孔隙缺陷尺寸和密度对ZL114A铸造铝合金静载失效和疲劳失效的影响

《Engineering Fracture Mechanics》：Effect of pore defect size and density on static and fatigue failure of ZL114A cast aluminum alloy

　　

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  首次系统区分了孔隙尺寸与密度对ZL114A铸铝静载/疲劳失效的影响。
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  静载失效主要由密度主导，疲劳失效主要由尺寸主导——机理反转。
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  分为三组：低密度小孔、高密度小孔、低密度大孔——可控孔隙率。
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  DIC应变与SEM断口分析揭示了差异化的应力集中和裂纹演化。
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  针对性策略：静载关键件控制密度，疲劳关键件限制最大孔径。

引言

随着航空航天、轨道交通和高端装备制造等领域对轻量化和高度可靠零件需求的增长，铝合金铸件凭借其优异的比强度、良好的铸造性能和经济成本低等优点被广泛使用[1], [2]。其中，ZL114A合金是一种高强Al-Si-Mg铸造铝合金，由ZL101A合金添加一定量镁制成。其主要相包括α固溶体相、(α + Si)共晶相、Mg₂Si以及铁基化合物[3], [4], [5]。由于其优异的力学性能、良好的铸造性能和较好的抗疲劳性能，ZL114A已成为制造发动机壳体、车架和轮毂等大型、复杂、薄壁结构件的关键材料[6], [7], [8]。

然而，铸造过程中难以完全避免的固有缺陷，尤其是孔隙缺陷，是制约ZL114A铸件性能、服役安全性和寿命的关键因素之一[9]。作为典型的铸造缺陷，孔隙通过其尺寸、形貌、分布和体积分数显著改变材料的局部应力状态，充当潜在的裂纹萌生位置或应力集中区域，从而对构件的静载承载能力和疲劳寿命产生复杂影响[10]。为提高铸件性能，国内外学者对ZL114A铝合金进行了广泛研究，主要集中在以下几个方面：

• a)
  Pan[11]报道，ZL114A合金的基体强度和韧性可以通过以下方式增强：在T6热处理条件下将Al-TCB晶粒细化剂与锶（Sr）变质剂联合作用，或者通过调整铜、铁、镍等合金元素的含量。经T6热处理后，添加Sr和Al-TCB的砂型铸造ZL114A合金达到了290 MPa的抗拉强度（UTS），比仅用Sr变质处理的合金提高约71.6%。此外，断裂伸长率（EL）从1.4%显著增加到8.4%，提高了500%。
• b)
  Jiang[12]利用光学显微镜（OM）、透射电子显微镜（TEM）、拉伸试验和原位热循环测量研究了热处理对ZL114A铝合金微观组织、微观屈服强度和尺寸稳定性的影响。结果表明，高温长时间固溶处理可减少针状共晶硅相和初生硅相，从而增强抗微塑性变形能力。
• c)
  Wang[13], [14]在模拟热带海洋条件下进行了预腐蚀疲劳试验，考察了ZL114A铸造铝合金的腐蚀损伤和断裂机理。结果表明，由晶界处Si相富集引起的腐蚀坑蚀和晶间腐蚀是主要的损伤模式。预腐蚀试样的疲劳寿命呈现三个退化阶段——初始下降、平台期和二次下降，每个阶段均与腐蚀持续时间正相关。

尽管现有文献已有大量研究成果，但仍存在三个核心研究空白，阻碍了基于缺陷特征的铸件性能精确预测、针对性工艺优化和损伤容限设计的实施：首先，大多数前人研究采用整体孔隙率作为单一评价指标，未能区分两种不同孔隙构型的差异化影响：密分布小孔和疏分布大孔。在总孔隙率近似相同的情况下分离孔隙尺寸和孔隙密度的对照试验鲜有报道[15], [16]。其次，现有研究大多分别考察孔隙对静拉伸性能（强度和塑性）或疲劳性能的影响[17], [18], [19], [20]，很少有研究系统比较同一合金在准静态过载失效与循环疲劳失效中孔隙致损机理的根本差异。一个关键科学问题仍未得到解决：即控制材料失效的主导孔隙参数在不同加载模式下是否会发生转变。

第三，先前研究仅定性描述了孔隙引起的应力集中和加速裂纹萌生，缺乏结合空间聚集度指标、断裂力学计算和全场应变可视化的定量耦合分析。尚未建立起将孔隙特征、应力场演化与宏观失效行为关联起来的定量关系，限制了其在缺陷分级控制和铸造工艺优化方面的指导价值。

准静态拉伸性能反映了材料在恒定载荷下的强度和塑性变形能力，而疲劳性能则表征了材料在循环载荷下的损伤演化和裂纹扩展抗力。两者均是评估结构构件承载可靠性和耐久性的核心指标。孔隙缺陷在两种加载条件下具有本质不同的作用机理：在准静态拉伸下，孔隙通过减少有效承载面积和促进孔间裂纹汇合来触发最终失效；在循环疲劳载荷下，孔隙充当持久的应力集中热点，主导裂纹萌生和早期扩展[21]。阐明这一差异对于建立基于缺陷特征的铸件性能精确预测模型、优化铸造工艺以针对性地控制缺陷类型以及制定更科学的构件损伤容限设计和验收标准具有重要的理论和工程价值[22], [23], [24]。

本研究旨在通过综合试验系统研究不同类型孔隙缺陷对ZL114A铝合金力学行为的差异化影响机理。具体而言，选择并定义了三种具有代表性的孔隙缺陷类型：低密度小孔（作为对照组）、高密度小孔和低密度大孔。进行系统的准静态拉伸试验和轴向拉-压疲劳试验，对比分析这三种缺陷类型试样在两种加载模式下的力学响应、断裂行为和损伤机理。本研究重点关注以下三个核心问题：(1)不同孔隙形貌的缺陷对材料准静态拉伸性能的影响规律及微观机理；(2)不同孔隙形貌的缺陷对材料高周疲劳寿命的影响规律及断裂机理；(3)系统比较和阐明孔隙缺陷在准静态和疲劳加载下导致材料失效的主导因素（孔隙尺寸和孔隙密度）的转变。研究结果有望超越仅基于统计孔隙率的传统性能评估方法，为ZL114A等高强铸造铝合金构件的精细化质量评估、铸造工艺针对性优化以及不同服役载荷下的可靠性设计提供深入的理论基础和实验支持。

章节摘要

实验设置

本研究对ZL114A铸造铝合金进行了准静态拉伸试验和疲劳试验，旨在探究含有三种孔隙缺陷（低密度小孔、高密度小孔和低密度大孔）的ZL114A铸造铝合金在静载和疲劳载荷下的力学损伤演化和失效机理差异。随后，将已知的试验机数据与数字图像相关法（DIC）和扫描电子相结合

准静态拉伸试验结果

准静态拉伸试验结束后，使用VIC 2D软件处理DIC系统在试验过程中捕获的图像。通过DIC测量获得位移数据，得到试样的应力-应变曲线，如图11所示。

应力-应变曲线的塑性段本质上反映了材料塑性变形能力及其演化。塑性段越长，表明材料在断裂前能够经历

结论

本研究系统进行了试验研究和机理分析，揭示了不同类型孔隙缺陷对ZL114A铸造铝合金静力学性能和疲劳性能以及相应材料失效机理的损伤效应。主要结论如下：

• (1)
  孔隙密度对静载失效的影响更为显著。高密度小孔通过应力严重抑制了基体的协调变形能力

CRediT作者贡献声明

魏刚：软件，资源，经费获取。吉圣宇：撰写——初稿，正式分析，数据整理。胡飞：正式分析，数据整理。张超宇：指导，软件。李斌：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知财务利益或个人关系方面的利益冲突。

致谢

本研究由中央高校基本科研业务费专项资金资助（编号：3122025087）以及天津市自然科学基金联合基金资助（编号：25JCLMJC00730）。

魏刚|吉圣宇|胡飞|张超宇|李斌