ZL101A鋁合金具有優(yōu)良的鑄造性能、力學(xué)性能、耐腐蝕性能和焊接性能等優(yōu)點(diǎn),是一種可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的Al－Si－Mg系鑄造鋁合金,可通過合金化來提高其力學(xué)性能,其在承壓殼體鑄造中應(yīng)用廣泛[1－3]。采用砂型、金屬型和熔模鑄造等工藝可以將ZL101A鋁合金制造成形狀復(fù)雜、氣密性好的零部件,在實際制造過程中,ZL101A鋁合金會產(chǎn)生縮松、縮孔、冷隔、氣孔、針孔、夾雜等缺陷,這些缺陷降低了鑄件產(chǎn)品的安全性能,其中縮松、縮孔和冷隔缺陷是誘發(fā)產(chǎn)品失效的關(guān)鍵因素[4]。 

某批次ZL101A鋁合金拉伸試樣在進(jìn)行拉伸試驗時,發(fā)現(xiàn)試樣1,3,4斷口出現(xiàn)縮孔缺陷,其中試樣1存在較嚴(yán)重的縮松缺陷。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了拉伸斷口縮松缺陷產(chǎn)生的原因及其與力學(xué)性能之間的關(guān)系,以便找出兩者之間的相關(guān)規(guī)律,從而避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

ZL101A鋁合金拉伸試樣斷口的宏觀形貌如圖1所示,斷面上分布有灰黑色和聚集性的亮斑縮松區(qū)域,斷面上的縮松缺陷整體呈海綿狀分布。 

圖  1  ZL101A鋁合金拉伸試樣斷口的宏觀形貌

1.2   X射線檢測

采用X射線數(shù)學(xué)成像檢測(DR)方法對拉伸試樣進(jìn)行檢測,結(jié)果如圖2所示,縮松缺陷沿軸向分布并具有一定長度,其形態(tài)屬于體積型缺陷。 

圖  2  拉伸試樣的X射線檢測分析結(jié)果

1.3   金相檢驗

圖3為ZL101A－T6鋁合金正常顯微組織形貌,ZL101A鋁合金正常顯微組織由灰白色基體α固溶體和深灰色共晶硅組成[5],灰白色基體α固溶體呈樹枝狀分布,共晶硅組織呈小顆粒和小條狀分布,小條狀共晶硅細(xì)小,整個組織均勻。 

圖  3  ZL101A－T6鋁合金正常顯微組織形貌

含有縮松缺陷的拉伸試樣顯微組織形貌如圖4所示,可見共晶硅組織比較粗大,基本連續(xù)分布在初生α－Al 相上,在縮松缺陷附近可見α－Al相,且具有大量夾雜物。 

圖  4  含有縮松缺陷的拉伸試樣顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

利用掃描電鏡對ZL101A鋁合金拉伸試樣斷口進(jìn)行分析,無缺陷試樣的斷口SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：斷口呈準(zhǔn)解理形貌特征,可見舌狀花樣、韌窩和撕裂棱等[3]。 

圖  5  無缺陷試樣的斷口SEM形貌

含有縮松缺陷的拉伸試樣斷口SEM形貌如圖6所示。由圖6可知：斷口表面存在大量裂紋、孔洞,以及少量淺而小的韌窩,試樣斷口呈脆性和塑性混合斷裂特征；斷口存在大量枝晶,枝晶間和枝晶表面分布有大量Al2O3晶須,部分Al2O3呈花瓣狀；縮松缺陷呈光滑狀形貌,類似葡萄狀,且縮松壁伴有微裂紋。 

圖  6  含有縮松缺陷的拉伸試樣斷口SEM形貌

利用能譜分析儀對含有縮松缺陷的拉伸試樣斷口進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：區(qū)域1主要含有O、Al、Si等元素,O、Al、Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為68.39%,27.53%,4.07%,為Al2O3晶體；區(qū)域2主要含有O、Al等元素,O、Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35.87%,64.13%,主要為Al基體和氧化物。 

1.5   力學(xué)性能測試

ZL101A鋁合金的力學(xué)性能與材料內(nèi)部缺陷有關(guān)[6]。在室溫條件下,依據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》,對該批次正常ZL101A鋁合金試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試[7],結(jié)果如表1所示。 

圖  7  含有縮松缺陷的拉伸試樣斷口能譜分析結(jié)果

采用最小二乘法對抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率與縮松缺陷面積占比率進(jìn)行擬合,擬合曲線如圖8所示。由圖8可知：隨著斷口縮松缺陷面積的增加,ZL101A鋁合金的力學(xué)性能整體呈下降趨勢,其中最小抗拉強(qiáng)度為112 MPa,最小斷后伸長率為0.5%,遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。 

圖  8  抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率與縮松缺陷面積占比率的擬合曲線

2.   綜合分析

鋁金屬液凝固過程中形成骨架狀結(jié)構(gòu),未凝固金屬液形成孤立小熔池,熔池內(nèi)的鋁液凝固收縮,使體積虧損得不到補(bǔ)縮,最終形成縮松缺陷[8]。在縮松缺陷周圍主要為α－Al相,由于初生α－Al結(jié)晶與共晶硅凝固的時間不同,初生α－Al結(jié)晶后,晶界上殘留有少量氣孔,在發(fā)生共晶反應(yīng)后,氣孔留在α－Al與共晶硅的界面上,最終因冷卻不當(dāng)形成縮松缺陷[9]。 

缺陷試樣斷口呈脆性和塑性混合斷口形貌,斷口表面存在孔洞、裂紋和少量較淺而小的韌窩?？s松缺陷中分布有枝晶,枝晶處有較多Al2O3晶須析出,呈花瓣狀,嚴(yán)重降低了組織結(jié)構(gòu)的致密性。斷口處的孔洞、枝晶和Al2O3晶須降低了試樣的有效承載面積,因此在小載荷的作用下試樣就會發(fā)生斷裂。 

拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度與縮松缺陷面積占比率的擬合曲線存在下降平緩區(qū),斷后伸長率與縮松缺陷面積占比率的擬合曲線呈線性變化。當(dāng)縮松缺陷面積占比率小于10%時,材料的抗拉強(qiáng)度明顯降低,試樣對小缺口影響敏感,縮松缺陷誘發(fā)缺口效應(yīng),抗拉強(qiáng)度下降較為明顯；當(dāng)縮松缺陷面積占比率為10%～43%時,缺陷對抗拉強(qiáng)度的影響趨于平緩,因為試樣縮松缺口效應(yīng)敏感程度趨于穩(wěn)定；當(dāng)縮松缺陷面積占比率大于43%時,斷口處的大面積縮松破壞了材料的組織結(jié)構(gòu),使材料的力學(xué)性能發(fā)生劣化,抗拉強(qiáng)度降低明顯。當(dāng)縮松缺陷面積占比率小于10%時,試樣的缺陷面積與斷后伸長率的關(guān)系呈分散性,隨著缺陷面積增大,斷后伸長率整體呈線性下降趨勢。當(dāng)縮松缺陷面積占比率大于6%時,試樣的斷后伸長率與缺陷面積的線性關(guān)系明顯,隨缺陷面積的增大,斷后伸長率迅速降低。 

3.   結(jié)論

在鑄造過程中,ZL101A鋁合金局部得不到及時補(bǔ)縮,金屬液在凝固過程收縮不一致,因此材料產(chǎn)生了縮松缺陷；縮松缺陷嚴(yán)重降低了ZL101A鋁合金材料的力學(xué)性能,使試樣在較小的載荷下發(fā)生斷裂。隨著縮松缺陷面積的增大,試樣的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均呈下降趨勢。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)