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Al-Si合金因其良好的鑄造性能和力學性能，被廣泛用于制造汽車、軌道交通及航空航天等領域的零部件，在其服役環境下可能會承受循環載荷作用，因此這類鋁合金鑄件的疲勞性能十分重要。但鋁合金鑄件疲勞性能受諸多因素影響，GERBE S等發現鑄造鋁合金組織的二次枝晶臂間距（SDAS）值越大，疲勞性能越低。由于鋁合金不可避免地存在鑄造缺陷（如縮孔、氣孔、氧化膜等），關于鋁合金各種性能的研究眾多。一般認為鑄造缺陷的尺寸越大，鑄件的疲勞性能越差。

鋁合金的(de)(de)鑄(zhu)(zhu)造(zao)缺陷一(yi)般通(tong)過優(you)化鑄(zhu)(zhu)造(zao)工藝來消除。鋁合金半(ban)(ban)固(gu)態(tai)成(cheng)(cheng)形(xing)技術材料利(li)用(yong)率高(gao)、成(cheng)(cheng)形(xing)效率高(gao)，且(qie)可以生產出高(gao)性(xing)能且(qie)形(xing)狀復雜的(de)(de)零件(jian)(jian)，能有(you)(you)效地降低生產成(cheng)(cheng)本。同(tong)時半(ban)(ban)固(gu)態(tai)壓鑄(zhu)(zhu)件(jian)(jian)的(de)(de)致(zhi)密性(xing)好、組(zu)織(zhi)均勻，且(qie)沒有(you)(you)普(pu)通(tong)鑄(zhu)(zhu)件(jian)(jian)中(zhong)存在的(de)(de)粗(cu)大枝(zhi)晶組(zu)織(zhi)，擁有(you)(you)良好的(de)(de)力(li)學(xue)性(xing)能。本課(ke)題(ti)分別采(cai)用(yong)常規壓鑄(zhu)(zhu)及半(ban)(ban)固(gu)態(tai)壓鑄(zhu)(zhu)方(fang)(fang)法制備ZL114A鋁合金疲(pi)勞(lao)試樣(yang)，通(tong)過高(gao)周疲(pi)勞(lao)試驗(yan)對比(bi)不同(tong)工藝成(cheng)(cheng)形(xing)的(de)(de)鑄(zhu)(zhu)件(jian)(jian)疲(pi)勞(lao)性(xing)能差異(yi)。對疲(pi)勞(lao)試樣(yang)進行斷口觀察(cha)和分析，探索成(cheng)(cheng)形(xing)方(fang)(fang)式以及缺陷與壓鑄(zhu)(zhu)試樣(yang)疲(pi)勞(lao)性(xing)能之間的(de)(de)關系，為(wei)研究高(gao)疲(pi)勞(lao)性(xing)能鋁合金件(jian)(jian)壓鑄(zhu)(zhu)工藝提供參考(kao)。

表1 ZL114A合(he)金的化學成分（%）

先在(zai)電(dian)磁(ci)攪拌(ban)爐中(zhong)石墨坩堝(guo)里將(jiang)約8kg的(de)(de)(de)ZL114A鋁錠熔化，升溫至700℃，保溫30min，然后(hou)向熔體中(zhong)通(tong)入氬氣精煉10min，除氣扒渣后(hou)靜置，在(zai)670℃澆(jiao)注壓(ya)鑄(zhu)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)。在(zai)605℃下進(jin)行(xing)電(dian)磁(ci)攪拌(ban)，頻(pin)率(lv)為(wei)(wei)5Hz，時(shi)間為(wei)(wei)60s，功(gong)率(lv)為(wei)(wei)3kW，制備半(ban)固態漿料并(bing)壓(ya)鑄(zhu)。壓(ya)鑄(zhu)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)為(wei)(wei)圓形試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)，具體尺寸見圖1。將(jiang)制得的(de)(de)(de)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)依GB/T3075-2008的(de)(de)(de)要求(qiu)進(jin)行(xing)機加工，將(jiang)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)表面拋(pao)光(guang)至Ra0.2，隨(sui)后(hou)按(an)數(shu)字(zi)編(bian)號，用(yong)排水(shui)法測(ce)(ce)量試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)密度。使用(yong)PLG-100高頻(pin)共振疲勞機進(jin)行(xing)軸向疲勞試(shi)(shi)(shi)驗，應(ying)力比R=0.1。設(she)定4個應(ying)力水(shui)平（應(ying)力級(ji)），分別(bie)為(wei)(wei)70、80、90、100 MPa，每個應(ying)力級(ji)取6根試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)。采用(yong)VHX-1000超景(jing)深顯微鏡以及Inspect F50掃描電(dian)鏡對疲勞試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)斷(duan)口進(jin)行(xing)分析(xi)，并(bing)在(zai)疲勞試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)斷(duan)口附近(jin)取一(yi)截面拋(pao)光(guang)、腐蝕后(hou)，進(jin)行(xing)金相(xiang)組織觀(guan)察和拍攝(she)。通(tong)過超景(jing)深顯微鏡測(ce)(ce)定缺陷區(qu)域的(de)(de)(de)周長和面積(ji)，以計(ji)(ji)算(suan)缺陷區(qu)域的(de)(de)(de)平均等效直徑，其計(ji)(ji)算(suan)公式為(wei)(wei)：

圖(tu)2 液態(tai)壓鑄試(shi)樣疲勞試(shi)驗(yan)結果

圖3 半固態壓鑄試樣(yang)疲(pi)勞(lao)試驗結(jie)果

圖(tu)4 疲勞(lao)試樣密度(du)與裂紋源缺(que)陷(xian)平均(jun)等(deng)效直徑(jing)的關(guan)系(xi)

圖5 液態壓鑄(zhu)試樣密度與疲勞壽命的關(guan)系

圖6 半(ban)固態壓鑄試(shi)樣密度與疲勞壽命(ming)的關系

表2 半固(gu)態(tai)壓鑄(zhu)件各(ge)應力(li)下密(mi)度與(yu)疲(pi)勞壽命(ming) 回歸分析結(jie)果

兩批(pi)試樣典(dian)型宏觀疲勞斷口(kou)形貌見(jian)圖(tu)(tu)9。近斷口(kou)截面缺(que)陷見(jian)圖(tu)(tu)10。從(cong)圖(tu)(tu)9a可(ke)以(yi)(yi)看出(chu)，液態壓鑄(zhu)(zhu)試樣的(de)(de)斷口(kou)除了中(zhong)心(xin)縮松區(qu)域以(yi)(yi)外裂紋(wen)(wen)擴展區(qu)以(yi)(yi)及瞬斷區(qu)出(chu)現(xian)了大(da)量的(de)(de)氣孔(kong)(kong)。從(cong)圖(tu)(tu)10a也可(ke)以(yi)(yi)看出(chu)，近斷口(kou)截面有大(da)量氣孔(kong)(kong)彌散分布，同時存在(zai)尺寸較大(da)的(de)(de)氣縮孔(kong)(kong)。從(cong)圖(tu)(tu)9b可(ke)以(yi)(yi)看出(chu)，半固態壓鑄(zhu)(zhu)件(jian)的(de)(de)斷口(kou)形貌除中(zhong)間大(da)孔(kong)(kong)外，孔(kong)(kong)洞(dong)很(hen)少，且靠近心(xin)部，而圖(tu)(tu)10b也反映孔(kong)(kong)洞(dong)集(ji)中(zhong)在(zai)中(zhong)部這一(yi)規律(lv)。值(zhi)得(de)注意的(de)(de)是(shi)，與圖(tu)(tu)9b斷口(kou)形貌上的(de)(de)中(zhong)間大(da)孔(kong)(kong)相比，斷面上的(de)(de)孔(kong)(kong)要小得(de)多。因此(ci)推(tui)測(ce)孔(kong)(kong)洞(dong)在(zai)三維上可(ke)能(neng)是(shi)互(hu)通或(huo)位置非常接近的(de)(de)，這樣裂紋(wen)(wen)源(yuan)孔(kong)(kong)洞(dong)在(zai)初始擴展階段合(he)并周圍的(de)(de)小孔(kong)(kong)最終形成一(yi)個大(da)孔(kong)(kong)裂紋(wen)(wen)源(yuan)。

圖(tu)7 液(ye)態壓鑄(zhu)試樣裂紋(wen)源(yuan)缺陷平均等效(xiao)直徑和疲勞壽命

圖8 半固態壓鑄試樣裂紋源缺(que)陷平均(jun)等效直徑和(he)疲勞(lao)壽(shou)命

圖9 不(bu)同工(gong)藝疲勞試樣典(dian)型斷口形貌

圖(tu)10 不同工藝(yi)疲勞試樣(yang)近斷口截(jie)面缺陷(xian)圖(tu)

圖(tu)11 不(bu)同工藝疲勞(lao)試(shi)樣(yang)近斷口(kou)組(zu)織形貌

（1）與液態壓(ya)鑄(zhu)相比，半固態壓(ya)鑄(zhu)的ZL114A鋁(lv)合金試樣疲勞性能總體更高并且更加穩定。半固態壓(ya)鑄(zhu)ZL114A鋁(lv)合金試樣在密(mi)度大于(yu)2.62g/cm3時，疲勞性能表現良好，在70MPa應力下，疲勞壽命可達107次(ci)。

（2）半固態(tai)壓鑄試(shi)(shi)樣的疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)與密(mi)度成正比。試(shi)(shi)樣密(mi)度越(yue)高(gao)，試(shi)(shi)樣的疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)越(yue)高(gao)。液(ye)態(tai)壓鑄試(shi)(shi)樣的疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)主(zhu)要(yao)受孔(kong)洞(dong)尺寸影響，孔(kong)洞(dong)尺寸越(yue)大，疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)越(yue)低。

（3）液態壓(ya)鑄(zhu)試樣(yang)整(zheng)個截面均有孔洞(dong)，裂(lie)紋(wen)萌(meng)生于(yu)大的(de)氣縮孔，半固態壓(ya)鑄(zhu)試樣(yang)的(de)孔洞(dong)集中在中心(xin)附近(jin)，裂(lie)紋(wen)萌(meng)生源傾向(xiang)于(yu)中心(xin)縮松多(duo)孔的(de)綜(zong)合作用。