原標(biāo)題：鋁合金薄壁壓鑄件中孔洞的三維表征及其對(duì)斷裂位置的影響

摘要：鋁合金高壓鑄件中存在大量孔洞，對(duì)其塑性和斷裂行為有顯著影響。為研究鑄件中孔洞對(duì)斷裂位置的影響，采用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)分析了高壓鑄造Al-10Si-0.3Mg合金中孔洞的三維特征，并采用斷口掃描電子顯微鏡圖像分析對(duì)CT結(jié)果進(jìn)行了標(biāo)定。將孔洞的三維特征和采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）獲取的局部應(yīng)變信息相結(jié)合，分析了孔洞特征參量（局部孔隙率、最大孔洞尺寸和孔洞位置）與局部應(yīng)變分布和斷裂位置之間的關(guān)系。結(jié)果表明：試樣的局部孔隙率、最大孔洞和孔洞位置等特征參量均會(huì)影響局部應(yīng)變分布和斷裂位置。然而，對(duì)19個(gè)樣品的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，試樣主要在局部孔隙率最大處或接近最大值處發(fā)生斷裂，表明局部孔隙率是決定斷裂位置的主導(dǎo)因素。

高壓鑄造（簡(jiǎn)稱壓鑄）技術(shù)由于具有生產(chǎn)效率高、鑄件精度高、鑄件性能好、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，如汽車大型鋁合金薄壁壓鑄件。然而，由于壓鑄工藝充型速度快，容易導(dǎo)致卷氣，形成氣孔，即使采用真空壓鑄技術(shù)，也很難消除鑄件中的氣孔；而對(duì)于大型薄壁壓鑄件，因?yàn)槠涓鱾€(gè)部位幾乎同時(shí)凝固，無(wú)法有效補(bǔ)縮，容易形成縮孔。因此，作為大型鑄造薄壁件的一種主要缺陷，孔洞（包括氣孔和縮孔）不易消除。孔洞的存在會(huì)減少材料的有效承載面積，使得材料在服役過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)生斷裂。對(duì)于在汽車結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用日益增大的大型鋁合金薄壁壓鑄件，系統(tǒng)研究各種孔洞特征參數(shù)（如孔洞的尺寸、局部孔隙率以及孔洞位置）與鑄件應(yīng)變集中和斷裂位置的關(guān)系，有助于工程師分析其影響斷裂位置的主導(dǎo)因素，為預(yù)測(cè)斷裂位置，通過(guò)優(yōu)化工藝提高鑄件性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。關(guān)于材料孔洞的研究已有大量報(bào)道，熊守美等認(rèn)為在拉伸變形過(guò)程中，大孔洞，包括氣孔和網(wǎng)狀縮孔是裂紋萌生的主要來(lái)源，裂紋通過(guò)材料有效承載面積最小處傳播，也就是孔洞尺寸最大處傳播。WEILER等觀察了AM60B鎂合金壓鑄件在拉伸過(guò)程中，材料內(nèi)部孔洞的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)只有大孔洞發(fā)生了明顯變形，而小孔洞的形狀幾乎沒(méi)有改變，認(rèn)為只有大孔洞才是變形過(guò)程中影響材料斷裂的關(guān)鍵。WEILER等還用有限元模擬了孔洞尺寸和位置對(duì)材料變形的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔洞位于試樣表層所引起的應(yīng)變集中比在心部更大，可見(jiàn)孔洞位置會(huì)影響局部應(yīng)變的分布，進(jìn)而影響斷裂位置。Sun等基于孔洞的CT掃描構(gòu)建了3D有限元模型，預(yù)測(cè)了AM60鎂合金薄壁試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同樣發(fā)現(xiàn)孔洞的尺寸和分布會(huì)對(duì)材料的斷裂產(chǎn)生重要影響。Flacher和 Caceres等則認(rèn)為孔隙率是影響Al-Si-Mg鑄造合金斷裂的主要因素，尤其是在薄壁鑄件中。此外，有研究表明，在孔隙率很低的情況下，孔隙率的大小與斷裂沒(méi)有明顯關(guān)系，而斷裂面上孔洞的面積和長(zhǎng)度則直接影響材料的斷裂行為。綜上所述，孔洞特征參量，如孔洞的尺寸、局部孔隙率以及孔洞位置，會(huì)影響鑄件的斷裂位置。但是，已有的基于CT技術(shù)研究孔洞特征參量與斷裂位置的工作存在一些不足，例如：樣品數(shù)量有限（最多5個(gè)樣品），結(jié)果缺乏統(tǒng)計(jì)性；且分辨率較低（分辨率最高僅為80 μm，無(wú)法探測(cè)到尺寸小于80 μm的孔洞），丟失了小孔洞的信息。

針對(duì)上述問(wèn)題，作者以典型商業(yè)壓鑄鋁合金（Al-10Si-0.3Mg合金）為研究對(duì)象，通過(guò)顯微X射線斷層掃描技術(shù)（X-ray tomography，也稱Computedtomography，CT技術(shù)，分辨率為25 μm）分析了19個(gè)樣品內(nèi)的孔洞特征，并與數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DigitalImage Correlation，DIC）相結(jié)合，系統(tǒng)分析了孔洞特征參量對(duì)局部應(yīng)變的影響，及其與斷裂位置的關(guān)系。

1、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為Al-10Si-0.3Mg合金壓鑄薄板試樣，其厚度為2.5 mm，其化學(xué)成分利用GREEN型電感耦合等離子光譜發(fā)生儀 （ICP）進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 Al-10Si-0.3Mg合金的化學(xué)成分 wB/%

對(duì)合金鑄件進(jìn)行固溶（450 ℃，4 h）+時(shí)效（225 ℃，2 h）處理，之后用線切割加工出如圖1所示的拉伸試樣（共19個(gè)試樣），采用GE v|tome|x s 240&180型CT設(shè)備對(duì)每個(gè)試樣的標(biāo)距段進(jìn)行CT掃描，掃描電壓為160 kV，電流為0.13 mA，分辨率為25 μm，所得的CT數(shù)據(jù)通過(guò)VG studio軟件進(jìn)行后處理。

圖1 拉伸試樣的尺寸

將CT掃描后的試樣長(zhǎng)寬平面噴上白底漆和黑色斑點(diǎn)，得到的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image
Correlation，DIC）試樣如圖2所示。使用INSTRONG型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，拉伸測(cè)試的同時(shí)使用DIC對(duì)噴漆平面進(jìn)行檢測(cè)，使用的檢測(cè)儀器為VIC-3D型非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，拉伸速率為0.8 mm/min，DIC測(cè)試的拍照速率為1張/min。試樣拉斷后用TESCAN VEGA 3型鎢燈絲掃描電子顯微鏡（SEM）二次電子成像的方式對(duì)斷口進(jìn)行掃描，獲取斷口形貌。

圖2 DIC試樣的形貌

2、試驗(yàn)結(jié)果

2.1 CT 結(jié)果的標(biāo)定

CT掃描原理是基于不同密度材料對(duì)X射線吸收能力的不同，孔洞內(nèi)部主要是空氣，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋁合金基體，因此CT掃描能準(zhǔn)確識(shí)別出材料內(nèi)的孔洞。CT圖像中的不同顏色代表孔洞的體積大小。如圖3所示，在試樣標(biāo)距內(nèi)有大量彌散分布的孔洞，主要為數(shù)量較多、尺寸較小的氣孔和數(shù)量較少但體積較大的縮孔。

圖3 15號(hào)試樣中孔洞的CT形貌（A區(qū)域）

由于工業(yè)CT是使用X射線對(duì)樣品進(jìn)行掃描后，再通過(guò)VGstudio軟件進(jìn)行三維重構(gòu)，因此軟件的后處理對(duì)CT結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要影響。后處理軟件中的參數(shù)閾值對(duì)后處理的結(jié)果有著直接影響，選取不同的閾值，會(huì)得到不同的結(jié)果，如圖4所示（所掃描區(qū)域中灰度值大于閾值的部分被認(rèn)為是材料，而低于閾值的部分被認(rèn)為是孔洞，即圖4中的A區(qū)域）。同一個(gè)樣品，當(dāng)選取閾值為6800和6000時(shí)，樣品所得的CT后處理結(jié)果差異明顯，圖4a中，樣品含有大孔洞與小孔洞混合，而圖4b中，樣品沒(méi)有大孔洞且分布均勻。可見(jiàn)，閾值對(duì)CT后處理結(jié)果有顯著影響。

圖4 不同閾值對(duì)標(biāo)距段內(nèi)孔洞CT形貌的影響（15號(hào)樣品）

CT結(jié)果的標(biāo)定是保證其準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，為確保CT數(shù)據(jù)重構(gòu)的孔洞數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，首先，根據(jù)拉伸試樣斷口的SEM形貌確認(rèn)孔洞形貌和分布，在將SEM圖片中的孔洞特征與CT結(jié)果中的斷口處孔洞特征進(jìn)行對(duì)比，然后，調(diào)整CT數(shù)據(jù)的后處理參數(shù)，使斷口處孔洞的CT形貌和分布與SEM的形貌和分布一致，以獲得較為可靠的CT結(jié)果，即孔洞的形貌和分布圖。由于SEM斷口為樣品斷裂時(shí)的一個(gè)崎嶇不平的面，而CT選取部位為一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，因此CT圖像上會(huì)觀察到更多的孔洞。具體如圖5所示，由圖5d中的SEM形貌可看出，試樣斷口上的孔洞主要分為5個(gè)區(qū)域（標(biāo)出部分為孔洞），根據(jù)各個(gè)區(qū)域的孔洞特征調(diào)節(jié)CT后處理參數(shù)，直至CT結(jié)果中各個(gè)區(qū)域的孔洞特征與SEM結(jié)果一致，如圖5c。斷口處缺陷的CT形貌和分布與SEM圖像中的一致，則可認(rèn)為CT結(jié)果準(zhǔn)確有效。因此，采用這種方式對(duì)19個(gè)試樣的CT結(jié)果進(jìn)行了標(biāo)定，以保證CT結(jié)果的可靠性。

圖5 CT結(jié)果標(biāo)定示意圖 （8號(hào)樣品）

2.2 孔洞特征參數(shù)的獲取

基于CT掃描結(jié)果可獲取每個(gè)試樣內(nèi)部每個(gè)孔洞的體積、等效直徑、沿不同方向（沿x、y、z方向）的投影面積及位置（中心坐標(biāo)）等信息。每個(gè)試樣中的孔洞尺寸和分布各不相同，為了定量地研究孔洞的分布特征，將試樣標(biāo)距區(qū)域沿軸向劃分成厚度為1 mm的多個(gè)單元（試樣標(biāo)距段有29 mm，因此可以劃分為29個(gè)單元），可計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)的局部孔隙率，如圖6所示。將試樣內(nèi)部的孔洞沿拉伸方向進(jìn)行投影，獲取每個(gè)孔洞的投影面積，可以得到最大孔洞的投影面積來(lái)表征最大孔洞的尺寸，并計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)所有孔洞沿拉伸方向的投影面積之和，用單元內(nèi)局部孔洞的投影面積之和來(lái)表示局部孔隙率。如圖6所示，單元2中有3個(gè)孔洞，即Va 、Vb 和Vc ，它們沿拉伸方向的投影面積分別為Pa 、Pb 和Pc ，則單元內(nèi)最大孔洞投影面積為Pc ，局部孔隙率為Psum =Pa +Pb +Pc 。在圖7b和c中分別給出了15號(hào)試樣標(biāo)距區(qū)域內(nèi)孔洞最大投影面積Pmax 和局部孔隙率Psum沿軸向的分布曲線。

圖6 孔洞的投影面積獲取方法示意圖

圖7 15號(hào)試樣中孔洞的形貌和分布

2.3 孔洞特征參數(shù)與斷裂位置

為了探明試樣局部孔隙率和試樣內(nèi)部最大孔洞對(duì)試樣斷裂位置的影響，將試樣最大的局部孔隙率和最大孔洞的投影面積與斷口處的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。將每個(gè)試樣斷口處的局部孔隙率與試樣標(biāo)距內(nèi)的局部最高孔隙率進(jìn)行比較，可得到試樣斷口處局部孔隙率與標(biāo)距內(nèi)最高局部孔隙率的關(guān)系，19個(gè)試樣的分析結(jié)果如圖8a所示。將斷口處的最大孔洞投影面積與整體最大孔洞的投影面積進(jìn)行比較，可得到試樣斷口處最大孔洞與試樣內(nèi)部最大孔洞的關(guān)系，19個(gè)試樣的比較結(jié)果如圖8b所示。

圖8a中可看出，19個(gè)樣品中有13個(gè)樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在X=Y的直線上（即對(duì)角線上），表明這13個(gè)樣品的斷口所在單元的局部孔隙率與標(biāo)距內(nèi)的最大局部孔隙率相同，而其余6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)未落在X=Y直線上的點(diǎn)則落在直線X=Y附近，表示這部分樣品的斷裂處的局部孔隙率稍低于標(biāo)距內(nèi)最高孔隙率，但差異較小。可以觀察到，19個(gè)樣品的標(biāo)距內(nèi)最高局部孔隙率與斷口處局部孔隙率之間呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。而圖8b中可以看出，當(dāng)最大孔洞的投影面積>0.4 mm 2 （區(qū)域2）時(shí)，點(diǎn)落在直線X=Y上，標(biāo)距內(nèi)最大孔洞的投影面積與斷口處局部最大孔洞的投影面積呈明顯相關(guān)性，但是當(dāng)樣品內(nèi)部沒(méi)有大孔洞存在時(shí)，即最大孔洞的投影面積<0.4 mm 2時(shí)（區(qū)域1，共12個(gè)試樣），未觀察到明顯的相關(guān)性。而這12個(gè)沒(méi)有大孔洞的樣品（區(qū)域1）中，標(biāo)距內(nèi)最高局部孔隙率與斷口處局部孔隙率之間仍舊呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，如圖8c所示。表明局部孔隙率是決定斷裂位置的關(guān)鍵因素。

圖8 孔洞特征參數(shù)分析（19個(gè)試樣）：標(biāo)距段最高值與斷口值的對(duì)比

3、分析與討論

3.1 最大孔洞尺寸對(duì)斷裂行為的影響

Wood等研究了含大孔洞的壓鑄鎂合金樣品拉伸過(guò)程中的孔洞演變，發(fā)現(xiàn)只有大孔洞發(fā)生了明顯的變形，因此認(rèn)為只有大孔洞才是影響材料斷裂的關(guān)鍵，而總體孔隙率對(duì)斷裂位置沒(méi)有顯著影響。從圖8b可以看出，當(dāng)樣品中最大孔洞的投影面積>0.4 mm 2，最大孔洞是決定材料斷裂位置的關(guān)鍵，然而當(dāng)材料內(nèi)部沒(méi)有大孔洞時(shí)，即最大孔洞的投影面積<0.4 mm 2 時(shí)，最大孔洞與材料的斷裂位置無(wú)關(guān)。但是，對(duì)于只有小尺寸孔洞的樣品，即在沒(méi)有較大孔洞的情況下，樣品發(fā)生的斷裂有區(qū)域內(nèi)部的整體孔隙率決定。圖9a展示了7號(hào)樣品孔洞的CT形貌，A為樣品中的最大尺寸孔洞，其投影面積為0.2 mm 2。拉伸變形過(guò)程中，未在A處發(fā)現(xiàn)應(yīng)變集中，應(yīng)變集中發(fā)生在局部孔隙率最高的B處，如圖9b-d所示，這與Wood的研究相符合。在15號(hào)樣品中，拉伸時(shí)，在A處單元內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變集中，如圖10所示。可以認(rèn)為，含有最大尺寸孔洞A的單元是引起材料斷裂的關(guān)鍵。然而，在單元內(nèi)部，往往大孔洞比其他小孔洞大得多，因此擁有大孔洞的區(qū)域內(nèi)，其整體投影面積的孔隙率也擁有較高水平，如圖10d所示，A處的局部孔隙率也為最大值，所以可認(rèn)為，是最高的局部孔隙率引發(fā)了材料的斷裂。因此，最大的孔洞會(huì)對(duì)材料的斷裂產(chǎn)生一定影響 ，但是卻不是最主要因素，只有當(dāng)材料內(nèi)部擁有大孔洞，即孔洞投影面積超過(guò)0.4 mm 2時(shí)，才會(huì)對(duì)樣品的斷裂產(chǎn)生顯著影響，當(dāng)材料內(nèi)部沒(méi)有大孔洞（投影面積超過(guò)0.4 mm 2）時(shí)，最大的孔洞對(duì)材料斷裂位置的影響較小。

圖9 7號(hào)試樣（最大孔洞的投影面積<0.4 mm 2 ）中局部孔隙率和大尺寸缺陷對(duì)應(yīng)變的影響

圖10 含大孔洞試樣（15號(hào)試樣）孔隙率和最大缺陷對(duì)應(yīng)變的影響

3.2 孔洞位置對(duì)斷裂位置的影響

圖11顯示了9號(hào)樣品中孔洞的CT形貌以及其對(duì)局部應(yīng)變的影響。樣品邊部有大孔洞，即A和C兩處，B處有孔洞團(tuán)簇，如圖11a所示。拉伸過(guò)程中，A、B和C處都產(chǎn)生了較大的變形，即產(chǎn)生應(yīng)變集中，如圖11b所示。隨著拉伸的繼續(xù)，樣品最終斷裂發(fā)生在局部孔隙率最高處。表明樣品大孔洞所在的位置對(duì)樣品的變形也有影響，當(dāng)孔洞的位置在樣品的邊緣時(shí)，則該區(qū)域更容易引起應(yīng)變集中。與Weiler和Wood等人的工作一致，靠近樣品邊緣的孔洞更容易產(chǎn)生大的應(yīng)變。由于孔洞形狀的不規(guī)則性，非常容易在孔洞的尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋。當(dāng)孔洞靠近樣品邊緣，則更加容易產(chǎn)生與邊界相連通的裂紋，則相當(dāng)于在樣品的邊界上形成了缺口，容易造成顯著的應(yīng)力集中，迅速發(fā)生斷裂。因此，當(dāng)樣品的邊緣處存在大孔洞或團(tuán)簇時(shí)，邊緣處的孔洞也會(huì)對(duì)樣品的斷裂有著一定的影響。

圖11 邊部有大孔洞樣品（9號(hào)試樣）孔隙率和最大缺陷對(duì)應(yīng)變的影響

3.3 孔隙率對(duì)斷裂位置的影響

圖8a中，整體最高局部孔隙率與斷口處局部孔隙率之間呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，這表明樣品內(nèi)部的孔洞沿著拉伸方向的投影面積所表示的局部孔隙率是影響材料斷裂位置的最關(guān)鍵因素。圖12顯示了13號(hào)樣品的孔洞形貌、拉伸變形過(guò)程中的應(yīng)變分布和局部孔隙率分布。樣品中，局部孔隙率較高的位置，在拉伸時(shí)局部應(yīng)變水平較高，產(chǎn)生了應(yīng)變集中。這表明局部孔隙率較高的部位更容易發(fā)生變形，最終導(dǎo)致斷裂。局部孔隙率高的部位，材料在拉伸方向上的有效承載面積較小，容易引起應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，而裂紋的擴(kuò)展傾向于連通各個(gè)相近的孔洞。樣品中的裂紋擴(kuò)展傳播的過(guò)程中，各孔洞尖角應(yīng)力集中處產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，位錯(cuò)塞積會(huì)引起應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。變形過(guò)程中，相鄰孔洞之間的間距越小，使得位錯(cuò)轉(zhuǎn)移需要的能量越少，越容易引起應(yīng)變集中，促使萌生和裂紋擴(kuò)展。因此，在拉伸過(guò)程中，局部孔隙率高的部位更容易發(fā)生變形，產(chǎn)生應(yīng)變集中，是引發(fā)材料斷裂的最主要因素。

圖12 含小孔洞試樣（13號(hào)樣品）中局部孔隙率對(duì)應(yīng)變的影響

目前，已有的高壓鑄造商業(yè)軟件，如Magmasoft和Pro-cast，可以預(yù)測(cè)大型壓鑄件內(nèi)的局部孔隙率分布，工程師可以直接根據(jù)局部孔隙率的水平預(yù)測(cè)使役條件下鑄件的斷裂位置，并優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)，控制鑄件內(nèi)局部孔隙率的分布，避免鑄件在關(guān)鍵部位出現(xiàn)斷裂，提高鑄件的使役性能。　

4、結(jié)論

（1）壓鑄鋁合金中的孔洞會(huì)減小有效承載面積，引起應(yīng)變集中。孔洞的各種特征參量，包括局部孔隙率、最大孔洞的尺寸和孔洞位置，均會(huì)影響局部應(yīng)變的分布，進(jìn)而影響斷裂位置。

（2）大孔洞尺寸對(duì)斷裂位置有顯著影響。當(dāng)樣品內(nèi)部大孔洞的投影面積>0.4 mm 2 ，斷裂會(huì)發(fā)生在最大孔洞處，但是當(dāng)樣品內(nèi)部全是小孔洞時(shí)（最大孔洞的投影面積<0.4 mm 2），樣品的斷裂位置與最大的孔洞沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

（3）孔洞位置對(duì)應(yīng)變集中和斷裂位置有顯著影響。靠近樣品邊緣處的大孔洞或孔洞團(tuán)簇，容易引起應(yīng)變集中，誘發(fā)斷裂。雖然最大孔洞尺寸和孔洞位置對(duì)應(yīng)變集中和斷裂位置有影響，但CT分析結(jié)果表明（19個(gè)試樣），斷裂主要發(fā)生在局部孔隙率最大處或接近最大值處，表明局部孔隙率是決定斷裂位置的主導(dǎo)因素。

（4）可以通過(guò)優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)，控制鑄件內(nèi)局部孔隙率的分布，避免鑄件在關(guān)鍵部位出現(xiàn)斷裂，提高鑄件的使役性能。

作者：
夏利紅
重慶工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院

本文來(lái)自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷