摘要：對比研究了液態壓鑄和半固態流變壓鑄對ZL114A鋁合金件疲勞性能的影響。結果表明，半固態流變壓鑄件相較于傳統液態壓鑄件疲勞性能更好而且更穩定。液態壓鑄件的疲勞壽命主要受孔洞尺寸影響，孔洞尺寸越大，疲勞壽命越低。半固態壓鑄件的疲勞壽命主要受密度（孔隙率）影響，與密度成正比。半固態壓鑄ZL114A鋁合金壓鑄試樣在密度大于2.62 g/cm³時，疲勞性能表現良好。在70 MPa應力下，疲勞壽命可達10⁷次。液態壓鑄件裂紋萌生于大的氣縮孔，半固態壓鑄件的裂紋萌生源傾向于中心縮松多孔的綜合作用。

鋁硅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，Sascha Gerbe等發現鑄造鋁合金組織的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)，對其與鋁合金各種性能的相關研究眾多。一般認為鑄造缺陷的尺寸越大，鑄件的疲勞性能越差。Seniw等認為鑄造缺陷的尺寸相近時，位置越接近于鑄件表面，對鑄件的疲勞性能損害越大。Benahmed等發現復雜的缺陷形狀對鑄件疲勞性能影響更大。

鋁合金的鑄造缺陷一般通過鑄造工藝來控制。鋁合金半固態成形技術是一種近凈成形的鑄造技術，其優點為材料利用率高，成形效率高，且可以生產出高性能形狀復雜的零件，能有效的降低生產成本。同時半固態壓鑄件的致密性好、組織均勻，且沒有普通鑄件中存在的粗大枝晶，擁有良好的力學性能。Yong X G等研究發現，半固態A357鋁合金在T6固態鑄件細小的晶粒提高了鑄件強度。但關于成形方式、缺陷與鋁合金疲勞性能的關系缺乏系統研究。本課題分別采用常規液態壓鑄及半固態壓鑄方法制取ZL114A鋁合金疲勞試樣，通過高周疲勞試驗對比不同工藝成形的鑄件疲勞性能差異。使用掃描電鏡對疲勞試樣進行斷口觀察，進行綜合分析，探索成形方式以及缺陷與壓鑄試樣疲勞性能之間的關系。為研究高疲勞性能鋁合金件壓鑄工藝提供參考。

1、試驗材料與方法

本試驗所采用的為ZL114A鋁合金，其成分見表1。試驗采用EMS-05SM 型可控溫型電磁攪拌爐進行漿料制備，壓鑄機為DCC-280臥式冷室壓鑄機。

表1：ZL114A合金的化學成分  wb/%

試驗時先在電磁攪拌爐中石墨坩堝里將大約8 kg ZL114A鋁錠熔化，升溫至700 ℃，保溫30 min，然后向熔體中通入氬氣精煉約10 min，除氣扒渣，靜置熔體。在670 ℃制取液態壓鑄試樣。在605 ℃下制取電磁攪拌半固態壓鑄試樣，其中電磁攪拌頻率恒定為5 Hz，電磁攪拌時間為60 s，電磁攪拌功率為3 kW。壓鑄試樣為圓形橫截面試樣，具體尺寸見圖1。將制得試樣依標準GB/T3075-2008的表面質量要求進行機加工，將試樣表面拋光至粗糙度Ra0.2。將試樣按數字編號，用排水法測量所有試樣的密度。使用PLG-100高頻共振疲勞機進行軸向疲勞試驗，應力比為R=0.1。設定4個應力水平（應力級），分別為70、80、90、100 MPa，每個應力級6根試樣。采用超景深顯微鏡以及掃描電鏡對疲勞試樣斷口進行分析。并在疲勞試樣斷口附近取一截面拋光、腐蝕后，進行金相組織觀察和拍攝。通過超景深顯微鏡測定缺陷區域的周長和面積，以計算缺陷區域的平均等效直徑，其計算公式為
D=2(A/π) ^1/2   (1)
式中，D為平均等效直徑；A為面積

圖1：疲勞試驗用壓鑄試樣尺寸

2、試驗結果與討論

2.1 鋁合金ZL114A壓鑄件的疲勞性能

圖2：液態壓鑄試樣疲勞試驗結果

圖3：半固態壓鑄試樣疲勞試驗結果

液態和半固態壓鑄試樣的疲勞試驗結果如圖2和圖3。可以看出兩組數據在每個應力級上均有較大的離散度。但對比可以明顯看出總體上半固態壓鑄試樣的離散程度明顯小于液態壓鑄試樣。液態壓鑄試樣的疲勞壽命在80 MPa和90 MPa應力級上呈現了極大的離散度。在100 MPa應力級上，可以明顯看出液態壓鑄試樣的疲勞壽命在100 000次附近明顯低于半固態壓鑄試樣的400 000次。在其他應力級對比不明顯的情況下，這能夠在一定程度上反映出半固態壓鑄試樣的疲勞強度優于液態壓鑄試樣。

圖4：疲勞試樣密度與裂紋源缺陷平均等效直徑的關系

兩批試樣的密度與裂紋源缺陷尺寸的關系見圖4。液態壓鑄試樣的平均密度為2.598 g/cm³，半固態壓鑄試樣的平均密度為2.616 g/cm³。可以看出液態壓鑄試樣的密度相較于半固態壓鑄試樣更為離散，液態壓鑄試樣的密度區間為2.563 ~2.631g/cm³,半固態壓鑄試樣的密度區間為2.588 ~2.659 g/cm³。兩批試樣的裂紋源缺陷平均等效直徑均有較大波動，但半固態壓鑄試樣的總體偏低。

2.2 鋁合金ZL114A壓鑄件密度對疲勞性能的影響

圖5：液態壓鑄試樣密度與疲勞壽命

圖6：半固態壓鑄試樣密度與疲勞壽命

兩批試樣的疲勞壽命與試樣密度的關系見圖5和圖6。從圖6可以看出半固態壓鑄試樣在密度大于2.62 g/cm³時, 各應力級下均表現出較好的疲勞性能。在70 MPa應力級下，疲勞壽命可達10⁷次。液態壓鑄試樣密度與疲勞壽命在各應力級的相關性均很弱，而半固態壓鑄試樣的4個應力級均呈現出極強的正相關，對各應力級下數據分別進行線性擬合，擬合方程為S=aρ+C,其中，S為疲勞壽命，ρ為鑄件密度，a和C為擬合系數，r為線性相關系數，r2越接近1表明變量之間的相關程度越高，其線性擬合結果見表2。

結合圖6和表2可以看到，半固態壓鑄試樣表現為密度越大疲勞性能越好，而密度的大小在一定程度上能反應壓鑄試樣的致密程度。隨著應力級的增大，其線性回歸方程的斜率變小，可能原因為高應力級下，材料本身的性能更多地影響了試樣的疲勞性能。

表2：半固態壓鑄件各應力級下密度與疲勞壽命一元線性回歸分析結果

2.3 鋁合金ZL114A壓鑄件缺陷對疲勞性能的影響

圖7：液態壓鑄試樣裂紋源缺陷平均等效直徑VS疲勞壽命

圖8：半固態壓鑄試樣裂紋源缺陷平均等效直徑VS疲勞壽命

兩批試樣的疲勞壽命與裂紋源缺陷尺寸的關系見圖7和圖8。可以看出，液態壓鑄試樣表現為裂紋源缺陷的尺寸越小，試樣的疲勞性能越好，而半固態壓鑄試樣隨缺陷尺寸的變化規律卻不明顯。僅在80MPa 應力級上表現為缺陷尺寸越小，試樣的疲勞性能越好。

圖9：不同工藝疲勞試樣典型斷口形貌：(a)液態壓鑄；（b）半固態壓鑄

兩批試樣典型低倍疲勞斷口形貌見圖9。近斷口截面缺陷圖見圖10。從圖9a可以看出液態壓鑄試樣的斷口除了中心縮松區域以外裂紋擴展區以及瞬斷區出現了大量的氣孔。在圖10a上也可以看出近斷口截面大量氣孔彌散分布，同時存在尺寸較大的氣縮孔。從圖9b可以看出，半固態壓鑄件的斷口形貌除中間大孔外，孔洞很少，且靠近心部，而圖10b也反映孔洞集中在中部這一規律。但值得注意的是，與圖9b斷口形貌上的中間大孔相比，斷面上的孔要小得多。因此推測孔洞在三維上可能是互通或位置非常接近的，這樣裂紋源孔洞在初始擴展階段合并周圍的小孔最終形成一個大孔裂紋源。

液態溫度下鋁合金的充型相對不穩定，容易形成紊流，從而卷集空氣進入金屬液中，若不能及時排出則會留下氣孔，同時，金屬漿料在制備和轉移的過程中會溶解一定氫氣，在鑄型型腔中凝固時又會析出，這種形式產生的氣孔多在整個截面彌散分布。位于裂紋擴展區的大量氣孔，在一定程度上會加速裂紋擴展，導致鑄件的疲勞性能下降。同時液態溫度下，金屬在凝固過程中，溫度變化更大，鑄件最后凝固的部位更容易出現尺寸較大的縮孔和縮松。半固態溫度下鋁合金漿料的粘度顯著提高，充型方式則為平穩的層流充填，充型過程減少了空氣的卷入，同時更低的溫度也降低了氫氣的溶解和漿料的收縮，使得半固態試樣的缺陷主要集中在最后凝固的試樣截面中心部位，且缺陷尺寸比液態壓鑄試樣更小，見圖10b。

圖10：不同工藝疲勞試樣近斷口截面缺陷圖：(a)液態壓鑄；（b）半固態壓鑄

由圖5和圖6可知，液態壓鑄試樣密度和疲勞強度的相關性很弱，而半固態壓鑄試樣的疲勞強度受密度影響顯著。密度的大小在一定程度上反映壓鑄試樣的致密程度。密度越高試樣的孔隙率越低。對比圖10a和圖10b可以看出，液態壓鑄試樣近斷口截面的缺陷表現為中心存在尺寸較大的氣縮孔，細小孔洞在整個截面呈彌散分布。缺陷尺寸的大小是影響鑄件疲勞性能的重要因素。缺陷的尺寸越大，造成的應力集中也越大，更易于萌發裂紋。這種尺寸較大的孔洞是損害液態試樣的疲勞性能的主要因素而非整體的孔隙率。半固態壓鑄試樣則是尺寸相近的孔洞集中在中心部位，這些孔洞在三維上可能連通，裂紋的萌發為微孔的綜合作用，因此密度能在一定程度上反映半固態試樣的疲勞強度。

圖11：不同工藝疲勞試樣近斷口金相圖：(a)液態壓鑄400×；（b）半固態壓鑄400×；（c）液態壓鑄1000×；(d) 半固態壓鑄1000×

圖11為不同工藝試樣近斷口截面金相圖。通過圖11a和圖11b的對比，可以看出液態壓鑄試樣的金相圖存在大量孔洞，而且存在直徑大于200 μm的孔洞，這與圖9a液態壓鑄試樣的斷口形貌相對應。圖9a中液態壓鑄試樣近斷口截面彌散分布的細小孔洞的平均等效直徑范圍為73.6~138.3μm。有研究指出，未處于疲勞源區的孔洞，對于鑄件疲勞性能的影響存在臨界尺寸，平均等效直徑大于60 μm的孔洞在裂紋擴展區形成的應力集中會加速裂紋的擴展，降低試樣的疲勞性能，而且孔洞的形狀越不規則損害越大。

從圖11c和圖11d來看，高倍下液態壓鑄試樣的組織主要為粗大的枝晶組織。半固態壓鑄試樣的組織除去少量粗大的初生α(Al)晶粒，更多的是細小而圓整的顆粒狀晶粒。晶界會對疲勞裂紋的第一階段的擴展造成阻礙，位錯滑移距離為晶粒尺寸，細小的晶粒會加大位錯運動間距，減小交互作用力，這樣宏觀應力較小，加強了疲勞性能。這也可以解釋圖7和圖8中一些試樣雖然缺陷區域尺寸相近，但半固態壓鑄件表現了更好的疲勞性能。

3、結論

（1）與液態壓鑄相比，半固態壓鑄的ZL114A鋁合金試樣疲勞性能總體更高并且更加穩定。半固態壓鑄ZL114A鋁合金試樣在密度大于2.62 g/cm³時，疲勞性能表現良好。在70 MPa應力下，疲勞壽命可達10⁷次。

（2）半固態壓鑄件的疲勞壽命與密度成正比。試樣密度越高，試樣的疲勞壽命越高。液態壓鑄試樣的疲勞壽命主要受孔洞尺寸影響，孔洞尺寸越大，疲勞壽命越低。

（3）液態壓鑄試樣整個截面均有孔洞，裂紋萌生于大的氣縮孔，半固態壓鑄試樣的孔洞集中在中心附近，裂紋萌生源傾向于中心縮松多孔的綜合作用。

作者：
楊依珉 趙君文 巫國強 王海波
西南交通大學材料科學與工程學院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第01期