIGUEPROPERTIESOFANA356AISI7MGALUMINIUMALLOYFORAUTOMOTIVEAPPLICATIONSFATIGUELIFEPREDICTIONJINTERNATIONALJOURNALOFFATIGUE，1995，17215817NYAHUMWAC，GREENNR，CAMPBELLJINFLUENCEOFCASTINGTECHNIQUEANDHOTSOSTATICPRESSINGONTHEFATIGUEOFANAI7SIMGALLOYJMETALLURGICALMATERIALSTRANSACTIONS，2001，32A2034935818WANGQG，APELIAND，GRIFFITHSJRMICROSTRUCTURALEFFECTSONTHEFADGUEPROPERTIESOFALUMINUMCASTINGSCINT1LEPROCEEDINGSOFTHEFIRSTINTERNATIONALALUMINUMCASTINGTECHNOLOGYSYMPOSIUM，OCTOBER1215，1998，ROSEMONT。IL，PUBLISHEDBYASM，METALSPARK，OH，199821722419CAMPBELLJ，NYABUMWAC，GREENNRTHECONCEPTOFTHEFATIGUEPOTENTIALOFCASTALLOYSCPROCEEDINGSOFMATERIALSSOLUTIONCONFERENCE98ONADVANCESINALUMINUMCASTINGTECHNOLOGY，1998，121522523320NYAHUMWAC，GREENNR，CAMPBELLJEFFECTOFMOLDFILLINGTURBULENCEONFATIGUEPROPERTIESOFCASTALUMINUMALLOYSJAFSTRANS，1998，10621522321BYCZYNSKIGE，CAMPBELLJTHEEFFECTSOFOXIDEFILMDEFECTSONTHESTRENGTHANDREALIBILITYOF319ALLOYCASTINGCPROCEEDINGSFROMTHE2NDINTERNATIONALALUMINUMCASTINGTECHNOLOGYSYMPOSIUM，79OCTOBER2002，ASMINTERNATIONAL，COLUMBUS，OH2002657422MURAKAMI