原標題：鋁合金薄壁壓鑄件中孔洞的三維表征及其對斷裂位置的影響

摘要：鋁合金高壓鑄件中存在大量孔洞，對其塑性和斷裂行為有顯著影響。為研究鑄件中孔洞對斷裂位置的影響，采用電子計算機斷層掃描（CT）技術分析了高壓鑄造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CT結果進行了標定。將孔洞的三維特征和采用數字圖像相關技術（DIC）獲取的局部應變信息相結合，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）與局部應變分布和斷裂位置之間的關系。結果表明：試樣的局部孔隙率、最大孔洞和孔洞位置等特征參量均會影響局部應變分布和斷裂位置。然而，對19個樣品的統計分析結果可知，試樣主要在局部孔隙率最大處或接近最大值處發生斷裂，表明局部孔隙率是決定斷裂位置的主導因素。

高壓鑄造（簡稱壓鑄）技術由于具有生產效率高、鑄件精度高、鑄件性能好、工藝簡單等優點，得到了廣泛應用，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，容易導致卷氣，形成氣孔，即使采用真空壓鑄技術，也很難消除鑄件中的氣孔；而對于大型薄壁壓鑄件，因為其各個部位幾乎同時凝固，無法有效補縮，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。孔洞的存在會減少材料的有效承載面積，使得材料在服役過程中產生應力集中，進而發生斷裂。對于在汽車結構件中應用日益增大的大型鋁合金薄壁壓鑄件，系統研究各種孔洞特征參數（如孔洞的尺寸、局部孔隙率以及孔洞位置）與鑄件應變集中和斷裂位置的關系，有助于工程師分析其影響斷裂位置的主導因素，為預測斷裂位置，通過優化工藝提高鑄件性能提供實驗依據。關于材料孔洞的研究已有大量報道，熊守美等認為在拉伸變形過程中，大孔洞，包括氣孔和網狀縮孔是裂紋萌生的主要來源，裂紋通過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程中，材料內部孔洞的演變規律，發現只有大孔洞發生了明顯變形，而小孔洞的形狀幾乎沒有改變，認為只有大孔洞才是變形過程中影響材料斷裂的關鍵。WEILER等還用有限元模擬了孔洞尺寸和位置對材料變形的影響，發現當孔洞位于試樣表層所引起的應變集中比在心部更大，可見孔洞位置會影響局部應變的分布，進而影響斷裂位置。Sun等基于孔洞的CT掃描構建了3D有限元模型，預測了AM60鎂合金薄壁試樣的應力-應變曲線，同樣發現孔洞的尺寸和分布會對材料的斷裂產生重要影響。Flacher和 Caceres等則認為孔隙率是影響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有明顯關系，而斷裂面上孔洞的面積和長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，會影響鑄件的斷裂位置。但是，已有的基于CT技術研究孔洞特征參量與斷裂位置的工作存在一些不足，例如：樣品數量有限（最多5個樣品），結果缺乏統計性；且分辨率較低（分辨率最高僅為80 μm，無法探測到尺寸小于80 μm的孔洞），丟失了小孔洞的信息。

針對上述問題，作者以典型商業壓鑄鋁合金（Al-10Si-0.3Mg合金）為研究對象，通過顯微X射線斷層掃描技術（X-ray tomography，也稱Computedtomography，CT技術，分辨率為25 μm）分析了19個樣品內的孔洞特征，并與數字圖像相關技術（DigitalImage Correlation，DIC）相結合，系統分析了孔洞特征參量對局部應變的影響，及其與斷裂位置的關系。

1、試驗材料與方法

試驗所用材料為Al-10Si-0.3Mg合金壓鑄薄板試樣，其厚度為2.5 mm，其化學成分利用GREEN型電感耦合等離子光譜發生儀 （ICP）進行分析，檢測結果如表1所示。

表1 Al-10Si-0.3Mg合金的化學成分 wB/%

對合金鑄件進行固溶（450 ℃，4 h）+時效（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個試樣），采用GE v|tome|x s 240&180型CT設備對每個試樣的標距段進行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數據通過VG studio軟件進行后處理。

圖1 拉伸試樣的尺寸

將CT掃描后的試樣長寬平面噴上白底漆和黑色斑點，得到的數字圖像相關技術（Digital Image
Correlation，DIC）試樣如圖2所示。使用INSTRONG型萬能拉伸試驗機對試樣進行拉伸測試，拉伸測試的同時使用DIC對噴漆平面進行檢測，使用的檢測儀器為VIC-3D型非接觸全場應變測量系統，拉伸速率為0.8 mm/min，DIC測試的拍照速率為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斷口進行掃描，獲取斷口形貌。

圖2 DIC試樣的形貌

2、試驗結果

2.1 CT 結果的標定

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

圖3 15號試樣中孔洞的CT形貌（A區域）

由于工業CT是使用X射線對樣品進行掃描后，再通過VGstudio軟件進行三維重構，因此軟件的后處理對CT結果的準確性有著重要影響。后處理軟件中的參數閾值對后處理的結果有著直接影響，選取不同的閾值，會得到不同的結果，如圖4所示（所掃描區域中灰度值大于閾值的部分被認為是材料，而低于閾值的部分被認為是孔洞，即圖4中的A區域）。同一個樣品，當選取閾值為6800和6000時，樣品所得的CT后處理結果差異明顯，圖4a中，樣品含有大孔洞與小孔洞混合，而圖4b中，樣品沒有大孔洞且分布均勻。可見，閾值對CT后處理結果有顯著影響。

圖4 不同閾值對標距段內孔洞CT形貌的影響（15號樣品）

CT結果的標定是保證其準確性的關鍵，為確保CT數據重構的孔洞數據準確，首先，根據拉伸試樣斷口的SEM形貌確認孔洞形貌和分布，在將SEM圖片中的孔洞特征與CT結果中的斷口處孔洞特征進行對比，然后，調整CT數據的后處理參數，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結果，即孔洞的形貌和分布圖。由于SEM斷口為樣品斷裂時的一個崎嶇不平的面，而CT選取部位為一個三維結構，因此CT圖像上會觀察到更多的孔洞。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個區域（標出部分為孔洞），根據各個區域的孔洞特征調節CT后處理參數，直至CT結果中各個區域的孔洞特征與SEM結果一致，如圖5c。斷口處缺陷的CT形貌和分布與SEM圖像中的一致，則可認為CT結果準確有效。因此，采用這種方式對19個試樣的CT結果進行了標定，以保證CT結果的可靠性。

圖5 CT結果標定示意圖 （8號樣品）

2.2 孔洞特征參數的獲取

基于CT掃描結果可獲取每個試樣內部每個孔洞的體積、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）等信息。每個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，將試樣標距區域沿軸向劃分成厚度為1 mm的多個單元（試樣標距段有29 mm，因此可以劃分為29個單元），可計算每個單元內的局部孔隙率，如圖6所示。將試樣內部的孔洞沿拉伸方向進行投影，獲取每個孔洞的投影面積，可以得到最大孔洞的投影面積來表征最大孔洞的尺寸，并計算每個單元內所有孔洞沿拉伸方向的投影面積之和，用單元內局部孔洞的投影面積之和來表示局部孔隙率。如圖6所示，單元2中有3個孔洞，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號試樣標距區域內孔洞最大投影面積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號試樣中孔洞的形貌和分布

2.3 孔洞特征參數與斷裂位置

為了探明試樣局部孔隙率和試樣內部最大孔洞對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據進行了對比分析。將每個試樣斷口處的局部孔隙率與試樣標距內的局部最高孔隙率進行比較，可得到試樣斷口處局部孔隙率與標距內最高局部孔隙率的關系，19個試樣的分析結果如圖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行比較，可得到試樣斷口處最大孔洞與試樣內部最大孔洞的關系，19個試樣的比較結果如圖8b所示。

圖8a中可看出，19個樣品中有13個樣品的數據點落在X=Y的直線上（即對角線上），表明這13個樣品的斷口所在單元的局部孔隙率與標距內的最大局部孔隙率相同，而其余6個數據點未落在X=Y直線上的點則落在直線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距內最高孔隙率，但差異較小。可以觀察到，19個樣品的標距內最高局部孔隙率與斷口處局部孔隙率之間呈現明顯的相關性。而圖8b中可以看出，當最大孔洞的投影面積>0.4 mm 2 （區域2）時，點落在直線X=Y上，標距內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性，但是當樣品內部沒有大孔洞存在時，即最大孔洞的投影面積<0.4 mm 2時（區域1，共12個試樣），未觀察到明顯的相關性。而這12個沒有大孔洞的樣品（區域1）中，標距內最高局部孔隙率與斷口處局部孔隙率之間仍舊呈現明顯的相關性，如圖8c所示。表明局部孔隙率是決定斷裂位置的關鍵因素。

圖8 孔洞特征參數分析（19個試樣）：標距段最高值與斷口值的對比

3、分析與討論

3.1 最大孔洞尺寸對斷裂行為的影響

Wood等研究了含大孔洞的壓鑄鎂合金樣品拉伸過程中的孔洞演變，發現只有大孔洞發生了明顯的變形，因此認為只有大孔洞才是影響材料斷裂的關鍵，而總體孔隙率對斷裂位置沒有顯著影響。從圖8b可以看出，當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鍵，然而當材料內部沒有大孔洞時，即最大孔洞的投影面積<0.4 mm 2 時，最大孔洞與材料的斷裂位置無關。但是，對于只有小尺寸孔洞的樣品，即在沒有較大孔洞的情況下，樣品發生的斷裂有區域內部的整體孔隙率決定。圖9a展示了7號樣品孔洞的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。拉伸變形過程中，未在A處發現應變集中，應變集中發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號樣品中，拉伸時，在A處單元內產生應變集中，如圖10所示。可以認為，含有最大尺寸孔洞A的單元是引起材料斷裂的關鍵。然而，在單元內部，往往大孔洞比其他小孔洞大得多，因此擁有大孔洞的區域內，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，所以可認為，是最高的局部孔隙率引發了材料的斷裂。因此，最大的孔洞會對材料的斷裂產生一定影響 ，但是卻不是最主要因素，只有當材料內部擁有大孔洞，即孔洞投影面積超過0.4 mm 2時，才會對樣品的斷裂產生顯著影響，當材料內部沒有大孔洞（投影面積超過0.4 mm 2）時，最大的孔洞對材料斷裂位置的影響較小。

圖9 7號試樣（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應變的影響

圖10 含大孔洞試樣（15號試樣）孔隙率和最大缺陷對應變的影響

3.2 孔洞位置對斷裂位置的影響

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

圖11 邊部有大孔洞樣品（9號試樣）孔隙率和最大缺陷對應變的影響

3.3 孔隙率對斷裂位置的影響

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出明顯的相關性，這表明樣品內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鍵因素。圖12顯示了13號樣品的孔洞形貌、拉伸變形過程中的應變分布和局部孔隙率分布。樣品中，局部孔隙率較高的位置，在拉伸時局部應變水平較高，產生了應變集中。這表明局部孔隙率較高的部位更容易發生變形，最終導致斷裂。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，容易引起應力集中產生裂紋，而裂紋的擴展傾向于連通各個相近的孔洞。樣品中的裂紋擴展傳播的過程中，各孔洞尖角應力集中處產生位錯塞積，位錯塞積會引起應力集中，進而導致裂紋的產生。變形過程中，相鄰孔洞之間的間距越小，使得位錯轉移需要的能量越少，越容易引起應變集中，促使萌生和裂紋擴展。因此，在拉伸過程中，局部孔隙率高的部位更容易發生變形，產生應變集中，是引發材料斷裂的最主要因素。

圖12 含小孔洞試樣（13號樣品）中局部孔隙率對應變的影響

目前，已有的高壓鑄造商業軟件，如Magmasoft和Pro-cast，可以預測大型壓鑄件內的局部孔隙率分布，工程師可以直接根據局部孔隙率的水平預測使役條件下鑄件的斷裂位置，并優化壓鑄工藝參數，控制鑄件內局部孔隙率的分布，避免鑄件在關鍵部位出現斷裂，提高鑄件的使役性能。　

4、結論

（1）壓鑄鋁合金中的孔洞會減小有效承載面積，引起應變集中。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，均會影響局部應變的分布，進而影響斷裂位置。

（2）大孔洞尺寸對斷裂位置有顯著影響。當樣品內部大孔洞的投影面積>0.4 mm 2 ，斷裂會發生在最大孔洞處，但是當樣品內部全是小孔洞時（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有明顯的相關性。

（3）孔洞位置對應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簇，容易引起應變集中，誘發斷裂。雖然最大孔洞尺寸和孔洞位置對應變集中和斷裂位置有影響，但CT分析結果表明（19個試樣），斷裂主要發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因素。

（4）可以通過優化壓鑄工藝參數，控制鑄件內局部孔隙率的分布，避免鑄件在關鍵部位出現斷裂，提高鑄件的使役性能。

作者：
夏利紅
重慶工商大學 機械工程學院

本文來自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷