原标题：重庆交通大学&长安汽车：A356低压铸造部件上层疲劳断口成分和组织研究

随着经济的日益发展，铝合金的使用也越来越广泛，铝合金的种类也越来越多，不同铝合金的使用条件要求铝合金具备不同的性能，不同的性能需要不同的组分和工艺条件才能获得。铝合金作为一种可反复使用的材料，又称为再生材料，已经运用于各行各业，其中在汽车行业尤为突出。目前汽车行业的快速发展，无论是传统燃油车，还是新能源汽车领域，汽车轻量化都是发展的一个方向，铝合金在汽车轻量化阶段起着十分重要的作用。

铝合金在汽车产业主要应用于车身、动力总成等方面，随着技术的发展，铝合金也逐步在汽车底盘上应用。铝合金在底盘上目前应用较多的是车架、控制臂等铸件，由于铝合金的组分、宏观特性与钢结构底盘有很大差异，底盘部件需要受到各种交变载荷且具备良好的安全结构性能，所以对铝合金结构部件的微观组织和化学成分都有严格规范和要求。A356合金在汽车轮毂上广泛使用，而且在汽车底盘结构件中也大量使用，一方面是其可通过细化、变质、固溶、时效等方法进行强化处理，使得具备良好的力学性能；另一方面，A356属于亚共晶合金，固液相线温度区间较宽，具有良好的流动性和充型能力，且成形能力好。

A356的铸造成形方式有很多种，常见的有砂型重力铸造、金属型重力铸造、金属型低压铸造等。结构安全类的零件，一般采用金属型低压铸造，通过适当的压力使铝液充型，再通过较快的冷却使铸件凝固。低压铸造的压力较小，通常控制在100 kPa以下，通过外界压力将铝液通过升液管压入到模具型腔。有关低压铸造的研究较多，多专注于A356铝合金在不同产品和铸造工艺参数方面。但在低压铸造产品中存在气孔、夹渣等缺陷，同时，充型过程中铝液是否发生化学反应、生成缺陷等，以及对于疲劳性能的影响报道较少。

本研究选取内部具有空腔结构的安全结构部件，涡流和卷气的现象更为明显，同时在实际使用过程中受到交变载荷的影响，内部缺陷会在交变载荷中发生疲劳断裂，影响产品寿命。通过断裂形貌观察、成分分析、X射线断层扫描技术分析其内在关系，以期为其在安全结构件上的应用提供参考。

图文结果

使用ABAQUS有限元软件进行疲劳强度分析，疲劳载荷边界条件为18 500 N，频率为5 Hz，选用A356材料的数据，在Z方向经过30万次的上下振动循环疲劳试验，部件疲劳仿真结果见图1，本体疲劳损伤最大为0.005 9，见框选区域。

将A356合金熔炼、精炼后浇注专用镍杯成形试样，采用斯派克光谱分析仪激光触发检测A356材料成分见表1，同时将铝液浇注拉伸试棒，通过与部件共同热处理后，制备成ϕ5 mm标准拉伸试棒，在万能拉力试样机上测试其力学性能，拉伸速度为2 mm/min，结果见表2。通过低压铸造J（金属型）+T6（固溶+时效）成形部件。低压铸造时铝液浇注温度为710 ℃，压力为34 kPa，固溶温度为506 ℃，时间为6 h，淬火水温为70 ℃，时效温度为175 ℃，时效时间为6 h，空冷1 h至室温后加工成试验部件。采用专用夹具将部件固定在试验台架上，用轴销一端固定部件在图1方框邻近的衬套孔，轴销另一端与油缸连接，并在模拟Z方向上加载力F和位移S，Z方向加载位移±75 mm；循环30万次。采用Quanta250型扫描电镜的二次电子图像观察断口形貌，采用GENESIS 500型X射线能谱仪对断口区域进行成分分析。

图1 CAE分析结果

表1 A356化学成分(%)

表2 金属型低压铸造A356铸件的力学性能

在进行振动耐久试验中，试样在25万次循环疲劳时出现了断裂，见图2。对整个截面的断裂位置进行外观检查，见图3。从宏观断口的外形来观察，没有明显差异，无法通过肉眼有效区分是否含有其他组织及成分，从而判断影响疲劳断裂的因素。

图4和图5分别为A、B断面形貌。将A断面放大后未见气孔、缩松缺陷，见图4a和图4b。在A断面的几个不同位置进行扫描，两种不同放大倍数下的形貌都发现内部有细小孔洞，未见其他明显异常特征。然而，在另外2处局部区域发现缩松、黑色物质，见图4g和图4h。B断口扫描电镜图像的特征与A类似，其中图5d右边有缩松、黑色物质。图5e和图5f表面有擦伤形貌。分析可知，缩松可能是由于铝合金凝固析气、凝固收缩和补缩不良导致的。而摩擦痕迹可能是由于从微裂纹至完全断裂之前的来回重复摩擦造成的。

图2 试验断裂区域

图3 宏观断口形貌

图4 断面A处形貌

图5 断面B处形貌

能谱分析见表3和图6。能谱分析的成分和A356正常组分差异很大，在检测结果中，O含量最高，还有部分Cl元素，主要原因是铝元素被氧化，形成Al2O3，Cl可能是由于NaCl的残留导致的。为了确定铝合金氧化来源，对工艺过程进行模流分析，选用MAGAM软件对其充型过程进行模拟分析，模拟条件设定见表4。其中模拟结果见图6c，其中圆形区域是充型末端气体区域，具有不稳定性，产生夹杂和氧化风险高。

表3 黑色区域能谱分析结果(%)

图6 部件的能谱分析和模流分析

表4 模拟分析设置条件

在断口附近取平行于断面的截面观察其金相组织见图7。结果显示合金变质正常，α枝晶与共晶体分布较均匀，共晶Si为点状或少量蠕虫状，为正常组织，共晶Si边角已圆滑，不聚集长大，针孔度为1级，二次枝晶间距为25 μm。金相组织中未发现异常，进一步对金相试样进行光谱分析，结果见表5。结果表明，3组检测数据化学成分一致性好，符合A356合金要求。

能谱分析和金相、光谱分析发现部件的成分差异很大，其原因可能是产品内部存在宏观偏析，能谱分析用于检测的黑色区域，光谱分析用于检测的非黑色物质区域，为了验证该假设，采用CT进行扫描检测。

为了进一步进行定量分析，在实物上取100 mm×30 mm的样块进行CT检测，在不同界面都有多个黑点出现，见图8。选取部分截面并使用软件测量和标定部分黑点尺寸，直径达到1.3 mm，图8c和图8d为不同截面的黑色物质尺寸。通过CT扫描，说明试样中有明显的黑色物质，黑色物质分布为非连续，独立状态。黑色物质的尺寸从0.1到1.5 mm不等，说明部分断面存在成分和组织不均匀、非固定尺寸和形态，因而证实了该零部件上层断面存在宏观偏析。

(a)低倍                              (b)高倍
图7 金相组织

表5 力学性能试块的化学成分(%)

图8 CT扫描检测

结论

（1）利用X射线原理的CT扫描检测对试样内的组成物位置和数量、大小进行检测，发现A356合金部件断面存在不均匀、非固定尺寸的形态物质，尺寸为0.1~1.5 mm。

（2）利用能谱分析可确定组分的成分构成，除了合金本身材料以外的元素为O、Cl，可判定各元素含量，结合能谱分析，黑色区域确定为Al2O3。

（3）从能谱分析和光谱分析得到的成分存在很大差异，这和检测位置密切相关；对于同一个样块不同位置的成分检测，化学成分一致性较好。

（4）由于取样位置的不同，部分区域的化学成分和金相分析合格，而部分区域化学成分和宏观透视CT检测都存在偏差，说明铝合金存在化学成分偏析。

《A356低压铸造部件上层疲劳断口成分和组织研究》

安治国1 贺伟1,2 李贵3 贺月4 何林5

1.重庆交通大学机电与车辆工程学院；2. 长安汽车集团重庆底盘系统分公司；3. 重庆大学输变电设备与系统安全与新技术国家重点实验室；4. 中南大学地球科学与信息物理学院；5. 重庆长安汽车有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社