2023年引反疲劳裂纹的分析和活塞铝合金模型铸造的S.doc

引反疲劳裂纹的分析和活塞铝合金模型铸造的S-N回应 材料科学与工程 Thomas O .Mbuya, Lan Sinclair ,Andrew .J, Moffat, PhilippaA.S .Reed 为了提供在一个适宜的环境下的实际模拟，在过100个小时260摄氏度时效下的模型Al7 Si - Sr和Al0.7 Si活塞合金引发疲劳裂纹的和S - N的疲劳行为已经被研究。结果说明，庑殿没有影响Al7 Si - SR的S - N的行为 。即使在没有庑殿的区域，该合金孔隙度低，这是由于缺乏显着的孔隙度分布变化。然而，由于孔隙度显著减少的。庑殿在很大程度上改善了疲劳性能合金Al0.7 Si，在本次调查中，据观察，在两个庑殿合金，引发疲劳裂纹，其孔隙率呈现无能现象。相反，观察疲劳裂纹主要来自金属间化合物颗粒〔尤其是AL9 FeNi相〕两种合金，有时来自氧化物颗粒Al0.7 Si合金。在庑殿Al0.7 Si金属间化合物集群，疲劳开裂也经常出现。疲劳寿命分散现象被研究讨论，由疲劳裂纹引起的颗粒和整体的粒度的分布遵循幂律分布函数的。 关键词：铸造铝活塞合金裂纹萌生;疲劳;金属间化合物;铸造缺陷 1简介 轻型车为了提高性能的需求用柴油发动机，必然伴随着设计一个新的适宜的材料的发动机部件，由此能够承受日益严重需要的效劳环境[1]。此外，该材料必须仍然燃油效率尽可能符合环保法例的要求，因此必须减少碳氢化合物的排放 。历来轻型汽车发动机的活塞是含有典型的共晶硅合金〜1-3％铜铸造，〜1-2％镍，〜1％的镁及其他微量元素[2-4]。然而，活塞工作需要在最高温度可达400 ° C和峰〜20兆帕的压力下，有必要开展新合金含有更高的铜〔〜4％〕和Ni〔〜3％〕的含量，以确保足够的高温疲劳性能[5 ] 。通过扫描电子显微镜〔SEM〕和同步辐射X射线断层扫描〔SRCT〕有显示一个复杂的三维〔3D〕互连的硅粒子的微观结构和金属间化合物的几种类型〔例如，AL9FeNi，AL7CU4NI和AL3(CUNI)2〕对这些合金疲劳失效的微观结构影响的机械特性是具有挑战性的，但他们的成功应用也是必需的。 乔伊斯等人以前的工作的研究说明，在室温和高温〔200 ° C和350 ° C〕附近的两个共晶活塞合金的疲劳裂纹的引发主要发生在初级Si颗粒。他们没有观察到，尽管是在毛孔直径〜100微米观察和低铜〔0.94％〕和镍〔0.96 wt％的〕的合金之一，引发疲劳裂纹的任何孔隙度，然而，约20％的疲劳引发事件被观察到在AL3(CUNI)2金属间化合物集群颗粒,但只有在室温下与更高的铜〔3.1％〕和镍〔2.27 wt％〕含量的合金 。作者认为，金属间化合物粒子可能主宰初级Si颗粒以减少疲劳性能。莫法特等，调查共晶铝硅活塞合金中的12.45％硅，3.9％的铜和2.8％镍，如表1所示，并证实，疲劳裂纹的引发不仅发生在初级Si颗粒也在几种金属间化合物。主要出现在引发疲劳裂纹的金属间化合物，如Al 9 FeNi，虽然其他如Al7 CuNi和Al3〔CuNi〕2，观察相邻裂纹引发的区域。此外，经常被观察到的小孔隙〔最大尺寸〜50-75微米〕的金属间化合物是在起始位点[7] 。 莫法特等进一步调查研究，其他三个模型类似的合金含量的合金的疲劳行为，除了减少硅含量6.9 wt％到〔未修改和Sr的修改〕0.67％wt〔见表1〕。为修改Sr含有6.9％wt硅合金，作者观察到裂纹引发事件发生Al9FeNi和Al3〔CuNi〕2颗粒。500微米大的毛孔也被观察引发疲劳裂纹，有时也被认为金属间化合物如Al3Ni2。未修改的合金表现出类似的引发行为，虽大共晶硅粒子还观察到引发裂缝和裂纹发起毛孔相对于修改后的略小。然而，在低Si合金〔0.67％SI〕，疲劳裂纹发起完全由孔隙。在某些情况下，AL 9FeNi和Al 3〔CuNi〕2颗粒引发毛孔间隙。此外，虽然短期的疲劳裂纹观察到与所有合金金属间化合物的强烈互动，在低Si合金多孔地区显著的影响他们的行为 。 莫法特等人的工作主要是研究在引发疲劳裂纹降低硅的含量与金属间化合物颗粒硅粒子的作用〔尤其是AL9 FeNi阶段〕采取更为主导作用，这是显而易见的，但是，硅的减少也伴随着增加的孔隙率〔由于困难的铸性 [11]〕，然后，特别是对低Si合金疲劳行为是占主导地位，为了明确地描述他们的疲劳行为的微观结构的影响，低Si合金热等压静压力〔庑殿〕，以减少孔隙。本文分析疲劳裂纹的引发和S - N庑殿合金的响应与以前的观察之间的比拟。。 表1。 组成的模型铸造铝活塞合金。 合金 SI〔重量％〕 铜〔重量％〕 镍〔重量％〕 镁〔重量％〕 铁〔重量％〕 锰〔重量％〕 钛〔重量％〕 锆〔重量％〕 V〔重量％〕 P〔PPM〕 SR〔PPM〕 Al12.5Si 12.45 3.93 2.78 0.67 0.44 0.03 0.01 0.05 0.04 55 0 Al7Si，锶 6.90 3.89 3.00 0.62 0.22 0.03 0.01 0.05 0.04 45-50 150-155 Al7Si - unmod 6.90 3.89 3.00 0.62 0.22 0.03 0.01 0.05 0.04 45-50 0 Al0.7Si 0.67 3.91 2.99 0.80 0.21 0.05 0.01 0.01 0.01 45 0 2。实验方法 2.1。材料 根据调查的模型活塞合金在表 1 所示 。由此可以看出，他们组成的主要区别是SI级 。该合金已编译，根据其近似的硅含量分为A112.5SI,Al7Si –SR,Al7Si，Al0.7Si和Al0.7Si 。Al7Si - Sr和Al7Si 之间唯一的区别是，粗针状共晶硅粒子细的纤维结构转换，前者是未经修改而后者那么是由高级修改， Al12.5Si合金包含原始未修改的铝硅共晶硅晶体。合金Al0.7Si在技术上不是铸铁而是铝硅合金，不包含在其分支的硅晶粒子。四个合金中含有几种金属间化合物相如 AL9 FeNi，AL3〔NICU〕2，AL7CUNI,NIAL 3和AL 2 CU 5 MgSi 6 。这些金属间化合物和Si颗粒的机械性能，在以往的工作中得到了广泛的调查这些粒子被发现比铝模型更硬和更困难 。在莫法特的工作中，在230◦C经过8小时T5状态下未完成的活塞合金已被供给 ，从活塞冠取标本出，进一步在260岁℃经过100小时提供的效劳条件的下进行实际模拟。Al7Si - SR和Al0.7Si合金在当前的工作，也提供未完成的活塞，庑殿在490◦C和100兆帕用时4小时，在480◦C溶液处理为2小时，水淬和8小时终于在230◦C。并在260℃以前的工作，为100 h。虽然当前工作的重点是庑殿Al7Si - SR和Al0.7Si合金的样板，其他合金的S - N数据，莫法特进行了比拟 。 孔隙度和第二阶段的总体分布在庑殿和没有庑殿的两种合金〔Al7Si - Sr和Al0.7Si〕样板〔即Si和金属间化合物〕，对其已经进行了详细分析，使用3D同步辐射X射线断层扫描 〔SRCT〕 成像以及标准的2D安德伍德描述的体视学方法〔例如，直系分数分析〕[12 ] 。此分析是在单独的文件中进行的。然而，二维图像分析，还使用光学显微镜〔OM〕和扫描电子显微镜〔SEM〕在后向散射模式的样本随机选择S - N结合。使用图像J对粒子进行了分析，。粒子参数的调查其包括了金属间化合物和Si 颗粒面积比例〔Af〕，最大鼬尺寸〔Lmax〕和圆〔为4 π 〔 A 〕/ 〔 P 〕 2 ，A =颗粒面积和 P = 周长〕。圆形接近零拉长或复杂形状的颗粒，并统一为圆形颗粒 。 2.2。拉伸和疲劳试验 基准室温拉伸试验〔RT〕被使用在位移速率为1毫米/分钟50千牛英斯特朗5569中。所有标本均根据ASTM E8M，有一个直径5毫米轨距，12.5毫米轨距的长度。应变测量获得轨迹引伸剪辑。 所测量的6mm×6mm×50mm弯铁条S–N试样被Al7Si-Sr和Al0.7硅合金活塞头切割成片，在260◦C下进行100个小时的老化，就如2.1节中描述的。测试之前，每个试样顶面用细粒度的磨料抛光后，使用〜0.05米的氧化物抛光悬浮。此外，边缘被修圆磨光，以减少疲劳裂纹的产生。室温下S - N的疲劳试验，在50KN的英斯特朗电子拉力机上显示不同应变振幅，其使用的弯曲加载几何为4，载荷比为0.1，量程为15mm。最初用15Hz的频率，但后来增加为50Hz后，它被证实在测试温度为20◦C下对疲劳无明显效果。由于4点弯曲几何，最大诱导拉力在试样的顶部抛光外表进行测试。对于大多数的试样，最大施加载荷引起的外表拉应力超过材料的屈服应力，虽然大局部试样在很大程度上保持弹性。通过比拟实际外表应变(使用应变规测量)相对应的拉伸应力-应变曲线来近似最大顶面应力。应该指出，这是一阶近似，因为这些合金的循环硬化仍在研究，因此没有考虑在此阶段。通过采用SEM配备一个能量色散谱单元分析断裂外表来研究断口致命的疲劳裂纹，这是用来识别得阶段。此外，选定的S – N试样外表上的二次裂纹的起源也通过扫描电镜分析。阶段确实定通过他们的EDX结果与以前对类似合金研究结果的比拟。 3、结果 3.1、孔隙率和拉伸数据 从 3D SRCT数据获得的适宜与不适宜的合金的孔隙率水平在基线拉伸数据表2中给出。该表显示，Al7Si–Sr合金孔隙率从体积分数为0.04％到0.01％有轻微减少，正如预计的非热等静压材料已合理健全。在不适宜状态下，Al7硅的孔隙率与Al0.7硅相比拟低，原因可能是添加了较多的硅到合金中，相比拟低硅合金，改善了其铸造性[11]。然而，Al7Si–Sr的最大孔的最大尺寸是228米在热等静压合金相对129米在非热等静压合金中。值得注意的是，这种较大的孔隙在热等静压和非热等静压材料中都是比拟少的，超过孔隙孔径总体的98％和94％的分别小于50米，在热等静压和非热等静压Al7Si–Sr合金中。另一方面，在合金Al0.7Si中孔隙率水平显着降低，从体积分数的0.26％降低到0.03％。在热等静压和非热等静压Al0.7Si合金中，最大孔隙的最大尺寸为536米和52米，按照这个顺序。此外，在热等静压和非热等静压Al0.7Si合金中，超过99％和78％的孔径口被发现小于50米。很明显，虽然孔径总体的主要局部是50米以下，数量较大的孔隙〔即，≥50米〕，是在非热等静压材料中。这对疲劳失效具有特别意义，因为这些较大的孔隙倾向于引起起致命的疲劳裂纹。此外，SRCT分析的总量一般小于6立方毫米，相比进行疲劳试验的试样或铸铁部件小得多。如此粗大的毛孔将位于试样中压力最大的地区或铸铁成分中，因此，比直接从有限的SRCT体积分析得到的高。 统计分析说明，三参数对数正态分布函数给出了以前研究结果的[18]最适合的孔径分布。三参数对数正态分布的概率密度函数， Lmax的是孔径〔就最大金属尺寸而言〕，是形状参数〔或标准差〕，尺度参数〔或平均值〕，门限参数，它代表了最小孔径。孔径数据以及三参数对数正态分布适合的累积概率图显示在图1a中。拟合分布参数同他们的拟合值R2也列在图中。当R2≥0.95，概率密度函数被认为是最适合数据的。请注意，图1a中的N值代表了孔的数量。 热等静压Al7Si - Sr和Al0.7Si合金的延展性被提高了68％和100％，分别如表2所示。但是，改良的0.2％屈服强度〔YS〕和两种合金的抗拉强度〔UTS〕值普遍低于5％，对合金Al0.7Si的抗拉强度期望提高18％。热等静压不显著影响屈服强度和抗拉强度，这与文献中的大多数结果相一致。 图1 〔一〕概率分布图对孔隙大小的数据〔对数正态分布〕和〔二〕颗粒大小的数据〔韦伯〕，在热等静压和非热等静压 Al0.7Si和Al7Si - Sr合金中。 3.2、共晶硅和金属间化合物颗粒的