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低压铸造A356.2铝合金轮毂弯曲疲劳性能研究.pdf

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低压 铸造 A356 铝合金 轮毂 弯曲 疲劳 性能 研究
资源描述:
2010中国铸造活动周论文集 - 1 - 低压铸造A356.2 铝合金轮毂弯曲疲劳性能研究 门玲玲,王志峰,王月梅,王桂新,赵维民(河北工业大学材料科学与工程学院,天津 300130) 摘要:本文主要研究了低压铸造 A356.2 铝合金轮毂的弯曲疲劳性能。通过分析低压铸造铝合金轮毂裂纹 的形成原因,就影响裂纹产生的各种因素进行研究,并对轮毂的外观尺寸,化学成分,机械性能和显微组 织等进行了分析。材料分析结果表明:低压铸造铝合金轮毂弯曲疲劳性能主要与 Sr 的变质效果有关。当 Sr 变质效果不明显时(4#轮毂),轮毂显微组织中存在较多的长条状 Si 相,且呈杂乱无章分布,弯曲疲劳 性能较弱;当 Sr 变质效果良好时(6#轮毂),共晶硅颗粒均匀细小,圆整度高,其弯曲疲劳性能较好,屈 服强度比 4#轮毂的屈服强度提高了 0.5~1.0%,抗拉强度提高了 0.6~1.3%,延伸率提高了 2~6.5%。 关键词:A356.2 铝合金;轮毂;弯曲疲劳性能;变质;微观组织 Study on the Bending Fatigue Performance of low-Pressurecasting A356.2 Aluminium Hub MEN Ling-ling, WANG Zhi-feng, WANG Yue-mei, WANG Gui-xin , ZHAO Wei-min(School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130) Abstract: The bending fatigue performance of low-pressure casting A356.2 Aluminium Hub was investigated. According to the research about dimensions, chemical composition, mechanical property and microstructure, the factor influencing fracture toughness of material were analysed. The results show that the bending fatigue performance of low-pressure casting aluminium hub was concerned to the modification effect of Sr, when it was not apparent, there were more disordered strip silicon phase in the microstructure of hub and the bending fatigue performance was weaker, but the eutectic silicon possessed smaller and uniform size and higher spheroidization, so the bending fatigue performance was better when modification effect of Sr was good. Compared with 4# wheel hub, its yield strength, tensile strength and elongation increased by 0.5~1.0%, 0.6~1.3%, 2~6.5%, respectively. Key words: A356.2 Aluminium; Hub; Bending fatigue performance; modifier; microstructural A356.2 是一种铸造铝合金,它是 Al-Si-Mg 系合金,一般含 Si和 Mg 为 6.5%~7.5%、Mg0.3%~0.45%, Fe、Cu、Mn、Zn、Ti 等为杂质。A356.2 铝合金的铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小,经 变质和热处理后,具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能 [1],被广泛用于飞 机、轮船及汽车上某些复杂铸件,是铸造铝合金中应用最广的合金之一。由于它具有的良好的铸造性能和 较高的综合力学性能,世界各国的铸造铝合金轮毂都是此类合金生产的。因此对 A356.2 铝合金轮毂各方 面的性能进行研究具有重要的意义。 本文对 A356.2 铝合金轮毂的弯曲疲劳进行了实验测定,并通过对断口进行观察和金相分析,对影响 铝合金车轮弯曲疲劳的因素进行了分析,旨在为材料的应用提供设计和使用依据,确保设计和使用安全性。 1 实验材料及方法 2010中国铸造活动周论文集 - 2 - 实验用的铝合金轮毂为秦皇岛中信戴卡轮毂制造有限公司提供的大众系列 975 车轮。其成分如表 1: 表1 A356.2铝合金的化学成分(WB%) Si Mg Fe Ti Al 6.5~7.5 0.3~0.45 ≤0.2 0.08~0.20 余量 实验设备为 MAKRA 弯曲疲劳试验机 BUP750 ,实验采用 975 系列车轮弯曲疲劳试验结果差异最大的两 只车轮,我们把它们分别标成 4#和6#车轮。其中 4#车轮加载 3600N·m,大约 253万转后轮辐开裂;6#车 轮加载 3600N·m,2172.5万转后轮辐和轮心出现裂纹。通过分析研究这两只车轮的外观尺寸,硬度测量, 力学性能及进行显微组织的分析等方法找出导致弯曲疲劳实验结果差异大的原因。 2 结果分析与讨论 2.1 外观尺寸分析 对于同一种合金轮毂是否产生裂纹往往与轮毂外观尺寸有关,轮毂外观结构设计不同对轮毂裂纹有影 响。对 4#,6#轮毂进行了实际测量,其外观见图 1,2。 图1 4#车轮裂纹处 图2 6#车轮裂纹处 图3试样的硬度测量取点位置图 2010中国铸造活动周论文集 - 3 - 表2 车轮尺寸测量结果 样轮 轮辐 轮辐厚度(mm) 法兰厚度 (正/mm) 法兰漆厚度(um) 重量 (kg) 弯曲疲劳 (万转) 1 31.3011 219 2 31.3312 214 3(开裂) 31.4247 218 4 31.3929 212 5 31.3582 222 3'(开裂) 31.3550 215 4# Avg 31.3605 44.2237 217 9.96 253 1(开裂) 31.4383 310 2 31.3736 308 3 31.3749 319 4 31.4038 312 5 31.4074 303 3'(开裂) 31.3813 313 6# Avg 31.3966 44.7180 311 10.00 2172.5 注:1.轮辐厚度测量点距车轮中心均为95mm。 从表 2 可以看出,6#轮辐厚度比 4#轮辐厚度均值大 36um,但表中可见 6#开裂的轮辐 1 的厚度值最大, 而其它开裂的轮辐的厚度值并非最大或最小,因而轮辐厚度可能与其是否开裂无相关联系。表中可见 6# 法兰厚度比 4#厚 484um,但由于 6#法兰漆厚,而且在清洗过程中法兰下端的锈迹无法除去,6#的锈迹较 4#多一些,因而可能 6#车轮尺寸测量结果误差较大(偏大) 。总体对比而言,两轮轮辐厚度无明显差异, 微小尺寸差别可能并不是影响两车轮弯曲疲劳性能差异的主要因素。 2.2 硬度测量 通过表 2 中显示 6#车轮的硬度均值稍大于 4#车轮,但差异不大。因此,在一定范围内,轮毂的裂纹 与硬度关系不大。 2010中国铸造活动周论文集 - 4 - 表3 硬度分析(HBW5/250)结果 取样部位 硬度 HBW5/250 取样部位 硬度 HBW5/250 取样 要求 80-105 取样 要求 80-105 1 92.1 1 92.6 2 97.5 2 89.1 3 95.4 3 94.1 4 95.9 4 93.8 轮辐 5 97.0 轮辐 5 93.6 6 87.9 6 95.1 7 94.6 7 94.3 8 97.0 8 93.8 6#-3 轮心 X 94.7 4#-3 轮心 X 93.3 1 93.1 1 90.6 2 97.0 2 94.3 3 96.7 3 92.3 4 97.0 4 91.1 轮辐 5 94.9 轮辐 5 87.6 6 96.5 6 90.1 7 97.0 7 94.1 8 94.6 8 92.3 6#-3' 轮心 X 95.8 4#-3' 轮心 X 91.6 注:表中X-平均值 2.3 力学性能分析 对 4#,6#轮毂进行了实体解剖,分析其力学性能,主要是屈服强度,抗拉强度和延伸率。轮毂综合力 学性能数据结果见表 4。 通过表 4 力学性能测试结果表明,6#车轮的屈服强度、抗拉强度及延伸率值都高于 4#车轮,说明6# 轮机械性能优于 4#轮。 2.4 微观组织分析 对 4#,6#轮毂进行实体解剖,分析其微观组织。主要分析了二次枝晶臂间距、硅相形态。由微观组织 图可以看出,4#,6#轮毂微观组织相组成没有差别,均由 α(Al)相和铝硅共晶区组成。 二次枝晶臂间距与材料的强度有很大关系。研究发现,二次枝晶臂间距对力学性能的影响比晶粒度还 要明显,这是因为晶内偏析、缩松及夹杂物的含量随二次枝晶臂间距的减小而趋于均匀 [2] 。二次枝晶臂越 细小,则材料强度越高;反之,则越低。4#,6#轮毂的微观组织见图 4。 2010中国铸造活动周论文集 - 5 - 表4 6#和4#车轮力学性能试验结果 屈服强度 Rp0.2(MPa) 抗拉强度 Rm(MPa) 延伸率 A(%) 车轮 试样标识 ≥185 / ≥3.5 6#-5-1辐 1 203 270 6.7 6#-5-2辐 2 205 267 5.9 6#-5-心上 3 208 267 5.4 6#-5-心下 4 210 277 7.5 6#-5'-辐中间 5 204 253 3.1 6#-4'-辐心结合处 6 202 260 4.8 6# X 205 266 5.6 4#-5-1辐 7 200 254 4.0 4#-5-1辐 8 202 257 4.8 4#-5-心上 9 199 244 2.6 4#-5-心下 10 210 267 6.4 4#-5'-辐中间 11 197 253 4.3 4#-4'-辐心结合处 12 198 251 4.0 4# X 201 254 4.4 注:表中X-平均值。试样直径Φ=6mm,标距Lo=30mm。轮心取样“6#-5心上”指靠近车轮正面, “6#-5- 心下”指靠近背腔,4#同。 (a) 4#轮毂 (b) 6#轮毂 图4 轮毂微观组织(二次枝晶) 由图 4 可知, 4#轮毂二次枝晶粗大, 而 6#轮毂二次枝晶臂较细。 铝合金的晶粒大小取决于形核的数量, 同时也与晶粒的生长速度有关。在铸锭凝固过程中,不论是均匀形核还是在第二相上的非均匀形核都需要 有一定的过冷度。不平衡凝固时,液相一侧将会造成元素的贫乏,而液相另一侧造成很大的成分过冷,从 而促使非自发形核,使晶粒得到细化。 100μm (a) (b)2010中国铸造活动周论文集 - 6 - (a) 4#疲劳断口 (b) 4#人工断口 (c) 6#疲劳断口 (d) 6#人工断口 图5 断口金相图 为了对其断裂特征进行进一步的研究,在断口附近取金相样,通过图 5 进行显微组织的分析。由图 5 可以看出人工断口和疲劳断口金相图中,4#断口截面显微组织中存在较多变质不良的长条状 Si 相有的区 域变质不良的 Si 相呈聚集状态,即存在较多局部 Si 相变质不良的区域。疲劳断裂类型有的部位是沿晶界 断裂,有的是穿晶断裂,无明显规律。6#断口截面显微组织 Si 相呈小的颗粒状,只有很少区域存在变质 不良的 Si 相,断口形貌无明显规律。轮辐靠近表层部分存在较多变质不良的 Si 相,呈小长条状,而心部 Si 相绝大部分呈细小颗粒状,变质良好。这可能是导致前述中人工断口表层和心部形貌差异的原因。 3 结论 (1)低压铸造 A356 轮毂组织中,A1 基体的共晶 Si 呈细小颗粒状不均匀分布于晶界处。轮毂不同部 位处的晶粒大小有差别。当 Sr 变质效果不明显时(4#轮毂),轮毂显微组织中存在较多的长条状 Si 相,且 呈杂乱无章分布,弯曲疲劳性能较弱;当 Sr 变质效果良好时(6#轮毂),共晶硅颗粒均匀细小,圆整度高。 (2)低压铸造 A 356 轮毂中,Sr 变质效果良好时(6#轮毂),其弯曲疲劳性能较好,屈服强度比 4#轮 毂的屈服强度提高了 0.5%~1.0%,抗拉强度提高了 0.6%~1.3%,延伸率提高了 2%~6.5%。 (3)导致两车轮弯曲疲劳试验结果差异大的主要原因是 Sr变质效果的影响。 参考文献: [1] 王晓敏,董尚利,周玉,等. 工程材料学[M]. :哈尔滨工业大学山版社,2005. 146-152. [2] Johnsson Mat.Grain Refinement of Aluminium Studied by Use of A Thermal Analytical Technique[J]. Thermochimica Acta, 1995,256:107~121. 100μm (a) (b) (c) (d)
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