Al-Si系鑄造鋁合金具有良好的鑄造工藝性能和氣密性, 可用于制造汽車活塞、氣缸蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)滑塊和輪轂等構(gòu)件[1] 汽車零部件的破壞, 很多是在單軸或多軸載荷下裂紋萌生和擴(kuò)展所導(dǎo)致的疲勞失效[2] 添加Sr變質(zhì)劑可使Al-Si合金的共晶Si顆粒細(xì)小, 從而降低微裂紋的萌生, 提高材料的疲勞壽命 材料在多軸加載下的疲勞壽命遠(yuǎn)比單軸加載的低, 加載路徑對(duì)Si顆粒破壞方式的改變對(duì)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展也有重要的影響[3-5] 但是, 目前關(guān)于鋁合金多軸疲勞的研究較少, 尤其是加載路徑對(duì)鋁合金疲勞性能的影響研究很不充分 本文研究Sr變質(zhì)A319鑄造鋁合金在相同應(yīng)變幅不同加載路徑下的疲勞行為, 分析壽命和應(yīng)力響應(yīng)特點(diǎn), 以及失效試樣的斷口特征和Si顆粒的斷裂方式, 以明確加載路徑對(duì)鋁合金疲勞性能的影響

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用材料為澆注Sr變質(zhì)A319鑄造鋁合金, 其成分列于表1

Table 1

表1

表1Sr變質(zhì)A319合金的化學(xué)成分

Table 1Chemical composition of A319 alloy with Sr-modification (mass fraction, %)

Element	Si	Cu	Mg	Fe	Mn	Zn	Ti	Sr	Ni	Al
A319-Sr	6.4	3.1	0.37	0.52	0.31	0.53	0.04	0.016	0.02	Bal.

先對(duì)A319鋁合金進(jìn)行T6熱處理: 將試樣放在預(yù)先加熱的爐中, 在(500±3)℃下保溫固溶處理8 h, 然后在60-100℃的水中淬火處理10 min, 最后將試樣放入預(yù)先加熱的爐中在(155±3)℃下人工時(shí)效4 h, 開爐門自然冷卻

將T6熱處理后的材料加工成標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣, 單軸試樣為直徑7 mm的實(shí)心圓棒(圖1a); 多軸疲勞試樣為空心薄壁管(圖1b), 圓管內(nèi)外徑之比為0.6, 當(dāng)試樣承受拉-扭復(fù)合載荷時(shí)可近似認(rèn)為應(yīng)力沿其橫截面是均勻分布的[4]



圖1疲勞試樣的尺寸

Fig.1Geometry of fatigue specimen (mm) (a) uniaxial loading, (b) multi-axial loading

疲勞試驗(yàn)在MTS 809疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 采用軸向應(yīng)變控制方式, 應(yīng)變比R=-1, 頻率為3 Hz, 加載波形為正弦波



圖2多軸加載路徑的示意圖

Fig.2Schematic diagram of multi-axial loading path

多軸加載路徑示意圖如圖2所示, 圖中的ε1和ε3分別是軸向應(yīng)變和扭向應(yīng)變

對(duì)于Sr變質(zhì)A319疲勞試樣, 在等效應(yīng)變幅值為0.2%時(shí)分別在單軸、比例和圓形路徑下進(jìn)行疲勞試驗(yàn), 觀察其疲勞斷口以及Si顆粒的斷裂方式 用Leitz 307光學(xué)顯微鏡觀察試樣的微觀組織, 用Quanta 200F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察疲勞斷口形貌, 并在斷口表面以下沿軸向切取高度約為10 mm的薄片, 用環(huán)氧樹脂鑲嵌后制成金相試樣, 用金相顯微鏡觀察Si顆粒的斷裂方式



圖3Sr變質(zhì)前后A319鋁合金的原始組織

Fig.3Microstructure of A319 aluminum alloy before (a) and after (b) Sr-modification

2 結(jié)果和討論2.1 微觀組織

圖3給出了Sr變質(zhì)前后A319鑄造鋁合金T6態(tài)的原始組織形貌 圖中灰色的為初生相α-Al基體, 黑色針狀物質(zhì)為共晶Si顆粒, 以及片狀或針狀的金屬間化合物(圖3a) 還有少量微孔, 如圖3b中箭頭所示 由圖可知, 與未變質(zhì)材料相比, 變質(zhì)后最典型的變化是Si顆粒變得細(xì)小, 由針狀向球狀轉(zhuǎn)變, 顆粒的形態(tài)比大大降低 Sr變質(zhì)可使初生Si相細(xì)小、均勻, 而且使共晶Si端部圓鈍化, Si顆粒形態(tài)比的改變對(duì)合金力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響 因此, 加入微量元素Sr可使Si顆粒形態(tài)比發(fā)生改變, 從而影響了A319鋁合金的力學(xué)性能 同時(shí), Sr的加入對(duì)孔洞尺寸也有一定影響, 變質(zhì)試樣比未變質(zhì)試樣孔洞的數(shù)量少[6, 7]

Table 2

表2

表2變質(zhì)前后A319的力學(xué)性能

Table 2Mechanical properties of A319 before and after Sr-modification

Material	Young’s modulus /GPa	Yield strength /MPa	Tensile strength /MPa	Elongation /%
A319	74.2	211	230	2
	74.8	210	226	1.5
A319-Sr	75.1	220	253	2
	75.0	218	242	1

圖4Sr變質(zhì)A319合金在不同路徑下的等效應(yīng)力-循環(huán)周次曲線

Fig.4Stress amplitude- number of cycles curves of A319 alloy with Sr-modification under different loading path (Δεt/2=0.2%)

2.2 拉伸性能

變質(zhì)前后試樣的拉伸性能, 列于表2 可以看出, 在拉伸過程中無論是變質(zhì)材料還是未變質(zhì)材料, A319鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高(達(dá)到GB/T1173-1995標(biāo)準(zhǔn)), 主要是在熱處理過程中析出相強(qiáng)化和Si顆粒分散硬化的結(jié)果 A319鋁合金的楊氏模量均為75 GPa左右, 屈服強(qiáng)度的平均值為215 MPa; 而抗拉強(qiáng)度與SDAS大小有一定的關(guān)系, SDAS越大其抗拉強(qiáng)度越小

2.3 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征

圖4給出了Sr變質(zhì)A319合金在0.2%等效應(yīng)變幅不同加載路徑下的等效應(yīng)力-循環(huán)周次曲線 可以看出, 多軸拉扭的應(yīng)力響應(yīng)曲線均位于單軸拉壓曲線的上方, 表明多軸加載條件下相同循環(huán)周次時(shí)材料中的應(yīng)力響應(yīng)值較單軸加載時(shí)的高 而在多軸加載狀態(tài)下圓形路徑下的應(yīng)力響應(yīng)值又較比例路徑高, 這種現(xiàn)象稱之為非比例附加強(qiáng)化[8] 而且對(duì)于A319鑄造鋁合金材料, 非比例附加強(qiáng)化程度較為明顯 因此, 不同加載路徑下材料發(fā)生循環(huán)硬化程度和速率從大到小依次是: 圓形路徑加載、 比例路徑加載、 單軸加載

2.4 疲勞壽命

表3給出了Sr變質(zhì)A319合金在0.2%等效應(yīng)變幅不同路徑下試樣的疲勞壽命 可以看出, 加載路徑對(duì)合金的疲勞壽命的影響很大, 同一種材料在相同應(yīng)變幅下疲勞壽命(平均值)從小到大依次是: 圓形路徑、比例路徑、單軸加載, 這與材料在疲勞過程中的循環(huán)硬化的程度和速率的變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)

Table 3

表3

表3Sr變質(zhì)A319合金在不同加載狀態(tài)下的疲勞壽命

Table 3Fatigue life of A319 alloy with Sr-modification under different loading path Δεt/2 =0.2%

Material	Strain amplititude		Loading path	Fatigue life	Average life
A319-Sr		0.2%	Uniaxial	155930	148375
				124873
				164322
			Proportional	44610	59482
				65110
				68726
			Circle	5993	17232
				12368
				33336

在單軸拉壓加載條件下只有軸向應(yīng)變; 在比例加載路徑下卻同時(shí)存在軸向應(yīng)變和剪切應(yīng)變, 在一個(gè)循環(huán)中其大小發(fā)生變化, 但其方向不變; 而在圓形路徑下, 由于所施加的軸向應(yīng)變和剪切應(yīng)變存在相位差, 其主應(yīng)變和最大剪切應(yīng)變?cè)谝粋€(gè)循環(huán)中, 不但大小變化方向也變化, 產(chǎn)生非比例附加強(qiáng)化 因此, 疲勞壽命從單軸、比例到圓形路徑是逐漸降低的

2.5 宏觀斷口分析

圖5給出了Sr變質(zhì)A319拉伸以及在0.2%應(yīng)變幅不同加載狀態(tài)下的宏觀斷口照片 由圖5可見, 不論是拉伸、單軸拉壓還是多軸拉扭加載試樣裂紋尖端附近都沒有較明顯的變形, 即沒有明顯的伸長(zhǎng)和頸縮, 表現(xiàn)出以脆性斷裂為主的特征 拉伸斷裂前后A319鑄造鋁合金材料塑性變形很小, 觀察不到頸縮現(xiàn)象, 斷裂幾乎在一瞬間發(fā)生 且其斷裂面方向基本平行于正應(yīng)力方向, 斷口較粗糙(圖5a); 單軸試樣的斷口基本上與主軸方向垂直, 呈現(xiàn)“一”字形(圖5b), 表明主裂紋沿與主應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展, 圖5e是試樣單軸拉壓的疲勞裂紋源; 多軸加載狀態(tài)則有所不同, 特別是比例路徑加載狀態(tài)下可觀察到呈一定角度擴(kuò)展的兩條裂紋 裂紋呈現(xiàn)出“人”字形(圖5c), 且在比例路徑下的宏觀斷口可以發(fā)現(xiàn), 主裂紋的萌生處正是位于“人”字形裂紋的交叉處, 如圖5f中白色箭頭所指位置 在圓形路徑加載狀態(tài)下, 仍以“一”字形擴(kuò)展為主(圖5d)



圖5不同加載路徑下試樣斷口的宏觀形貌

Fig.5Fractography of the alloy under different loading path (Δεt/2 =0.2%) (a) tensile, (b) uniaxial, (c) proportional, (d) nonproportional, (e) tensile, (f) proportional

2.6 微觀斷口分析

2.6.1 裂紋萌生區(qū) 圖6給出了Sr變質(zhì)A319鋁合金在0.2%等效應(yīng)變幅下疲勞裂紋萌生處的低倍照片, 圖中白色箭頭表示裂紋萌生的位置 可以看出, 所有試樣的疲勞裂紋都萌生于試樣表面或表面附近, 這與材料表面所處的特殊應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境等因素有關(guān)[9] 從單軸、比例到圓形加載路徑, 疲勞試樣的裂紋源區(qū)逐漸不明顯, 裂紋源區(qū)尺寸也變小 其主要原因是, 隨著加載路徑從單軸、比例到圓形的變化試樣所受的最大應(yīng)力增大, 應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍也增大, 加快了主裂紋進(jìn)入擴(kuò)展區(qū)的速度[10, 11]



圖6疲勞裂紋萌生區(qū)的形貌

Fig.6Initiation morphologies of fatigue cracks (Δεt/2 =0.2%) (a) uniaxial, (b) proportional, (c) nonproportional

試樣在圓形路徑加載條件下, 位于試樣內(nèi)外表面的兩個(gè)孔洞均萌生了裂紋 可以看出, 多軸失效試樣在裂紋萌生附近表現(xiàn)出較為嚴(yán)重的磨損破壞痕跡 這種情況, 主要與試樣所受的外部應(yīng)力加載狀態(tài)有關(guān)[12] 在拉扭復(fù)合載荷下, 裂紋在試樣表面附近萌生后, 當(dāng)試樣受壓時(shí)裂紋兩斷裂面在剪應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生滑移, 從而比在單純拉壓狀態(tài)下更容易發(fā)生斷裂表面的對(duì)磨, 在斷口留下較明顯的磨損痕跡

2.6.2 裂紋擴(kuò)展區(qū) 疲勞裂紋一旦萌生, 便開始穩(wěn)定擴(kuò)展 圖7給出了Sr變質(zhì)A319合金在0.2%等效應(yīng)變幅不同加載狀態(tài)下的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌 可以看出, 在裂紋擴(kuò)展初期裂紋主要在Al基體中擴(kuò)展, 最典型的特征就是斷口上留下疲勞條紋 當(dāng)裂紋遇到Si顆粒相時(shí)有兩種擴(kuò)展方式, 一是沿顆粒與基體界面擴(kuò)展, 二是將顆粒撕斷 這對(duì)應(yīng)Si顆粒的兩種破壞行為: 即與Al基體界面的分離(脫粘)與斷裂[13, 14], 這在單軸拉壓狀態(tài)下較為明顯(圖7a) 與單軸相比, 比例、圓形路徑下疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口發(fā)生磨損, 導(dǎo)致Si相的斷裂特征逐漸不明顯(圖7b, c) 在斷口上可發(fā)現(xiàn)大量磨削和因磨損導(dǎo)致的片狀脫落, 如圖7中短箭頭所示, 圖中長(zhǎng)箭頭方向?yàn)槠谥髁鸭y擴(kuò)展方向



圖7疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌

Fig.7Propagation morphologies of fatigue cracks (Δεt/2 =0.2%) (a) uniaxial, (b) proportional, (c) nonproportional

2.6.3 最終斷裂區(qū) 圖8給出了Sr變質(zhì)A319合金在0.2%等效應(yīng)變幅不同加載路徑下的最終斷裂區(qū)的形貌 在單軸斷裂區(qū)可看到夾雜, 這些夾雜可能產(chǎn)生晶界弱化[15], 在最后斷裂過程中沿周圍晶界拔起, 產(chǎn)生凹坑, 這在裂紋萌生和擴(kuò)展區(qū)很少見, 如圖8a箭頭所示 在比例路徑下斷裂區(qū)域表面粗糙度很大, 斷裂平面凹凸不同, 如圖8b所示; 宏觀上表現(xiàn)為斷口反光不明顯、高低不平 而在圓形加載路徑下可看到平行的撕裂棱狀結(jié)構(gòu)(圖8c) 可以發(fā)現(xiàn), 缺陷較為集中分布, 表明主裂紋擴(kuò)展面經(jīng)常選擇孔洞等鑄造缺陷較多的區(qū)域優(yōu)先擴(kuò)展



圖8疲勞裂紋最終斷裂區(qū)形貌

Fig.8Damage morphologies of fatigue cracks (Δεt/2 =0.2%) (a) uniaxial, (b) proportional, (c) nonproportional

2.7 Si顆粒的斷裂對(duì)裂紋萌生擴(kuò)展的影響及其斷裂方式

圖9、10給出了Si顆粒斷裂對(duì)疲勞微裂紋萌生擴(kuò)展的影響, 圖中拉壓應(yīng)力方向如圖中雙向箭頭所示 圖9為主斷裂面附近Si顆粒的斷裂, 可見主斷裂面附近大部分Si顆粒均發(fā)生了斷裂, 其斷裂幾率遠(yuǎn)比遠(yuǎn)離主斷裂面的Si顆粒的高 其主要原因: 一是主斷裂面附近較為脆弱, 主裂紋易沿缺陷較多的路徑擴(kuò)展, 缺陷使該區(qū)域顆粒發(fā)生斷裂的幾率提高; 二是試樣沿主斷裂面斷裂過程中對(duì)其周圍區(qū)域產(chǎn)生一定沖擊, 這種沖擊最易使脆性顆粒發(fā)生破壞 圖10中試樣的黑色邊界均為疲勞試樣的外邊緣 從圖10可以看出: 位于試樣外邊緣的Si顆粒優(yōu)先發(fā)生斷裂, 這與外部晶粒在循環(huán)變形過程中受約束小而易發(fā)生塑性變形有關(guān), 試樣外邊緩Si顆粒的斷裂也易成為疲勞裂紋萌生點(diǎn); Si顆粒斷裂后產(chǎn)生裂痕, 隨著循環(huán)加載的進(jìn)行裂痕逐漸增多, 相鄰的裂痕可以相互連接而形成微裂紋 圖10b顯示斷裂Si顆粒間的裂痕尚未連接, 圖10c則顯示裂痕已穿透Al基體發(fā)生了相互連接, 并有進(jìn)一步向基體擴(kuò)展的趨勢(shì), 微裂紋的擴(kuò)展方向與主裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)一致, 基本與拉壓方向垂直



圖9主斷裂面附近Si顆粒的斷裂

Fig.9Fracture of Si particles near the main fracture surface (Δεt/2 =0.2%)



圖10Si顆粒斷裂對(duì)Sr變質(zhì)A319裂紋萌生擴(kuò)展的影響

Fig.10Effect of Si particle to crack initiation and propagation of A319 with Sr-modification (Δεt/2 =0.2%), (a) uniaxial, (b) proportional, (c) nonproportional, (d) amplification of Fig.(c)

圖11給出了在0.2%等效應(yīng)變幅不同加載狀態(tài)下Sr變質(zhì)A319合金中Si顆粒的斷裂方式 可以看出, 球狀Si顆粒團(tuán)簇在一起形成一個(gè)Si顆粒簇分布在α-Al枝晶間, 相鄰的一些Si顆粒發(fā)生斷裂后容易互相連接而造成一個(gè)小區(qū)域的破壞, 從而形成一個(gè)“孔洞”(圖11b), 這是Sr變質(zhì)導(dǎo)致的結(jié)果 在不同加載方式下, Si顆粒的斷裂方式有所不同 單軸拉壓長(zhǎng)軸與拉壓方向平行的Si顆粒更容易發(fā)生斷裂, 如圖11a中的短箭頭所示 在拉扭復(fù)合加載狀態(tài)下可觀察到一個(gè)體積較大的顆粒沿不同方向斷裂, 裂紋交錯(cuò)復(fù)雜(圖11b, c), 且這種現(xiàn)象在圓形路徑加載下最為常見, 與非比例加載方式有關(guān) 在非比例路徑下, 最大剪應(yīng)變平面的連續(xù)旋轉(zhuǎn)使最大剪應(yīng)變平面上的正應(yīng)力方向也相應(yīng)地改變, 在方向不斷變化的正應(yīng)力作用下, 同一Si顆?？稍诙鄠€(gè)不同的方向上發(fā)生斷裂[16]



圖11Si顆粒的斷裂方式

Fig.11Cracking modes of Si particles (Δεt/2 =0.2%) (a) uniaxial, (b) proportional, (c) nonproportional

3 結(jié)論

1. 對(duì)于不同的加載路徑, Sr變質(zhì)A319合金在0.2%等效應(yīng)變幅下疲勞壽命從小到大依次是: 圓形路徑、比例路徑、單軸加載 這與材料在疲勞過程中循環(huán)硬化的程度和速率隨加載路徑的變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)

2. 在0.2%等效應(yīng)變幅條件下Sr變質(zhì)A319鑄造鋁合金在單軸、比例及圓形路徑加載下的宏觀斷口特征有所差別, 單軸和圓形路徑加載表現(xiàn)為“一”字形斷裂, 而在比例路徑下則表現(xiàn)出“人”字形斷裂 從單軸、比例到圓形加載路徑, 疲勞試樣的裂紋源區(qū)逐漸不明顯, 裂紋源區(qū)和穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)尺寸也變小 與單軸相比, 比例、圓形路徑下疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口會(huì)發(fā)生磨損, 導(dǎo)致Si相的斷裂特征逐漸不明顯

3. 加載狀態(tài)影響Si顆粒的斷裂方式, 在單軸加載狀態(tài)下裂痕斷面基本上與主軸方向平行, 而在多軸加載狀態(tài)下裂痕方向的分布較為分散

---