原标题：铸造铝合金AlSi9Cu3疲劳性能研究

摘要：对某汽车转向器AlSi9Cu3铝合金管柱进行了高周疲劳性能分析，使用“成组法”测试材料的高周疲劳性能，绘制了该材料的P-S-N曲线，估算出该材料在99%可靠度下疲劳寿命为106次时的疲劳强度为120.7 MPa。使用扫描电镜对试样的疲劳断口进行观察，发现疲劳源大多为孔洞和氧化夹杂物。原始铸造缺陷的类型和尺寸导致试样疲劳寿命的减小和分散度的增加。

随着各国环境保护政策的越来越严格，降低汽车的排放成为日益紧迫的要求，其中轻量化是降低排放、减少能源消耗的有效途径[1]。近年来，各种轻量化材料如高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料等在汽车制造中应用的越来越多。铸造铝合金由于成形性能好、比强度高、生产成本较低等优点被广泛地应用于汽车零部件的生产[2]。铸造铝合金常见的系列有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系铝合金等。Al-Si系铝合金不仅铸造性能良好，同时具有优异的力学性能。由于汽车上的零部件在实际工作过程中受到交变载荷作用，而铝合金铸件在凝固过程中难免产生空洞、夹杂等铸造缺陷，因此分析铸造铝合金的疲劳性能就显得尤为重要。刘斌等[3]研究了AlSi9Cu3铸造铝合金的低周疲劳行为，得出了疲劳裂纹萌生于材料的表面和近表面，一般在第二相与机体的界面以及铸造缺陷处（如空洞、夹杂、氧化物）的结论。赵杰等[4]对A356铝合金缸盖疲劳性能进行了研究，结果表明缸盖铸件的主要铸造缺陷是氧化夹杂和缩松，缩松对铸件的疲劳性能危害更加严重。LATTANZI L等[5]研究了微观组织和铸造缺陷对高压压铸AlSi9Cu3(Fe)合金疲劳性能的影响，认为寿命数据的分散是由于缺陷控制裂纹的扩展，从而影响试样的疲劳行为，同时裂纹萌生似乎受到几何特征的影响。本课题重点研究AlSi9Cu3铸造铝合金的高周疲劳性能，并对不同应力水平下的疲劳断口进行了微观观察，希望对该合金的疲劳研究和进一步应用能提供一定的依据和参照。

1、试验材料与试验方法

试验材料为Al-Si系铸造铝合金，德国牌号为AlSi9Cu3，其化学成分见表1。

表1：铸造铝合金AlSi9Cu3的化学成分 %

按照GB/T228-2002，通过Zwick电子万能材料试验机对试样进行静态拉伸试验，获得了材料的基本力学性能（见表2）。

表2：铸造铝合金AlSi9Cu3的力学性能

疲劳试样从某转向器管柱经过线切割得到，转向器管柱以及试样截取位置见图1，试样形状及相关尺寸见图2。为了消除试样试验区的机械加工痕迹，得到光滑试样，采用400、800、1000、2000号砂纸对试验区进行打磨抛光，并对试样的棱角边进行磨圆处理。

采用“成组法”测定铸造铝合金AlSi9Cu3的P-S-N曲线，试验仪器为RUMUL高频共振疲劳试验机。在室温下进行试验，采用对称循环拉压载荷，应力比R=-1，试验频率65 Hz。将应力水平分为5级，分别为170、160、145、135、127 MPa，试验中记录下每个试样断裂时的循环次数及相关异常情况。

2、试验结果与分析

2.1  疲劳试验结果

由于疲劳数据具有很大的分散性，在相同的应力水平下，试样的疲劳寿命与存活率P密切相关。因此在进行结构设计时，必须知道材料在一定可靠度下的疲劳寿命应力关系，即使用材料的P-S-N曲线。一般认为疲劳寿命符合对数正态分布，即 。通过计算试样的对数寿命平均值以及标准差，可估计出代表母体分布性质的正态概率密度函数，见式(1)。根据式(2)计算出不同可靠度下所对应的对数疲劳寿命值 。对每一个应力水平下的试验数据执行相同的计算过程，就可以得到对应同一可靠度不同应力水平下的对数疲劳寿命值，通过拟合这些数值即可绘制出P-S-N曲线。铸造铝合金AlSi9Cu3的R99、R90、R50寿命见表3，P-S-N曲线见图3。

表3：铸造铝合金AlSi9Cu3不同可靠度下的寿命

在半对数坐标系中使用巴斯坎（Basquin）方程拟合各数据点，见式(3)。其中127 MPa应力水平数据仅拟合R50时使用。由于135 MPa应力水平下试样寿命标准差较大，导致R99拟合曲线相关系数较低。

式中，b为疲劳强度指数；为疲劳强度系数。

图3：铸造铝合金AlSi9Cu3的P-S-N曲线

2.2 疲劳断口形貌观察

在每级应力水平下挑取典型试样以及异常寿命试样进行扫描电镜观察，试样断口使用超声波清洗机及无水乙醇进行清洗。观察发现试样的疲劳断口由疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区3部分组成，见图4。疲劳源区是疲劳裂纹萌生的区域，一般位于试样的表面或次表面，因为往往表面应力较高而且受外界环境影响较大。如果材料内部有严重的不连续性缺陷，疲劳源也可能在材料内部萌生。

在裂纹稳定扩展阶段，试样断口表面最重要的显微特征是“疲劳条带”，见图5。疲劳条带是一系列基本上相互平行的条纹，其与局部裂纹扩展方向垂直。随着裂纹的进一步扩展，试样可承载面积逐渐减小。当裂纹扩展到临界尺寸时，试样突然断裂形成瞬断区，瞬断区比较粗糙，与材料静态破坏断口形貌相似。与低应力水平相比，试样承受高应力水平时，疲劳扩展区面积较小，瞬断区面积较大，见图6。

图6：160 MPa与127 MPa断口疲劳区和瞬断区大小比较

2.3  铸造缺陷对疲劳寿命的影响

试验发现，随着应力水平的降低，疲劳寿命数据分散性增加，160 MPa应力下的寿命分散性最小，寿命标准差为0.238，135 MPa应力下的寿命分散性最大，寿命标准差为0.436。在高应力水平下，试样的疲劳源很容易萌生，疲劳寿命主要为裂纹扩展寿命，因此铸造缺陷对寿命分散性的影响比较小；在低应力水平下，试样的疲劳寿命主要体现为裂纹源萌生寿命，如果试样内部含有铸造缺陷，这些缺陷就会马上成为裂纹源，造成疲劳寿命的异常，从而增加了寿命的分散性。在试样疲劳断口的观察中发现多种类型的铸造缺陷，见图7。通过观察，绝大部分试样的疲劳裂纹从表面或次表面萌生。只有1个试样的疲劳裂纹从内部萌生并向外扩展，显示出“鱼眼”特征，见图7a。试样的疲劳寿命不仅与缺陷的类型有关，而且与相距表面的距离有关，一般来说距离表面越远，试样的疲劳寿命越高。该试样疲劳寿命为50.8万次，高于该组绝大部分试样的寿命。135 MPa应力水平下一试样寿命只有3000左右，属于异常数据。结合扫描电镜图像(见图7b)，确认这是由于大面积的氧化夹杂引起的，如此大片的氧化夹杂物不会直接从铝液内部产生，应该是铝液表面的氧化膜在浇注过程中卷入到铸件内部形成的。图7c与图7d为同一等级下试样，图7c缺陷最长对角线尺寸为0.365 mm，疲劳寿命为10.5万，图7d缺陷最长对角线尺寸为0.09 mm，疲劳寿命为24万，是图7c试样的2.29倍，这说明缺陷尺寸越大，疲劳寿命越低。

图7：多种类型形成的裂纹源

由于铝合金在熔炼过程中容易吸氢和氧化，表面的氧化膜容易卷入铝液内部，导致在铸造过程中很容易出现铸造缺陷。常见的铸造缺陷有氧化夹杂物、孔洞等。孔洞分为两种：气孔和缩孔，由于缩孔形状不规则，引起的微观应力集中程度更大，对疲劳寿命的影响更为显著。铸造件内部的氧化夹杂物与基体结合不紧密，割裂了基体的连续性，而且与基体间弹性模量和热收缩系数不匹配。在交变应力作用下，这些缺陷起到了缺口的作用，在其周围产生很大的局部应力集中，成为裂纹萌生的起点。这些缺陷的存在大大降低了疲劳裂纹的萌生时间，导致疲劳寿命的大幅降低，各个试样中不确定的铸造缺陷导致疲劳寿命分散性的增加。苗国磊等研究了粉末冶金镍基高温合金FGH96高温疲劳寿命分散性特征，得到了相似的结论，认为导致表面萌生裂纹的夹杂是最差疲劳寿命的主导因素，使得疲劳寿命分散性较大。

3、结论

（1）通过试验测试了AlSi9Cu3铸造铝合金转向器材料的高周疲劳性能，根据试验结果拟合出了P-S-N曲线，99%可靠度下疲劳寿命一百万次时所对应的疲劳强度为120.7 MPa，试验结果符合要求。

（2）造成试样疲劳破坏的主要原因是孔洞、氧化夹杂物等铸造缺陷，缺陷的存在大大较少了裂纹源萌生时间，导致疲劳寿命的大幅降低。

（3）铸造缺陷引起疲劳寿命分散性的增加，缺陷的类型、大小、位置都会对试样寿命和分散性产生很大的影响。在高应力水平下，缺陷对寿命分散性的影响较小；在低应力水平下，缺陷对寿命分散性的影响最大。

作者：戴浩杰 赵礼辉 翁硕

上海理工大学机械工程学院

机械工业汽车机械零部件强度与可靠性评价重点实验室