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[摘 要]本文主要分析了微观孔洞对铝合金压铸件疲劳性能的影响，首先对其疲劳性能的实验方法进行了概述，进而针对其实验结果展开了相关研究，主要分析了疲劳裂纹的起源以及孔洞对疲劳性能的影响等，并结合本次研究，采用三维X 射线断层扫描的重构数据同其中的有限元分析相结合，计算和分析了实际微观孔洞引起的应力情况，希望能够为相关微观孔洞对铝合金压铸件疲劳性能的影响研究提供帮助。
[关键词]微观孔洞；铝合金；压铸件；疲劳性能
中图分类号：TG146.21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0053-01
在目前的技术条件下对于铝、镁等合金金属进行精确的成型，其所采用的常用方法为压铸法。在此过程中合金金属会在高温的条件下呈液体状态，从而能够迅速完成造型的填充，而常常也会在此过程中因气体的进入而出现孔洞情况，导致金属成型后出现缺陷，致使金属铸件的力学性能大大降低，同时也会诱发其产生疲劳性裂纹。因此本文将研究铝合金的压铸件在不同条件下的应力水平，采取相应的疲劳测试，在基于金属铸件样本的三维X射线行断层扫描的情况下，研究其内部微观孔洞对于其疲劳性能产生的影响。
一、概述
在行X射线断层扫描的分析以及相关的疲劳测试当中，所选用的合金金属铸件样本材质为ADC12，零件质量为5843g，实际大小情况经测量为470mm×350mm×60mm，在对于合金金属铸件进行压铸的过程当中，所采用的浇注温度为670oC，低速及高速压铸的速度通常位于0.125～0.825m/s之间以及4.255m/s之上，其增压压力数值为70MPa。对其行疲劳性能的测试，依据其金属成分的标准选取测试合金金属样本35个进行疲劳性能的测试，其所选取样本的壁垒厚度均为3x5mm左右。在进行合金铸件的疲劳性能测试之前，对所选取的35个金属样本均行高分辨率X射线的断层扫描，对其标准距离的孔洞位置进行无损坏质量检测。进而依据扫描所获得的CT扫描样本切片图像，从而实现对合金铸件的孔洞位置三维图像的重新构建，最终获得35个试验样本中心孔洞位置的体积大小、表面积以及分布位置情况等内容。
二、结果及其分析
1、疲劳裂纹的起源分析
为了实现对合金金属铸件样本当中因裂纹而引发的疲劳性能缺陷，可选用SEM手段对本次研究所选取的35个样本进行断口的观察及分析。通过实验结果的情况表明，有大于75%的疲劳样本失去其效能，均是因金属孔洞的问题所引发的。在合金铸件其相等效能的情况下直径超过100μm以上的铸件孔洞，通常会致使其出现疲劳性断裂的诱发性因素，而在直径超过200μm以上的孔洞则更加容易引发铸件出现疲劳性断裂，产生疲劳性裂纹严重者甚至会引发断裂失效，如图1所示。
2、孔洞对疲劳性能的影响
采用单对数坐标对疲劳应力与寿命数据作图，可得到如下的 S？N 图（见图2），选用单对数的坐标体系来对于合金铸件的疲劳应力情况及寿命进行数据处理，将存在显著差异的孔隙率铸件样本可采用相应的计算公式进行数据处理，其具体公式可表示为：
其中表示铸件实验样本在特定的疲劳周次亦或之下所产生的疲劳性能断裂情况占本次实验所有样本当中分数比例；代表疲劳铸件实验样本的疲劳周次情况；代表具有一定特征性的疲劳寿命，其中大致包含了63.3%的铸件实验样本存在疲劳断裂的情况；表示疲劳寿命的基础数值情况；m代表参数的分布形状系数情况，及其表征数据情况的分散特性。
3、疲劳寿命预测
因为在所有合金金属铸件的实验样本当中孔洞情况均有不同程度的存在，同时又由于相应的疲劳裂纹通常会由相应的空挡当中所源发，因此对于疲劳裂纹的产生阶段在实验当中可以将其忽略不计，合金逐渐的疲劳寿命评价通常选取逐渐的裂纹发展阶段来确定。同时需要综合考虑裂纹在终止之时的发生因素情况，当=0.1之时，；=-1之时，。将此两项公式分别取以对数并进行数据处理后可得：。
依据在实验当中所获取的疲劳应力、寿命及临界孔洞的尺寸等，对于样本铸件孔洞疲劳模型的参数以及行线性回归的拟合分析，其所得到的数值为B=6.02e21，m=6.62。因此关于合金金属铸件的孔洞—疲劳寿命预估公式即可表示为=6.02e21（）-6.62。如图3所示。
4、孔洞周围应力的三维有限元分析
对于合金金属铸件的内部孔洞所产生的应力情况，采取有限元的分析，能够明确掌握当中孔洞的体积大小、表面形状以及具体位置等情况进行分析，以及对于铸件疲劳性失效的影响。基于三维X射线断层扫描能够重新构建，获得其中孔洞的实际立体三维数据模型，从而展开对孔洞所引发的应力集中情况进行相应的有限元分析。
结束语
通过本次研究结果表明，在铝合金金属的铸件样本疲劳实验当中其显示出，孔隙发生率的增加，相应的金属疲劳寿命也会有不同程度的减少。通过实验的检验，进而分析微观孔洞对铝合金压铸件疲劳性能的影响，其中主要的影响因素包括疲勞裂纹的起源分析、孔洞对疲劳性能的影响、疲劳寿命预测、孔洞周围应力的三维有限元分析等。最终希望通过本文的研究，能够为相关的研究人员及金属加工制造企业提供一些参考、借鉴。
参考文献
[1] 赵海东，吴朝忠，李元元等.垂直向上凝固Al-Cu铸件中微观孔洞形成的数值模拟[J].金属学报，2013， （11）.
[2] 杨文，李金玺，韩志强等.挤压铸造压力对铝合金铸件微观孔洞影响的研究[J].特种铸造及有色合金，2011， （1）.
[3] 董杰，陈学东，范志超等.基于微观孔洞型损伤的疲劳蠕变寿命预测方法[J].机械强度，2013， （4）.
[关键词]微观孔洞；铝合金；压铸件；疲劳性能
中图分类号：TG146.21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0053-01
在目前的技术条件下对于铝、镁等合金金属进行精确的成型，其所采用的常用方法为压铸法。在此过程中合金金属会在高温的条件下呈液体状态，从而能够迅速完成造型的填充，而常常也会在此过程中因气体的进入而出现孔洞情况，导致金属成型后出现缺陷，致使金属铸件的力学性能大大降低，同时也会诱发其产生疲劳性裂纹。因此本文将研究铝合金的压铸件在不同条件下的应力水平，采取相应的疲劳测试，在基于金属铸件样本的三维X射线行断层扫描的情况下，研究其内部微观孔洞对于其疲劳性能产生的影响。
一、概述
在行X射线断层扫描的分析以及相关的疲劳测试当中，所选用的合金金属铸件样本材质为ADC12，零件质量为5843g，实际大小情况经测量为470mm×350mm×60mm，在对于合金金属铸件进行压铸的过程当中，所采用的浇注温度为670oC，低速及高速压铸的速度通常位于0.125～0.825m/s之间以及4.255m/s之上，其增压压力数值为70MPa。对其行疲劳性能的测试，依据其金属成分的标准选取测试合金金属样本35个进行疲劳性能的测试，其所选取样本的壁垒厚度均为3x5mm左右。在进行合金铸件的疲劳性能测试之前，对所选取的35个金属样本均行高分辨率X射线的断层扫描，对其标准距离的孔洞位置进行无损坏质量检测。进而依据扫描所获得的CT扫描样本切片图像，从而实现对合金铸件的孔洞位置三维图像的重新构建，最终获得35个试验样本中心孔洞位置的体积大小、表面积以及分布位置情况等内容。
二、结果及其分析
1、疲劳裂纹的起源分析
为了实现对合金金属铸件样本当中因裂纹而引发的疲劳性能缺陷，可选用SEM手段对本次研究所选取的35个样本进行断口的观察及分析。通过实验结果的情况表明，有大于75%的疲劳样本失去其效能，均是因金属孔洞的问题所引发的。在合金铸件其相等效能的情况下直径超过100μm以上的铸件孔洞，通常会致使其出现疲劳性断裂的诱发性因素，而在直径超过200μm以上的孔洞则更加容易引发铸件出现疲劳性断裂，产生疲劳性裂纹严重者甚至会引发断裂失效，如图1所示。
2、孔洞对疲劳性能的影响
采用单对数坐标对疲劳应力与寿命数据作图，可得到如下的 S？N 图（见图2），选用单对数的坐标体系来对于合金铸件的疲劳应力情况及寿命进行数据处理，将存在显著差异的孔隙率铸件样本可采用相应的计算公式进行数据处理，其具体公式可表示为：
其中表示铸件实验样本在特定的疲劳周次亦或之下所产生的疲劳性能断裂情况占本次实验所有样本当中分数比例；代表疲劳铸件实验样本的疲劳周次情况；代表具有一定特征性的疲劳寿命，其中大致包含了63.3%的铸件实验样本存在疲劳断裂的情况；表示疲劳寿命的基础数值情况；m代表参数的分布形状系数情况，及其表征数据情况的分散特性。
3、疲劳寿命预测
因为在所有合金金属铸件的实验样本当中孔洞情况均有不同程度的存在，同时又由于相应的疲劳裂纹通常会由相应的空挡当中所源发，因此对于疲劳裂纹的产生阶段在实验当中可以将其忽略不计，合金逐渐的疲劳寿命评价通常选取逐渐的裂纹发展阶段来确定。同时需要综合考虑裂纹在终止之时的发生因素情况，当=0.1之时，；=-1之时，。将此两项公式分别取以对数并进行数据处理后可得：。
依据在实验当中所获取的疲劳应力、寿命及临界孔洞的尺寸等，对于样本铸件孔洞疲劳模型的参数以及行线性回归的拟合分析，其所得到的数值为B=6.02e21，m=6.62。因此关于合金金属铸件的孔洞—疲劳寿命预估公式即可表示为=6.02e21（）-6.62。如图3所示。
4、孔洞周围应力的三维有限元分析
对于合金金属铸件的内部孔洞所产生的应力情况，采取有限元的分析，能够明确掌握当中孔洞的体积大小、表面形状以及具体位置等情况进行分析，以及对于铸件疲劳性失效的影响。基于三维X射线断层扫描能够重新构建，获得其中孔洞的实际立体三维数据模型，从而展开对孔洞所引发的应力集中情况进行相应的有限元分析。
结束语
通过本次研究结果表明，在铝合金金属的铸件样本疲劳实验当中其显示出，孔隙发生率的增加，相应的金属疲劳寿命也会有不同程度的减少。通过实验的检验，进而分析微观孔洞对铝合金压铸件疲劳性能的影响，其中主要的影响因素包括疲勞裂纹的起源分析、孔洞对疲劳性能的影响、疲劳寿命预测、孔洞周围应力的三维有限元分析等。最终希望通过本文的研究，能够为相关的研究人员及金属加工制造企业提供一些参考、借鉴。
参考文献
[1] 赵海东，吴朝忠，李元元等.垂直向上凝固Al-Cu铸件中微观孔洞形成的数值模拟[J].金属学报，2013， （11）.
[2] 杨文，李金玺，韩志强等.挤压铸造压力对铝合金铸件微观孔洞影响的研究[J].特种铸造及有色合金，2011， （1）.
[3] 董杰，陈学东，范志超等.基于微观孔洞型损伤的疲劳蠕变寿命预测方法[J].机械强度，2013， （4）.