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针对实际ADC1压铸件疲劳失效,对不同部位的断口进行切割取样,利用扫描电镜和能谱仪观察与分析了断口的表面形貌与特征,探讨了该压铸件断裂疲劳失效的起因,分析和探讨了孔洞和氧化膜在铸件疲劳失效过程中的作用。结果表明,铸件表面附近尺寸较大的孔洞和内部大面积氧化膜的聚集是铸件疲劳失效的起因。铸件中孔洞越靠近边缘、尺寸越大,越容易导致铸件的失效。大面积氧化膜直接降低了铸件基体的连续性,在载荷的作用下,易形成应力集中产生裂纹,导致断裂失效的发生。
由于压铸铝合金具有较高的比强度和良好的铸造性能以及优良的导电导热性能,被越来越广泛的应用于汽车、航空航天和电子等工业领域。但由于工艺设计与生产控制不当,压铸件中的缺陷会对铸件的使用寿命产生一定的影响,可能导致铸件的过早失效。铸件断裂失效行为与原因一直以来都是研究者高度关注的问题，此外,研究压铸件的失效也可以为制定合格的压铸标准提供依据。
本课题以实际的压铸失效件为对象,采用扫描电子显微技术对断口进行分析,研究其断裂失效的原因,找到其失效的根源,以期为生产中得到高品质的零件提供一些借鉴。
1 失效的压铸件
铝合金压铸零件采用的材料是ADC1,采用ARL4460直读光谱仪分析得到的化学成分见表1。压铸机型号为TOYO500,零件的外径为180 mm,高度为73 mm,壁厚为2～ 18 mm,质量为1 120 g,压铸工艺参数见表2。此零件是应用于高速列车制动装置上的中气室,为了保证其使用的安全性,在欧洲进行了水压试验,把此零件放入圆柱形的容器内,并用夹具夹住,用水压反复冲击其表面,结果导致在没有达到其服役应力的条件下而失效。图1是疲劳失效后的零件。
2 试验方法
用线切割的方法把疲劳失效后的零件(见图1)上部断口分割成8小块,即为试样1～ 8,切割后的铸件与试样见图2。在超声波中用丙酮对这8个试样分别清洗1～ 2 min,去除表面线切割产生的污渍。再放入清水中冲洗残余的丙酮,后用吹风机立即吹干,防止氧化。用脱水棉包裹住小试样后放入对应编号的试样袋中,带到电镜室,放入型号为FEIQuanta200的环境扫描电子显微镜中观察并进行能谱分析。
3 试验结果及分析
通过在低倍扫描电镜下观察,只有试样7的断口形貌和其他试样的断裂方式不同,其余试样的断裂形貌基本相同。该 压铸件失效的两种方式分述如下。
3.1 孔洞引起的断裂失效图3给出了试样8的低倍扫描断口。由图3可以清晰地观察到断口处存在着两个明显不同的区域。区域1近似椭圆的形状,表面平整而且光滑,在这一区域内能够看到近似沙滩的花样,同时也能够看到一些放射状的线条,这些线条的反向结合点便是断裂的起源点。区域2的表面和区域1的表面有明显的差别,比较粗糙和灰暗,可以得出区域2是断裂的快速扩展区,其扩展方向的条纹在图3中也是清晰可见的。由于区域1占据了整个断裂面积的20%左右,因此表明,断裂的初始阶段在零件的整个失效的过程中起着相当重要的作用,当裂纹达到一定的长度时,在载荷的作用下,裂纹尖端的应力场强度因子KI超过材料的断裂韧度KIC时,裂纹便在区域2中发生了失稳快速扩展,导致材料的断裂。
对以第1种方式断裂的试样的外边缘进行SEM观察,发现几乎所有的试样在其外边缘处均存在尺寸大小不一的孔洞缺陷。图4给出了试样3边缘处的断口扫描形貌,表明断裂起源于边缘处的孔洞。本研究中,在试样3的边缘处能够清晰地观察到一个较大的孔洞(图4箭头所示),此孔洞不仅直接减少了铸件的有效承载面积,使材料的强度下降,而且在局部产生应力集中。由于孔洞的尺寸越大,在铸件中产生的应力集中将会越大,越易导致材料的断裂,因此,可以认为该孔洞是此处疲劳裂纹的起源。刘文辉等基于ANSYS软件,模拟了孔洞对AZ91D 压铸件静载拉伸性能的影响,进行了试验对照,定性地指出孔洞尺寸越大,铸件中的应力集中将会越大。上述研究表明,边缘处存在的大尺寸孔洞不仅是静载拉伸裂纹,且是疲劳裂纹的主要起因。同时在边缘处也能够观察到其他的小尺寸孔洞,但是这些小孔洞并不能成为断裂的起源,其只对裂纹的扩展过程起着加速的作用。因此,在第1种断裂方式中,并不是每一个孔洞都是裂纹的起源点,只有孔洞的尺寸达到一定的长度后才能作为起始裂纹的起源点。You等和Avalle等研究也表明,疲劳裂纹的起源点易于在铸件的表面形成,疲劳性能不仅取决于孔洞缺陷的尺寸而且依赖于缺陷距离零件表面的距离。所以,边缘处孔洞的存在是导致零件过早失效的原因,其中,较大尺寸的孔洞是裂纹的起源。
由于在 压铸过程中,液态金属以很高的速度充填型腔,金属流体呈现紊流状态,易产生气体卷入而形成孔洞缺陷,从而导致孔洞的存在不可避免。因此,在实际的 压铸生产中,不可能完全消除孔洞的存在,宜通过提高压射比压,采用抽真空或者局部增压工艺和合理的选择压射速度等措施,来减少孔洞的存在和降低孔洞的尺寸,从而提高铸件的使用性能。
3.2 氧化膜引起的断裂失效
图5是试样7的断口扫描图。从图5中可以看到一个比较大的平滑区域,其周围凸凹不平,并且也能够清楚地看到断裂的扩展方向是从平滑区向四周发散的,由此可以得出断裂的起始部位是从平滑区开始的,铸件的断裂必然是因这个平滑区的存在而引起的,同时,从断口的表面上看,此处是一个脆性断裂。
对平滑区局部不同的区域进行能谱(EDS)分析,图6给出了试样7的断口平滑区(图5的矩形区域)的EDS分析结果。结果显示,此平滑区局部不同的区域均含有C、O、Al、Si、Cu和Fe等元素,其中O含量(质量分数)达到14%～ 15%,因此平滑区是一块较大的氧化膜聚集区。由J.Campell理论得知,当铝液以紊流态充型时,金属液之间的碰撞就会使其表面的氧化膜折叠破碎而脱离,这种脱离掉的氧化膜容易在受到载荷的作用时,作为裂纹形核的核心,从而严重影响材料的性能。对于此 压铸件,由于铝液的充型速度比较大,充型过程必然以紊流的形式,形成双膜(bi-film)缺陷,进而在铸件内部存在微裂纹。在载荷的作用下,由于氧化膜与基体的弹性性能有较大的差别,并且氧化膜与基体界面是非润湿的状态,在氧化物的周围产生愈来愈大的应力集中,易产生裂纹。由于试样7断口存在一个氧化膜的集聚区,在 压铸件疲劳试验的过程中,随着变形的不断增大,该尺寸较大的氧化膜产生较大的裂纹,形成断裂的主裂纹。在载荷的不断作用下,与其他方向的显微裂纹结合到一起,加速断裂的进程,形成放射状断口(图5箭头所示),最终致使铸件失效。
试样7断口处正如前述所指出,裂纹达到一定程度才能失效,并且氧化膜的尺寸越大,越易产生断裂的裂纹,导致铸件的疲劳失效。研究表明,氧化膜的大小受到合金成分和铝液碰撞速度因素的影响[14,15]。因此,在实际的 生产中,可通过 压铸合金成分优化、选择合适的压射速度和 模具设计等措施来消除和减少氧化膜的卷入,提高铸件使用性能。
4 结论
(1)铸件中孔洞和氧化膜的存在是导致疲劳失效的主要起因。
(2)尺寸较大的孔洞和大面积氧化膜聚集是铸件受到载荷作用时产生裂纹源的主要因素。铸件中孔洞越靠近边缘、尺寸越大,越容易导致铸件的失效。大面积氧化膜直接降低了铸件基体的连续性,在载荷的作用下,易形成应力集中产生裂纹,导致断裂失效的发生。 |
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