孔洞缺陷對高鐵動(dòng)車組鋁合金齒輪箱疲勞性能的影響

徐貴寶， 馬俊成， 梁 超

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011）

0 引言

鋁硅系鑄造合金因具有優(yōu)異的鑄造性能、足夠的力學(xué)性能、中等的機(jī)械加工性能，以及具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛用于飛機(jī)、輪船、汽車以及列車的某些復(fù)雜鑄件中[1]。近年來，隨著我國各行業(yè)高速度和輕量化的發(fā)展，尤其是中國高速鐵路的崛起，鑄造Al-Si系合金的應(yīng)用將更為廣泛，同時(shí)對其性能提出了更高的要求。Al-Si合金產(chǎn)品在高鐵應(yīng)用中往往承受交變載荷，因此有必要研究其疲勞性能。

影響鋁合金疲勞性能的因素有很多，如二次枝晶間距（SDAS）、共晶硅形貌特征以及鑄件內(nèi)部和表面缺陷等，其中孔洞類缺陷是主要影響因素之一。在服役過程中，孔洞缺陷使鑄件的相應(yīng)有效承載面積減小，導(dǎo)致缺口效應(yīng)，造成局部應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源，從而影響到鑄件的抗疲勞和抗斷裂性能[2-5]。本研究所述的孔洞缺陷主要指疏松和針孔，這兩者之間既有區(qū)別又有聯(lián)系。疏松是低倍橫向試樣經(jīng)浸蝕后才能顯現(xiàn)的分散性密集小空洞，邊界參差不齊，多帶棱角，近似鋸齒狀，顏色發(fā)暗，底部為尖狹的凹坑。疏松一般分為收縮疏松和氣體疏松兩種：1）收縮疏松是在結(jié)晶過程中，在樹枝晶枝杈間因液體補(bǔ)充不足而形成的空腔；2）氣體疏松是在結(jié)晶過程中，由于熔體中含氫量較高，在枝杈間氫氣析出占據(jù)收縮位置而形成的空腔。針孔是低倍的橫向試樣未經(jīng)浸蝕可顯現(xiàn)的表面光滑的圓形或橢圓形空洞。在熔煉和澆注時(shí)，鋁液容易吸收大量的氫氣，冷卻過程中因其溶解度的降低而不斷析出。在一般生產(chǎn)條件下，特別是在厚大斷面砂型鑄件中，很難避免針孔和疏松的產(chǎn)生，在空氣相對濕度較大時(shí)針孔尤其嚴(yán)重。針孔和疏松之間常常是相互伴隨產(chǎn)生，都與氧化膜的存在密切相關(guān)。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)孔洞尺寸較大時(shí)，裂紋可能從單一的大孔洞萌生和擴(kuò)展；當(dāng)孔洞較小時(shí)，導(dǎo)致疲勞破壞的孔洞缺陷存在一個(gè)關(guān)鍵尺寸，如果材料中僅含有小于此尺寸的孔洞缺陷，那么孔洞缺陷將不是影響疲勞壽命的主要因素。一些學(xué)者研究認(rèn)為這一尺寸在20～100 μm之間[6-8]。

我國高速動(dòng)車組齒輪箱所用材料為AlSi7Mg合金，且在其服役過程中的主要失效形式為疲勞裂紋[9]。本文研究疏松和針孔缺陷對該合金疲勞性能的影響，并討論其作用機(jī)制，以便在實(shí)際生產(chǎn)過程中采取適當(dāng)措施，避免或減少疏松和針孔的產(chǎn)生，從而提高產(chǎn)品的抗疲勞性能。

1 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：1）對齒輪箱實(shí)物本體取樣，試樣中存在疏松微孔缺陷，然后對試樣進(jìn)行疲勞測試；2）人為制作純針孔試樣，并采用X射線探傷進(jìn)行針孔分級，然后在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

1.1 實(shí)物本體取樣

表1 AlSi7Mg 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of AlSi7Mg alloy (mass fraction /%)

圖1 鋁合金齒輪箱解剖試樣選取位置Fig.1 Selection position of the specimens from the aluminum alloy gearbox

1.2 針孔試樣的制備

為獲得不同等級的純針孔試樣，試驗(yàn)采用向鋁液中添加不同量新鮮樹枝并攪拌的方式。眾所周知，樹枝內(nèi)含較多水分，加入鋁液中，受熱分解產(chǎn)生大量氣體，包括H、CO2等，其部分H終將以針孔形式析出，其余氣體從鋁液中逸出，并帶走鋁液內(nèi)的夾雜物，凈化了鋁液，從而獲得了純針孔試樣。而后，對各組試樣進(jìn)行統(tǒng)一線切割加工，并采用X射線檢測分級。

1.3 疲勞試驗(yàn)方法

疲勞試驗(yàn)在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，相關(guān)要求按照 GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》執(zhí)行。該測試在室溫環(huán)境下完成，試樣形狀和尺寸見圖2。測試過程采用總應(yīng)力控制，加載方式軸向，應(yīng)變比為R=0.1，正弦波加載，頻率約為80 Hz，測試完成后，通過掃描電鏡對試樣斷口進(jìn)行觀察分析。

圖2 疲勞試樣的形狀和尺寸Fig.2 Shape and dimension of the fatigue sample

2 結(jié)果與分析

2.1 箱體疏松對疲勞性能的影響

圖3為齒輪箱材料AlSi7Mg合金的S-N曲線。從圖可以看出，隨著加載應(yīng)力的逐漸降低，試樣的疲勞壽命不斷增加。當(dāng)加載應(yīng)力低于160 MPa時(shí)增加速率較快；當(dāng)加載應(yīng)力值降為120 MPa時(shí)，疲勞壽命達(dá)到106次，進(jìn)入了材料的長壽命區(qū)；繼續(xù)降低應(yīng)力值到92 MPa時(shí)，疲勞壽命值為107次，達(dá)到超長壽命或無限壽命區(qū)。由此可得，高速動(dòng)車組齒輪箱體材料AlSi7Mg合金的拉壓疲勞極限值約為92 MPa。對S-N曲線的線性部分做擬合，得到加載應(yīng)力σ與疲勞壽命Nf的方程：

圖3 合金 AlSi7Mg 的 S-N 曲線Fig.3 S-N curve of AlSi7Mg alloy

在齒輪箱的制備過程中，添加了合金元素Ti進(jìn)行晶粒細(xì)化，采用長效變質(zhì)劑Sr進(jìn)行變質(zhì)處理。從圖4可以看出，試樣中的硅相已轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀或棒狀，測得α-Al相的SDAS平均值為36 μm，表明共晶硅相和枝晶大小已經(jīng)得到良好控制。在齒輪箱的實(shí)際生產(chǎn)過程中，鋁液的精煉除氣效果良好，采用低壓反重力的方式進(jìn)行澆注，可有效地避免針孔和氧化夾雜等缺陷。一般地，鑄造鋁合金鑄件內(nèi)部疏松缺陷難以避免，特別是砂型鑄造厚大件，在幾乎所有的疲勞斷口試樣上都可以觀察到大小不等的疏松孔洞[10-12]。所以影響齒輪箱材料的疲勞性能的主要因素將是鑄造疏松缺陷。

圖4 AlSi7Mg 合金微觀組織Fig.4 Optical micrograph of modified AlSi7Mg alloy

圖5是加載應(yīng)力分別為190、110 MPa的2個(gè)試樣疲勞源附近的SEM斷口形貌，可以看出，兩疲勞源處均存在明顯的疏松空洞。圖5a中疏松尺寸較小，約為100 μm，與試樣邊緣連通；圖5b的疏松形狀不規(guī)則，尺寸超過300 μm，緊鄰試樣邊緣。

圖5 疲勞斷口源區(qū)形貌Fig.5 Morphology of fatigue fracture source region

圖6為加載應(yīng)力為90 MPa的試樣斷口SEM照片。裂紋起始于圖6a箭頭所指處，斷口可分為3部分：疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。疲勞源處存在明顯的疏松，大致呈橢圓狀，距試樣表面約 15 μm，其最大尺寸約 300 μm（圖 6b）。除了裂紋源處的疏松，斷口上還有一處圓形疏松（圖 6a中圓環(huán)處），直徑約 250 μm，距離試樣表面約300 μm。但值得注意的是，裂紋并未從此處起始。裂紋擴(kuò)展區(qū)呈羽毛狀，表現(xiàn)出疲勞條帶特征（圖6c）。瞬斷區(qū)由韌窩構(gòu)成，呈現(xiàn)出韌性斷裂的特點(diǎn)（圖 6d）。

圖6 試樣的疲勞斷口（σ=90 MPa）Fig.6 Fatigue fracture of specimen (σ=90 MPa)

對試樣斷口的觀察表明，所有的試樣疲勞裂紋均起始于試樣內(nèi)部的疏松。疏松的大小、形狀和位置對試樣的疲勞裂紋萌生有重要的影響。對于材料的高周疲勞，裂紋萌生占據(jù)了其疲勞壽命的大部分時(shí)間。所以試樣內(nèi)部疏松的分布決定了試樣的壽命。通過對齒輪箱多個(gè)試樣斷口觀察并聯(lián)系其疲勞壽命，得出如下結(jié)論：

對地震測量數(shù)據(jù)的分析還顯示，淺水流砂體不僅表現(xiàn)出了強(qiáng)均方根振幅和明顯弱相干性的地震特征，同時(shí)也表現(xiàn)出了明顯的古峽谷水道特征。在這些已知的淺水流砂體物性特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域內(nèi)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)，可以對潛在淺水流砂體的分布進(jìn)行有效識別和預(yù)測。

1）當(dāng)疏松位于表面或臨近試樣表面時(shí)，疲勞裂紋將萌生于疏松；

2）疏松孔洞的尺寸越大，或者形狀越不規(guī)則，越有利于疲勞裂紋的產(chǎn)生；

3）遠(yuǎn)離試樣表面的內(nèi)部疏松對其疲勞斷裂影響較小。

2.2 試樣針孔對疲勞性能的影響

圖7為射線探傷針孔分別為7～8級、4～5級、2～3級試樣的S-N曲線，對應(yīng)的拉壓疲勞極限分別為 50、62、70 MPa，針孔孔洞面積分?jǐn)?shù)分別為2.13%、1.48%、0.41%。對疲勞極限強(qiáng)度σ0.1與孔洞面積分?jǐn)?shù)Qf進(jìn)行擬合，得到高擬合優(yōu)度的線性關(guān)系式：

圖7 不同等級針孔試樣的疲勞 S-N 曲線Fig.7 S-N curves of specimens with different levels of pinholes

由圖7可見，在高壽命低應(yīng)力區(qū)，隨著孔洞體積率的增加，疲勞壽命縮短；但在低壽命高應(yīng)力區(qū)，這種關(guān)系并不存在，可能疲勞壽命與單個(gè)孔洞的大小和位置更加相關(guān)，位于表面的單個(gè)孔洞尺寸越大，決定了試件疲勞壽命越短。對于射線探傷針孔7～8級的試樣其拉壓疲勞極限比較分散，可能也是因?yàn)閱蝹€(gè)較大孔洞的大小和位置對疲勞壽命的影響更大。從圖8可以看出，在射線檢測針孔7～8級試樣斷口上存在諸多較大孔洞缺陷，直徑約 1 mm。

圖8 7～8級針孔試樣疲勞斷口Fig.8 Fatigue fracture of specimen with 7～8 level pinhole

3 討論

3.1 孔洞尺寸對疲勞壽命的影響

對于疲勞裂紋萌生于孔洞的情況，當(dāng)孔洞尺寸較大時(shí)，裂紋萌生時(shí)間較短，裂紋擴(kuò)展時(shí)間可以近似地被認(rèn)為是疲勞壽命。應(yīng)用Paris[13-14]提出的裂紋擴(kuò)展速率公式，即

式中：N為循環(huán)周次數(shù)；A為裂紋長度；C和m均為材料常數(shù)；ΔK為裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力[15]，

其中，σA為引起裂紋萌生的孔洞處的應(yīng)力大小，d為孔洞尺寸，F(xiàn)為裂紋形狀系數(shù)（對于內(nèi)部缺陷F=0.5）[2,16]。

將孔洞尺寸di視為裂紋初始長度，對式（3）積分可得：

式（4）給出初始孔洞尺寸di與試樣壽命Nf以及加載應(yīng)力σA之間的關(guān)系。對于AlSi7Mg合金C 和 m 分別取 2.744×10?12和 4.03，這里取 m=4，得到：

根據(jù)式（5）可知，在一定的加載應(yīng)力下，疲勞壽命與孔洞尺寸成反比；隨著加載應(yīng)力的降低，在孔洞尺寸相同的情況下，材料的壽命逐漸增大。在高加載應(yīng)力情況下，表面較大尺寸的孔洞決定了材料的疲勞壽命；在低加載應(yīng)力情況下，由于應(yīng)力長時(shí)間的反復(fù)作用，尺寸大于某臨界值的小孔洞也有可能成為裂紋源。

3.2 影響孔洞大小的因素

鑄件中疏松或針孔孔洞的形成條件可用下面的統(tǒng)一形式表示：

式中，Pg為氣體的析出壓力；Ps為對疏松孔洞補(bǔ)縮的阻力；Pa為大氣壓力；Po為外部壓力；ρgH為孔洞上的金屬液壓力；σ為氣液界面上的表面張力；r為孔洞半徑。

在通常的鑄造條件下，變化的參數(shù)為Pg和Ps，影響孔洞形成的因素主要是熔體中氣體的含量和鑄件凝固的補(bǔ)縮行為。熔體中氣體含量愈多，則鑄件結(jié)晶時(shí)隨氣體溶解度變化而析出的氣體壓力Pg愈大，形成氣體孔洞的可能性更大。鑄件以體積方式凝固，凝固區(qū)域的寬度越大，枝晶越發(fā)達(dá)，孔洞補(bǔ)縮的阻力Ps越大，產(chǎn)生疏松孔洞的傾向越大；或者由于鑄件的凝固補(bǔ)縮擴(kuò)張角較小，在封閉區(qū)域得不到液體補(bǔ)縮，導(dǎo)致補(bǔ)縮阻力Ps較大，形成疏松孔洞的傾向大。

3.3 解決孔洞缺陷的措施

在實(shí)際鑄造條件下，為解決鋁合金鑄件中的孔洞缺陷，提高產(chǎn)品疲勞性能，可采取以下措施：

1）加強(qiáng)精煉和除氣，減少熔體非金屬夾雜物和氣體含量，或者采用反重力澆注方式，如低壓或差壓鑄造工藝，減少夾雜物進(jìn)入鑄型，阻止熔體中的非自發(fā)氣泡核的形成，延緩氣泡半徑r的長大；

2）采用低壓或壓力鑄造的方式，其施加壓力Po使疏松或針孔產(chǎn)生的可能性減?。?/p>

3）采用金屬型鑄造，或在厚大部位或關(guān)鍵部位設(shè)置冷鐵，提高凝固過程的溫度梯度，加強(qiáng)補(bǔ)縮，減小孔洞補(bǔ)縮的阻力Ps，縮短氣泡半徑r的長大時(shí)間，減少針孔傾向。

4 結(jié)論

1）通過對鑄造鋁合金高鐵齒輪箱疲勞性能的研究表明：臨近試樣表面的疏松缺陷，成為明顯的疲勞裂紋源，遠(yuǎn)離試樣表面的疏松對疲勞斷裂影響較??；疏松的尺寸越大，或者形狀越不規(guī)則，越有利于疲勞裂紋的產(chǎn)生。

2）對針孔缺陷的試驗(yàn)研究表明，隨著針孔缺陷射線等級的增加，軸向R=0.1下的疲勞極限強(qiáng)度σ0.1逐漸降低，并且與孔洞面積分?jǐn)?shù)存在高線性相關(guān)性。

3）在一定的加載應(yīng)力下，疲勞壽命與孔洞尺寸成反比；在孔洞尺寸相同的情況下，隨著加載應(yīng)力的減少，材料的疲勞壽命逐漸增大。在高加載應(yīng)力情況下，表面較大尺寸的孔洞決定了試樣的疲勞壽命；在低加載應(yīng)力情況下，尺寸很小的孔洞也可成為裂紋源。

4）在實(shí)際生產(chǎn)過程中，采取低壓或壓力鑄造工藝，加強(qiáng)精煉除氣，提高鑄件冷卻速度等措施，可有效避免疏松和針孔的產(chǎn)生，從而提高產(chǎn)品的疲勞性能。