含疏松缺陷的ZL205A合金力學性能研究

趙朋飛，王育紅，張新運，李宏民

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含疏松缺陷的ZL205A合金力學性能研究

趙朋飛，王育紅，張新運，李宏民

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854）

目的獲取含疏松缺陷ZL205A材料主要力學性能參數(shù)的變化規(guī)律及力學行為。方法通過單軸拉伸實驗測試，采用割線法估算含不同等級疏松ZL205A試樣的力學性能參數(shù)；基于試樣斷面及載荷-位移曲線分析，歸納ZL205A材料的力學行為，并通過有限元模擬對假設的力學模型進行驗證。結果發(fā)現(xiàn)ZL205A材料的抗拉強度、伸長率、彈性模量及屈服強度指標呈現(xiàn)隨疏松等級增加而降低的趨勢，材料變形塑性屈服階段不明顯且具有脆性斷裂特征。結論 Ramberg-Osgood方程適合于描述ZL205A材料的彈塑性本構關系。

疏松缺陷；ZL2015A試樣；力學性能參數(shù)；本構關系

隨著新一代高性能飛行器的快速發(fā)展，結構輕量化及不斷挖掘材料/結構儲備強度成為設計師和材料研究人員不斷追求的重要指標，其中高比強度和高比剛度材料是飛機、導彈等裝備性能提升的關鍵因素[1—4]。ZL205A合金是我國自行研制的高強度鑄造鋁合金材料，適用于鑄造生產(chǎn)形狀復雜、比強度要求高、整體性能要求均一的零件，是國內(nèi)目前應用的強度和綜合力學性能最好的鑄造鋁合金，與國外同類材料相比處于領先水平[5]。近年來，ZL205A合金先后應用于航天多個型號產(chǎn)品中，用于制造承受較大載荷的殼體鑄件。該合金材料各種元素比重及熔點差別大、合金結晶溫度范圍寬、流動性差、體積收縮率大，加上殼體鑄件形狀及結構復雜、壁厚不均，在合金熔煉、澆注及鑄件冷卻、凝固過程中很容易產(chǎn)生成分偏析、疏松、氣孔、針孔、微裂紋等缺陷[6—8]。

目前，影響某型號產(chǎn)品殼體鑄造質量及力學性能的主要缺陷是疏松，直接引用航空標準《鋁合金鑄件規(guī)范》[9]進行質量檢測可能過于嚴格而導致鑄件合格率偏低。原因可能是該標準制定的適用對象是飛機結構件，其全壽命期服役時間及承受載荷的復雜程度遠高于航天某型號產(chǎn)品。因此，有必要對含不同等級疏松缺陷的ZL205A材料的力學性能及變化規(guī)律進行分析和研究，為制定適用于航天型號用鑄件質量檢測的標準提供技術支撐，從而達到節(jié)約型號研制成本及保障產(chǎn)品質量的目的。

1 實驗測試及結果

1.1 試樣制備

以某型號殼體鑄件為基材進行試樣制備，首先利用X射線無損探傷手段對鑄件進行完整的內(nèi)部質量檢測，檢測出的鑄造缺陷包括疏松、偏析、針孔等形式；然后選取包含疏松缺陷為主的殼體區(qū)域進行材料試片切取，利用機加工方法按照《金屬室溫拉伸試驗方法》[10]的規(guī)定制作成圓棒狀試樣，形狀及名義尺寸分別見圖1和表1。制備好的試樣及含缺陷基材如圖2所示，實驗前在試樣中間短徑區(qū)域涂抹紅色涂料，用于測試試樣拉伸斷裂伸長率。

表1 圓形拉伸試樣名義尺寸

該次實驗總計制作了46件圓形拉伸試樣，制作完成后對每件試樣進行了細致的內(nèi)部質量檢測，檢測結果按照《鋁合金鑄件規(guī)范》有關規(guī)定對試樣包含的疏松缺陷進行了具體評級和分類，獲得共計包括5個（I～V）等級的疏松缺陷，形態(tài)主要分為分散狀和海綿狀。典型的I～V級分散及海綿狀疏松缺陷如圖3所示，通過對比可以看出，隨著缺陷等級的增加，疏松在材料中所占區(qū)域面積逐漸擴大，并且疏松表面粗糙度逐漸變大，造成材料表面起伏及凹凸不平的形態(tài)不斷惡化，這可能是導致含高疏松等級試樣的材料參數(shù)及抗拉強度等性能指標下降的本質原因[11—12]。

a I級分散狀 b II級分散/局部狀 c III級局部分散/海綿狀

d IV級局部分散/海綿狀 e V級局部海綿狀

圖3 典型疏松缺陷形貌的X射線檢測照片（1×）

1.2 單軸拉伸實驗測試

該次單軸拉伸實驗測試使用液壓伺服驅動的微機控制電子萬能試驗機完成，設備型號為新三思CMT5105，最大量程為100 000 N，數(shù)據(jù)測量準確度為±0.5%，實驗重復性偏差為±0.3%。如圖4所示，實驗時，通過下夾具將試樣一端固定，另一端由上夾具夾持固定住；通過上夾具的移動將載荷施加到試樣，該儀器加載模塊配備有大量程的測力傳感器。實驗過程中載荷和加載點位移的大小分別由力傳感器和差動變壓器裝置來實時、連續(xù)監(jiān)測和記錄，并在控制微機上輸出為載荷-位移曲線。隨著載荷的單調(diào)增加，試樣中央?yún)^(qū)域不斷伸長和截面頸縮，超過破壞極限載荷后，試樣斷裂為兩部分，同時加載位移不再增加。實驗測試均在恒定的位移加載速率0.01～0.05 mm/min和室溫（25±2）℃條件下進行。通過觀察試樣斷裂過程、位置和形態(tài)特征（如圖5所示），及對比實驗所測得的載荷-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)實驗結果重復性較好，可信程度較高。

圖4 單軸拉伸實驗測試裝置

圖5 典型試樣拉伸斷裂后形態(tài)

為便于掌握ZL205A試樣的斷裂特征及機理，依次使用掃描電鏡對典型試樣斷面的微觀形貌進行了觀察和分析。如圖6a所示，試樣中央部分并沒有發(fā)生明顯的金屬類材料拉伸斷裂特有的“頸縮”現(xiàn)象，斷口比較平整，無尖銳的拉斷毛刺。參照圖3給出的疏松形貌，在斷面上可以觀察到不均勻分布的疏松缺陷，通過局部放大可以看出疏松區(qū)域內(nèi)散布有偏析、夾雜、針孔等微缺陷，如圖6b—d所示。由于不同等級疏松試樣的拉伸斷裂位置不盡相同，在斷面上并沒有全部觀察到疏松缺陷形貌，表明雖然疏松區(qū)域會對構件整體性能產(chǎn)生影響，但它不一定是構件強度最薄弱的位置。此外，通過對斷面進行金相組織（如圖7所示）顯微分析顯示，疏松等微缺陷在鑄造過程中主要沿著微組元的邊界進行生成和分布。這些微觀結構特征直接影響著材料及結構的宏觀性能和力學行為[12—14]。

如圖8所示，實驗測試所得各等級疏松試樣的拉伸載荷-位移曲線表現(xiàn)出比較相似的形狀和趨勢，即隨著加載點位移增加，載荷最初基本上隨之線性增大，在試樣材料達到屈服后直接進入塑性強化階段，待局部應力達到抗拉強度后產(chǎn)生裂紋并迅速擴展至完全斷裂，此時出現(xiàn)載荷的急劇卸載及加載位移終止。通過進一步分析及對比可以看出：各曲線彈性變形階段的抖動及變化不均勻，可能是由儀器測量誤差、實驗夾具間隙、疏松缺陷等因素引起的；隨著試樣疏松等級的增加，載荷-位移關系逐步趨于線性化，即材料的線彈性力學行為逐漸顯著，這可能與鑄造缺陷引起的材料微結構演化有關；如圖8f所示，不同等級載荷-位移曲線彈性變形段變化趨勢較為一致，表明疏松缺陷等級對材料的彈性常數(shù)影響較小，可能V級及以上疏松才出現(xiàn)明顯分化，但疏松等級對材料強度性能退化的影響較為明顯。

2 結果與分析

2.1 材料性能參數(shù)估算

2.1.1 抗拉強度及延伸率

選取實驗所測單調(diào)載荷-位移曲線中載荷開始出現(xiàn)快速卸載的位置，作為試樣發(fā)生斷裂時的極限載荷max，可由式（1）和式（2）計算求得抗拉強度b和延伸率，

(2)

式中：0為試樣中央部分理論截面直徑；0和c為實驗前后試樣標距。

各等級疏松試樣的抗拉強度及延伸率指標見表2，限于篇幅表中僅列出部分試樣的計算結果。試樣拉伸性能指標對比及與疏松等級的關系如圖9所示，可以看出，抗拉強度總體分散程度小于伸長率，這可能由試樣標定及標距測量等人為操作因素較多引起的。平均抗拉強度及延伸率均隨試樣含疏松等級的增加而降低，表明合金材料強度及塑性指標不斷退化，斷裂特性逐漸傾向于脆性材料，這可能與疏松缺陷區(qū)域增大和微結構劣化對材料強度及力學行為的影響有關[12—13]。

表2 含不同等級疏松試樣的抗拉強度及延伸率計算結果

2.1.2 彈性模量及屈服應力

一般地，試樣的拉伸載荷-位移曲線在很大程度上是材料拉伸應力-應變關系的反映。在一定的變形范圍內(nèi)，可以利用載荷-位移曲線對材料的彈性模量、屈服強度、抗拉強度等力學性能參數(shù)進行粗略估計。由于試樣拉伸曲線沒有明顯的彈性變形階段，可以采用割線法對材料的彈性模量和屈服應力進行近似估計。如圖10所示，割線1代表試樣彈性變形段的變化趨勢，割線2代表試樣在屈服后斷裂前的變化趨勢。兩條割線斜率的轉折表示試樣發(fā)生屈服和塑性變形，承載剛度發(fā)生變化，交點可近似為屈服應力點。由于試樣在拉伸過程中變形和截面收縮不明顯，假定試樣斷裂區(qū)域截面面積在實驗前后保持不變，可得試樣彈性模量及屈服應力的計算公式：

式中：E為彈性模量；σs為屈服應力；εs為名義屈服應變；Fs為屈服點載荷；A為截面面積；ΔL為試樣伸長量；L0為試樣原始標距；n為位移放大倍數(shù)。

表4列出了含不同等級疏松試樣的彈性模量及屈服應力估算結果，變化趨勢如圖11所示。可以看出，試樣彈性模量及屈服應力整體上隨包含疏松等級的增加而降低，尤其是III級以后明顯加劇。彈性模量的退化趨勢相比屈服應力較為緩和，從圖8f曲線對比中也可以看出，III級模量升高可能與數(shù)據(jù)樣本量及分散程度有關。總之，ZL205A合金內(nèi)部疏松等級增加及微結構惡化造成了材料力學性能的下降，主要表現(xiàn)為材料抗屈服、抗破壞等強度指標的降低，對彈性模量的影響相對較小。通過與文獻[12—14]及相關手冊[9—10]中對ZL205A材料的性能參數(shù)計算結果比較，可以看出文中的參數(shù)估算的結果是比較合理的。

表4 含不同等級疏松試樣的彈性模量及屈服應力估算值

2.2 力學模型驗證

2.2.1 模型假設

鋁合金拉伸應力-應變關系曲線沒有明顯的屈服階段，但有彈性變形段及很好的塑性特性，屬于塑性材料。灰鑄鐵受拉伸時直至斷裂完成局部變形都很不明顯，沒有屈服階段和頸縮現(xiàn)象，屬于典型的脆性材料。對于高強鑄造鋁合金ZL205A，通過進一步分析其拉伸載荷-位移曲線（見圖8），發(fā)現(xiàn)該類合金雖然屬于鋁合金類材料且沒有明顯的屈服階段，但其斷裂形變量小，斷口相對平整且“頸縮”現(xiàn)象不顯著。據(jù)此，可以判斷ZL205A合金的力學行為兼具塑性應力-應變關系及近似脆性斷裂破壞特征[14]，即在積聚彈性應變能并發(fā)生屈服后便迅速達到抗拉強度而引起斷裂。這可能與合金化學成分、鑄造過程、熱處理工藝、內(nèi)部缺陷等材料-冶金因素的綜合作用影響有關。

由此可知，ZL205A材料表現(xiàn)出一種鑄造鋁合金特有的力學行為，即無明顯屈服階段及具有脆性斷裂特征的彈塑性本構關系，鋁合金及鑄鐵材料本構模型可能都無法進行準確描述。如圖12所示，經(jīng)驗的Ramberg- Osgood彈塑性本構方程[15]表示的應力-應變關系與實驗測試的載荷-位移變化趨勢比較接近，故文中假設ZL205A材料拉伸本構模型滿足該方程，具體表達式為：

式中：ε和σ為Von Mises等效應力和等效應變；σ0，n，α為描述材料塑性特征的常數(shù)，一般通過實驗曲線的擬合和校準獲得。如圖12所示，當時，表示彈性應變值，表示不可恢復的塑性應變值，通常也稱作屈服偏離大小。

2.2.2 有限元驗證

利用ABAQUS6.11商用軟件對ZL205A試樣的單軸拉伸實驗進行有限元模擬（FEM），通過模擬載荷-位移曲線與實驗曲線進行對比和校準，以驗證材料遵守R-O彈塑性本構模型的合理性。R-O模型參數(shù)和根據(jù)文獻[16—18]研究結果分別近似地取經(jīng)驗值1.25和3.2。結合表4，依據(jù)實驗載荷-位移曲線可確定方程中的和0的取值。因此，各級疏松試樣都有相應的彈塑性應力-應變關系表達式。

假設材料為均質及各向同性的，建立的圓形拉伸試樣三維有限元實體及網(wǎng)格模型如圖13所示，采用試樣一端固支、另一端布置面力的邊界條件及加載方式，模型包含二次四面體單元（C3D10）共15940個，有效節(jié)點24551個。典型試樣拉伸有限元模擬的Mises應力云圖如圖13b所示，可以看出，在試樣臺階過渡部分的根部附近應力幅值最大，這對于試樣結構形式是顯而易見的，但斷裂不一定發(fā)生在應力最大部位；中間區(qū)域應力幅值雖然相對較小，但可能包含了主要的疏松缺陷區(qū)域，導致此處抗拉強度值可能遠低于過渡段根部，最終在中間區(qū)域某個部位發(fā)生斷裂。

模擬過程中，逐漸增加載荷值并記錄加載端的法向位移y，繪制出模擬載荷-位移曲線與實驗曲線進行對比，在曲線曲率變化段對載荷-位移數(shù)據(jù)進行了密集處理。為了便于觀察分析，這里僅列出I級和II級典型疏松試樣的模擬曲線與實驗曲線的比較情況，如圖14所示。可以看出，在彈性變形階段模擬曲線要比實驗曲線平直，這是因為夾具安裝間隙等引起曲線抖動的因素在理想的計算模型中不會出現(xiàn)。在屈服點以后，由于數(shù)值模擬設置的模量及屈服應力等力學性能參數(shù)不同，導致模擬曲線可能在實驗曲線上方或下方偏出。通過大量模擬計算發(fā)現(xiàn)，含不同疏松等級試樣的模擬曲線與實驗曲線總體趨勢符合性較好，偏離誤差基本控制在15%以內(nèi)。因此，可以認為R-O彈塑性本構方程用于描述ZL205A材料的拉伸應力-應變關系是基本合理的，塑性特性參數(shù)有待于進一步優(yōu)化和檢驗。

3 結論

通過開展圓形試樣的單軸拉伸實驗測試，分析和研究了含不同等級疏松缺陷ZL205A材料力學性能的變化規(guī)律，得到如下結論。

1）采用割線法估算的試樣彈性模量、屈服應力等力學性能參數(shù)隨包含疏松等級的增加而降低。

2）通過試樣斷裂特征及載荷-位移曲線分析，歸納出ZL205A材料的彈塑性力學行為特點是無明顯屈服階段且具有脆性斷裂特征。

3）通過有限元模擬及實驗曲線校準，Ramberg- Osgood方程用于描述ZL205A材料的彈塑性本構關系是合理的。

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Mechanical Properties of the ZL205A Alloy of Porosity Defect

ZHAO Peng-fei, WANG Yu-hong, ZHANG Xin-yun, LI Hong-min

(Aerospace Science & Industry Corp Defense Technology R&T Center, Beijing 100854, China)

Objective To obtain variation rules and mechanical-behaviors of the main mechanical properties of ZL205A materials of porosity. Methods By uniaxial tensile testing, mechanical properties of ZL205A specimens including various grades of porosity were estimated with the secant method; based on analysis of fractured surface and load-displacement curve of specimens, the mechanical-behaviors and model of ZL205A materials were assumed and validated by finite element modeling. Results Values of tensile strength, extensibility, elastic modulus and yield strength of ZL205A materials exhibited decreasing trend with the increase of porosity grade. The materials in deformation had no obvious plastic yielding stage and brittle fracture. Conclusion The Ramberg-Osgood equation is suitable for describing the elastoplastic constitutive relationship of ZL205A materials.

porosity defect; ZL205A specimen; mechanical property; constitutive relationship

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.017

TJ04

A

1672-9242(2017)08-0088-07

2017-04-04；

2017-05-04

趙朋飛（1985—），男，博士，高級工程師，研究方向為裝備材料/結構環(huán)境、力學與可靠性技術。