孔洞缺陷对高铁动车组铝合金齿轮箱疲劳性能的影响

徐贵宝， 马俊成， 梁 超

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏 常州 213011）

0 引言

铝硅系铸造合金因具有优异的铸造性能、足够的力学性能、中等的机械加工性能，以及具有质量轻、耐腐蚀、可回收利用等优点，而被广泛用于飞机、轮船、汽车以及列车的某些复杂铸件中[1]。近年来，随着我国各行业高速度和轻量化的发展，尤其是中国高速铁路的崛起，铸造Al-Si系合金的应用将更为广泛，同时对其性能提出了更高的要求。Al-Si合金产品在高铁应用中往往承受交变载荷，因此有必要研究其疲劳性能。

影响铝合金疲劳性能的因素有很多，如二次枝晶间距（SDAS）、共晶硅形貌特征以及铸件内部和表面缺陷等，其中孔洞类缺陷是主要影响因素之一。在服役过程中，孔洞缺陷使铸件的相应有效承载面积减小，导致缺口效应，造成局部应力集中，成为疲劳裂纹源，从而影响到铸件的抗疲劳和抗断裂性能[2-5]。本研究所述的孔洞缺陷主要指疏松和针孔，这两者之间既有区别又有联系。疏松是低倍横向试样经浸蚀后才能显现的分散性密集小空洞，边界参差不齐，多带棱角，近似锯齿状，颜色发暗，底部为尖狭的凹坑。疏松一般分为收缩疏松和气体疏松两种：1）收缩疏松是在结晶过程中，在树枝晶枝杈间因液体补充不足而形成的空腔；2）气体疏松是在结晶过程中，由于熔体中含氢量较高，在枝杈间氢气析出占据收缩位置而形成的空腔。针孔是低倍的横向试样未经浸蚀可显现的表面光滑的圆形或椭圆形空洞。在熔炼和浇注时，铝液容易吸收大量的氢气，冷却过程中因其溶解度的降低而不断析出。在一般生产条件下，特别是在厚大断面砂型铸件中，很难避免针孔和疏松的产生，在空气相对湿度较大时针孔尤其严重。针孔和疏松之间常常是相互伴随产生，都与氧化膜的存在密切相关。

据文献报道，当孔洞尺寸较大时，裂纹可能从单一的大孔洞萌生和扩展；当孔洞较小时，导致疲劳破坏的孔洞缺陷存在一个关键尺寸，如果材料中仅含有小于此尺寸的孔洞缺陷，那么孔洞缺陷将不是影响疲劳寿命的主要因素。一些学者研究认为这一尺寸在20～100 μm之间[6-8]。

我国高速动车组齿轮箱所用材料为AlSi7Mg合金，且在其服役过程中的主要失效形式为疲劳裂纹[9]。本文研究疏松和针孔缺陷对该合金疲劳性能的影响，并讨论其作用机制，以便在实际生产过程中采取适当措施，避免或减少疏松和针孔的产生，从而提高产品的抗疲劳性能。

1 试验过程

本试验包括两个方面的内容：1）对齿轮箱实物本体取样，试样中存在疏松微孔缺陷，然后对试样进行疲劳测试；2）人为制作纯针孔试样，并采用X射线探伤进行针孔分级，然后在试验机上进行疲劳试验。

1.1 实物本体取样

表1 AlSi7Mg 合金化学成分（质量分数 /%）Table 1 Chemical composition of AlSi7Mg alloy (mass fraction /%)

图1 铝合金齿轮箱解剖试样选取位置Fig.1 Selection position of the specimens from the aluminum alloy gearbox

1.2 针孔试样的制备

为获得不同等级的纯针孔试样，试验采用向铝液中添加不同量新鲜树枝并搅拌的方式。众所周知，树枝内含较多水分，加入铝液中，受热分解产生大量气体，包括H、CO2等，其部分H终将以针孔形式析出，其余气体从铝液中逸出，并带走铝液内的夹杂物，净化了铝液，从而获得了纯针孔试样。而后，对各组试样进行统一线切割加工，并采用X射线检测分级。

1.3 疲劳试验方法

疲劳试验在高频疲劳试验机上进行，相关要求按照 GB/T 3075—2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》执行。该测试在室温环境下完成，试样形状和尺寸见图2。测试过程采用总应力控制，加载方式轴向，应变比为R=0.1，正弦波加载，频率约为80 Hz，测试完成后，通过扫描电镜对试样断口进行观察分析。

图2 疲劳试样的形状和尺寸Fig.2 Shape and dimension of the fatigue sample

2 结果与分析

2.1 箱体疏松对疲劳性能的影响

图3为齿轮箱材料AlSi7Mg合金的S-N曲线。从图可以看出，随着加载应力的逐渐降低，试样的疲劳寿命不断增加。当加载应力低于160 MPa时增加速率较快；当加载应力值降为120 MPa时，疲劳寿命达到106次，进入了材料的长寿命区；继续降低应力值到92 MPa时，疲劳寿命值为107次，达到超长寿命或无限寿命区。由此可得，高速动车组齿轮箱体材料AlSi7Mg合金的拉压疲劳极限值约为92 MPa。对S-N曲线的线性部分做拟合，得到加载应力σ与疲劳寿命Nf的方程：

图3 合金 AlSi7Mg 的 S-N 曲线Fig.3 S-N curve of AlSi7Mg alloy

在齿轮箱的制备过程中，添加了合金元素Ti进行晶粒细化，采用长效变质剂Sr进行变质处理。从图4可以看出，试样中的硅相已转变为颗粒状或棒状，测得α-Al相的SDAS平均值为36 μm，表明共晶硅相和枝晶大小已经得到良好控制。在齿轮箱的实际生产过程中，铝液的精炼除气效果良好，采用低压反重力的方式进行浇注，可有效地避免针孔和氧化夹杂等缺陷。一般地，铸造铝合金铸件内部疏松缺陷难以避免，特别是砂型铸造厚大件，在几乎所有的疲劳断口试样上都可以观察到大小不等的疏松孔洞[10-12]。所以影响齿轮箱材料的疲劳性能的主要因素将是铸造疏松缺陷。

图4 AlSi7Mg 合金微观组织Fig.4 Optical micrograph of modified AlSi7Mg alloy

图5是加载应力分别为190、110 MPa的2个试样疲劳源附近的SEM断口形貌，可以看出，两疲劳源处均存在明显的疏松空洞。图5a中疏松尺寸较小，约为100 μm，与试样边缘连通；图5b的疏松形状不规则，尺寸超过300 μm，紧邻试样边缘。

图5 疲劳断口源区形貌Fig.5 Morphology of fatigue fracture source region

图6为加载应力为90 MPa的试样断口SEM照片。裂纹起始于图6a箭头所指处，断口可分为3部分：疲劳源区、裂纹扩展区、瞬断区。疲劳源处存在明显的疏松，大致呈椭圆状，距试样表面约 15 μm，其最大尺寸约 300 μm（图 6b）。除了裂纹源处的疏松，断口上还有一处圆形疏松（图 6a中圆环处），直径约 250 μm，距离试样表面约300 μm。但值得注意的是，裂纹并未从此处起始。裂纹扩展区呈羽毛状，表现出疲劳条带特征（图6c）。瞬断区由韧窝构成，呈现出韧性断裂的特点（图 6d）。

图6 试样的疲劳断口（σ=90 MPa）Fig.6 Fatigue fracture of specimen (σ=90 MPa)

对试样断口的观察表明，所有的试样疲劳裂纹均起始于试样内部的疏松。疏松的大小、形状和位置对试样的疲劳裂纹萌生有重要的影响。对于材料的高周疲劳，裂纹萌生占据了其疲劳寿命的大部分时间。所以试样内部疏松的分布决定了试样的寿命。通过对齿轮箱多个试样断口观察并联系其疲劳寿命，得出如下结论：

对地震测量数据的分析还显示，浅水流砂体不仅表现出了强均方根振幅和明显弱相干性的地震特征，同时也表现出了明显的古峡谷水道特征。在这些已知的浅水流砂体物性特征的基础上，结合区域内的钻井数据，可以对潜在浅水流砂体的分布进行有效识别和预测。

1）当疏松位于表面或临近试样表面时，疲劳裂纹将萌生于疏松；

2）疏松孔洞的尺寸越大，或者形状越不规则，越有利于疲劳裂纹的产生；

3）远离试样表面的内部疏松对其疲劳断裂影响较小。

2.2 试样针孔对疲劳性能的影响

图7为射线探伤针孔分别为7～8级、4～5级、2～3级试样的S-N曲线，对应的拉压疲劳极限分别为 50、62、70 MPa，针孔孔洞面积分数分别为2.13%、1.48%、0.41%。对疲劳极限强度σ0.1与孔洞面积分数Qf进行拟合，得到高拟合优度的线性关系式：

图7 不同等级针孔试样的疲劳 S-N 曲线Fig.7 S-N curves of specimens with different levels of pinholes

由图7可见，在高寿命低应力区，随着孔洞体积率的增加，疲劳寿命缩短；但在低寿命高应力区，这种关系并不存在，可能疲劳寿命与单个孔洞的大小和位置更加相关，位于表面的单个孔洞尺寸越大，决定了试件疲劳寿命越短。对于射线探伤针孔7～8级的试样其拉压疲劳极限比较分散，可能也是因为单个较大孔洞的大小和位置对疲劳寿命的影响更大。从图8可以看出，在射线检测针孔7～8级试样断口上存在诸多较大孔洞缺陷，直径约 1 mm。

图8 7～8级针孔试样疲劳断口Fig.8 Fatigue fracture of specimen with 7～8 level pinhole

3 讨论

3.1 孔洞尺寸对疲劳寿命的影响

对于疲劳裂纹萌生于孔洞的情况，当孔洞尺寸较大时，裂纹萌生时间较短，裂纹扩展时间可以近似地被认为是疲劳寿命。应用Paris[13-14]提出的裂纹扩展速率公式，即

式中：N为循环周次数；A为裂纹长度；C和m均为材料常数；ΔK为裂纹扩展驱动力[15]，

其中，σA为引起裂纹萌生的孔洞处的应力大小，d为孔洞尺寸，F为裂纹形状系数（对于内部缺陷F=0.5）[2,16]。

将孔洞尺寸di视为裂纹初始长度，对式（3）积分可得：

式（4）给出初始孔洞尺寸di与试样寿命Nf以及加载应力σA之间的关系。对于AlSi7Mg合金C 和 m 分别取 2.744×10−12和 4.03，这里取 m=4，得到：

根据式（5）可知，在一定的加载应力下，疲劳寿命与孔洞尺寸成反比；随着加载应力的降低，在孔洞尺寸相同的情况下，材料的寿命逐渐增大。在高加载应力情况下，表面较大尺寸的孔洞决定了材料的疲劳寿命；在低加载应力情况下，由于应力长时间的反复作用，尺寸大于某临界值的小孔洞也有可能成为裂纹源。

3.2 影响孔洞大小的因素

铸件中疏松或针孔孔洞的形成条件可用下面的统一形式表示：

式中，Pg为气体的析出压力；Ps为对疏松孔洞补缩的阻力；Pa为大气压力；Po为外部压力；ρgH为孔洞上的金属液压力；σ为气液界面上的表面张力；r为孔洞半径。

在通常的铸造条件下，变化的参数为Pg和Ps，影响孔洞形成的因素主要是熔体中气体的含量和铸件凝固的补缩行为。熔体中气体含量愈多，则铸件结晶时随气体溶解度变化而析出的气体压力Pg愈大，形成气体孔洞的可能性更大。铸件以体积方式凝固，凝固区域的宽度越大，枝晶越发达，孔洞补缩的阻力Ps越大，产生疏松孔洞的倾向越大；或者由于铸件的凝固补缩扩张角较小，在封闭区域得不到液体补缩，导致补缩阻力Ps较大，形成疏松孔洞的倾向大。

3.3 解决孔洞缺陷的措施

在实际铸造条件下，为解决铝合金铸件中的孔洞缺陷，提高产品疲劳性能，可采取以下措施：

1）加强精炼和除气，减少熔体非金属夹杂物和气体含量，或者采用反重力浇注方式，如低压或差压铸造工艺，减少夹杂物进入铸型，阻止熔体中的非自发气泡核的形成，延缓气泡半径r的长大；

2）采用低压或压力铸造的方式，其施加压力Po使疏松或针孔产生的可能性减小；

3）采用金属型铸造，或在厚大部位或关键部位设置冷铁，提高凝固过程的温度梯度，加强补缩，减小孔洞补缩的阻力Ps，缩短气泡半径r的长大时间，减少针孔倾向。

4 结论

1）通过对铸造铝合金高铁齿轮箱疲劳性能的研究表明：临近试样表面的疏松缺陷，成为明显的疲劳裂纹源，远离试样表面的疏松对疲劳断裂影响较小；疏松的尺寸越大，或者形状越不规则，越有利于疲劳裂纹的产生。

2）对针孔缺陷的试验研究表明，随着针孔缺陷射线等级的增加，轴向R=0.1下的疲劳极限强度σ0.1逐渐降低，并且与孔洞面积分数存在高线性相关性。

3）在一定的加载应力下，疲劳寿命与孔洞尺寸成反比；在孔洞尺寸相同的情况下，随着加载应力的减少，材料的疲劳寿命逐渐增大。在高加载应力情况下，表面较大尺寸的孔洞决定了试样的疲劳寿命；在低加载应力情况下，尺寸很小的孔洞也可成为裂纹源。

4）在实际生产过程中，采取低压或压力铸造工艺，加强精炼除气，提高铸件冷却速度等措施，可有效避免疏松和针孔的产生，从而提高产品的疲劳性能。