一种铝合金铸件力学性能预测方法
一种铝合金铸件力学性能预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及力学数值模拟技术领域，具体涉及一种铝合金铸件力学性能预测方 法。
【背景技术】
[0002] 随着铝合金铸造技术的发展以及铸造铝合金具有重量轻、比强度大、耐腐蚀好、生 产成本低等特点，为铝合金铸件提供了广阔的应用领域，铝合金也逐渐向大型、复杂、高强 度的方向发展，对铝合金铸件的力学性能和内部质量要求也越来越高。力学性能常采用同 炉浇注试样来检测，内部质量检测分为非破坏检查和本体破坏检查，对于大型铸件除必要 时进行本体破坏检查外，一般进行非破坏检查。非破坏检查主要采用射线探伤、超声波探 伤、磁粉探伤等，这些方法都只能在铸件凝固之后对力学性能及内部质量进行检测，而不能 在浇注之前对铸件的性能及其组织进行预测。
[0003]铸件的力学性能是铸件验收的主要指标，很多铸件由于力学性能达不到要求而造 成报废，如某型号军工产品是我国海军舰重要武器装备，其中起落架是关键超大型铝铸件， 其轮廓尺寸达3800*2300*2650mm，净重达2700kg，单原材料费就高达24万元/件，结构非 常复杂，但其力学性能和内部质量要求很高，关键部位要进行X-射线探伤检查，它所用的 ZL114B铝合金结晶范围比较宽，在凝固过程中容易产生显微孔隙缺陷，影响其内部质量，降 低力学性能，所以非常有必要在浇注之前预测铸件的力学性能，了解铸件凝固状况，预测铸 件缺陷，通过改变工艺参数等手段使力学性能达到使用要求。在化学成分和熔铸工艺十 分稳定的生产条件下，铸件的铸态力学性能与铸件的孔隙率（存在显微孔隙时的实际密度 与理论密度的比值）和二次枝晶间距有关，人们对于铝合金铸件的孔隙率和二次枝晶间距 进行了研宄，一般认为显微孔隙是由于氢气、凝固收缩两者相互作用而形成的；二次枝晶间 距主要是由等轴晶形成时的过冷度决定的，研宄的内容涉及显微孔隙形成时的初始条件， 孔隙的大小、形状、分布，金相组织参数，晶粒大小对性能的影响等方面，其中大部分研宄尚 处于基础研宄阶段，还未见到对实际铸件进行力学性能预测的例子，特别是对液固两相区 域较宽的ZL114B铝合金。
【发明内容】
[0004]本申请通过提供一种铝合金铸件力学性能预测方法，通过孔隙率来描述显微孔 隙，从实验中寻找孔隙率、二次枝晶间距与力学性能的关系，建立相应的数学模型，在浇注 前利用计算机模拟凝固过程，描述显微孔隙、二次枝晶间距，从而预测铸件力学性能，保证 铸件一次浇注成功，具有重大应用价值，又可为"性能---组织---铸造工艺CAD"打下基 础。
[0005]本申请采用以下技术方案予以实现：
[0006] 一种铝合金铸件力学性能预测方法，包括以下步骤：
[0007]S1 :饶注试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系；
[0008]S2:构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型；
[0009]S3:通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶的数值，并根据孔隙率、二次枝晶间距与 力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能：抗拉强度UTS和延伸率S，如果预测的力学 性能不达标，则进入步骤S4,如果力学性能达标，则进入步骤S5;
[0010] S4 :改进铸造工艺后跳转到步骤S3 ;
[0011] S5:浇注铸件。
[0012] 该方法研宄显微孔隙和二次枝晶间距对力学性能的影响，建立相应的数学模型及 预测流程，在计算机上把凝固组织的状况显示出来，从而实现在浇注之前预测铸件的力学 性能。
[0013] 进一步地，步骤S1具体包括：
[0014]SI. 1:浇注圆柱形试样和阶梯形试样，制成标准试样，其中圆柱形试样用于测定孔 隙率仁和二次枝晶间距DAS，阶梯形试样用于测定力学性能；
[0015]S1. 2:采用流体静力平衡法测定孔隙率fv，采用直线截取法测定二次枝晶间距 DAS；
[0016]S1. 3:用扫描式电子显微镜SEM观察合金凝固组织、显微孔隙的分布状态，并测试 阶梯形试样不同部位的抗拉强度UTS和延伸率S;
[0017]S1. 4:应用多元性回归方程对试样凝固工艺参数的测量结果进行处理，得到：UTS =27. 102-4. 999fv-0. 0814DAS, 8 = 4. 632-1. 034fv-0. 018DAS。
[0018] 利用上述方程式，可通过观察铸件各个部位的孔隙率fv和二次枝晶间距DAS，预测 铝合金铸件的局部力学性能，达到无损检测的目的。
[0019] 进一步地，步骤S2建立的数学模型具体包括：
[0020] (1)传热方程为：
，式 中：P是液固相的平均密度（kg/m3)，Cp是比热容（kj/kg?k)，T是温度，t是凝固时间，入 是导热系数（kj/kg?k)，L是结晶潜热（kj/kg?k)，仁是固相率（％ );
[0021] (2)显微孔隙的数学模型建立：
[0022] ①在合金凝固过程中，氢气存在于固、液相中，
中：为初始气体浓度（cc/lOOg)，^为液相中气体浓度（cc/100g)，Cs为固相中气体浓度 (CC/100g)，K为氢气平衡分配系数；
[0023] ②当残留液相中的氢气浓度达到过饱和度时产生孔隙Aq。，式中：(；3为 液相中气体的平衡浓度（cc/100g)，。为产生孔隙时临界过饱和度（cc/lOOg);
[0024] 由Sieverts定律得到
，式中：KH为气体在液相中溶解的平衡 系数，〇为合金液表面张力（Kg/m)，R为孔隙的曲率半径（m)，P为孔隙上面的液态金属静 压力（MPa);
[0025] 把产生孔隙的条件转换为压力表达式为：
，式中：Pg是气泡内的 气体压力（MPa)，APn为产生孔隙的过饱和压力（MPa);
[0026] 当产生孔隙后，孔隙内部的气体压力？8应于金属液面压力P及表面张力引起的附 加压力相平衡，即
如果忽略收缩压力和气泡上面的金属液静压力，则P等于 大气压；
[0027] ZL114B铝合金以粥状凝固，结晶组织大部分为等轴晶，孔隙主要产生在二次枝晶 内，假定孔隙曲率半径R是二次枝晶间距DAS和固相率仁的函数，即R= (l-fs)DAS/2;
[0028] ③孔隙率fv定义为孔隙在铸件中所占的体积分数。
[0029] 氢气泡析出后，溶解在液相中的氢气不断向氢气泡扩散，氢气泡在铸件凝固后即 成为显微孔隙，根据氢气的质量守恒：vu-'2=VP，式中：vu为生成孔隙前液相中的氢气 量（m3)，为生成孔隙后液相中的氢气量（m3)，VP为孔隙中的总氢气量（m3)，其中Vu = ClgV(l-fs)P〇/100,
式 中：V为氢气泡析出前的液相体积（m3)，P。为合金的理论密度（kg/m3)，I；为初始温度，PQ 为初始压力，N为总的孔隙个数
[0030] 显微孔隙产生后，液相内的氢气浓度为Ces，固相内的氢气浓度为KHgCes，由于氢气 的析出和凝固收缩促使孔隙增大，设每个时间步长内每个显微孔隙平均体积增量为AV =AV1+AV2，式中：八％为氢气扩散引起的体积增量，AV2为显微缩松引起的体积增量，其 中
AV2= ￥8八€#0/^，式中：八4为每个时间步长内的 固相率增量，0为凝固体收缩率，由此得到凝固终了时每个显微孔隙的体积为
式中：2AV为各个时间步长内变化的总和；
[0031]体积V内气泡的总体积Vi=NVg，则孔隙率为fv=V/V;
[0032] (3)根据枝晶粗化理论，局部凝固时间和二次枝晶间距DAS的关系式为：
式中：Z是常数，tf是局部凝固时间，Z的值与合金中S,的含量有关，S,含量 越高，Z值越低。
[00 33] 将求解区域划分为有限个微小单元，在每个单元上利用差分法将 传热方程离散化，其有限差分形式为：
式中：P为i单元的密度（kg/m3)，C为i单元的比热容 (kj/kg?k)，\^为i单元的体积（m3)，Tt+AtSt+At时刻i单元的温度（K)，At为时间步 长（S)，Spj为i单元与j单元之间的传热面积（m2)，hi.j为单元之间的热绝热系数（m2 -k/ w)，Q」为i,j单元之间的垂直距离（m)，Ki单元复合导热系数（kj/kg?k)，L」.i 单元到j单元邻边的垂直距离（m)，Kj为j单元复合导热系数（kj/kg?k)，Ti.」为t+At 时刻相邻单元i与j的界面温度，Tt.j为t+At时刻j单元的温度。
[0034]与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：优化铸造工 艺，确保铸件质量，实现一次浇注成功，具有重大的应用价值。
【附图说明】
[0035]图1为本发明的工作流程图；
[0036] 图2为大型铝合金铸件关键部位示意图；
【具体实施方式】
[0037] 本申请实施例通过提供一种铝合金铸件力学性能预测方法，首先浇注试样，建立 力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系，然后构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝 晶的数学模型，最后在浇注前通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶间距的数值，并根据孔隙 率、二次枝晶间距与力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能。当预测的力学性能不达 标时，改进铸造工艺使得力学性能满足设计要求，从而达到无损检测的目的。
[0038] 为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对 上述技术方案进行详细的说明。
[0039] 实施例
[0040] 一种铝合金铸件力学性能预测方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0041]S1:饶注试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系；
[0042]S2:构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型；
[0043]S3:通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶的数值，并根据孔隙率、二次枝晶间距与 力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能：抗拉强度UTS和延伸率S，如果力学性能不 达标，则进入步骤S4,如果力学性能达标，则进入步骤S5;
[0044]S4:改进铸造工艺后跳转到步骤S3;
[0045]S5:浇注铸件。
[0046] 该方法研宄显微孔隙和二次枝晶间距对力学性能的影响，建立相应的数学模型及 预测流程，在计算机上把凝固组织的状况显示出来，从而实现在浇注之前预测铸件的力学 性能。
[0047]进一步地，步骤S1具体包括：
[0048]SI. 1:浇注圆柱形试样和阶梯形试样，制成标准试样，其中圆柱形试样用于测定孔 隙率仁和二次枝晶间距DAS，阶梯形试样用于测定力学性能；
[0049] S1. 2:采用流体静力平衡法测定孔隙率fv，采用直线截取法测定二次枝晶间距 DAS；
[0050]S1. 3:用扫描式电子显微镜SEM观察合金凝固组织、显微孔隙的分布状态，并测试 阶梯形试样不同部位的抗拉强度UTS和延伸率S;
[0051]S1. 4:应用多元性回归方程对试样凝固工艺参数的测量结果进行处理，得到：UTS =27. 102-4. 999fv-0. 0814DAS, 8 = 4. 632-1. 034fv-0. 018DAS。
[0052] 利用上述方程式，可通过观察铸件各个部位的孔隙率fv和二次枝晶间距DAS，预测 铝合金铸件的局部力学性能，达到无损检测的目的。
[0053] 进一步地，构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型，在构建数学 模型过程中假设（1)铸型初始温度为室温，充型铝合金液初始温度为浇注温度，铝合金液 在铸型充满后不存在宏观流动，不考虑由凝固收缩引起的对流传热，也不考虑铸件的变形 和型壁移动；（2)铝合金和造型材料的热物性值不随温度变化；（3)铝熔体在凝固过程中失 去流动性时的固相率临界值为〇. 7;(4)冒口和铸件顶部液面下降量等于铸件凝固收缩量； (5)溶解于铝液中的氢气是铝塑件中针孔和显微孔隙产生的主要原因；(6)铸件的凝固组 织全部为等轴晶，显微孔隙主要存在于枝晶间隙中。
[0054] 步骤S2建立的数学模型具体包括：
[0055] (1)传热方程为：
，式 中：P是液固相的平均密度（kg/m3)，Cp是比热容（kj/kg?k)，T是温度，t是凝固时间，入 是导热系数（kj/kg?k)，L是结晶潜热（kj/kg?k)，仁是固相率（％ );
[0056] (2)显微孔隙的数学模型建立：
[0057] ①在合金凝固过程中，氢气存在于固、液相中，
中：为初始气体浓度（cc/lOOg)，^为液相中气体浓度（cc/100g)，Cs为固相中气体浓度 (CC/100g)，K为氢气平衡分配系数；
[0058] ②当残留液相中的氢气浓度达到过饱和度时产生孔隙Aq。，式中：(；3为 液相中气体的平衡浓度（cc/100g)，。为产生孔隙时临界过饱和度（cc/lOOg);
[0059] 由Sieverts定律得到：
，式中：KH为气体在液相中溶解的平衡 系数，〇为合金液表面张力（Kg/m)，R为孔隙的曲率半径（m)，P为孔隙上面的液态金属静 压力（MPa);
[0060] 把产生孔隙的条件转换为压力表达式为：
，式中$8是气泡内 的气体压力（MPa)，Apn为产生孔隙的过饱和压力（MPa);
[0061]当产生孔隙后，孔隙内部的气体压力？8应于金属液面压力P及表面张力引起的附 加压力相平衡，即
如果忽略收缩压力和气泡上面的金属液静压力，则P等于 大气压；
[0062] ZL114B铝合金以粥状凝固，结晶组织大部分为等轴晶，孔隙主要产生在二次枝晶 内，假定孔隙曲率半径R是二次枝晶间距DAS和固相率仁的函数，即R= (l-fs)DAS/2; [0063] ③孔隙率fv定义为孔隙在铸件中所占的体积分数。
[0064] 氢气泡析出后，溶解在液相中的氢气不断向氢气泡扩散，氢气泡在铸件凝固后即 成为显微孔隙，根据氢气的质量守恒：vu-'2=VP，式中：vu为生成孔隙前液相中的氢气 量（m3)，为生成孔隙后液相中的氢气量（m3)，VP为孔隙中的总氢气量（m3)，其中Vu = CxgVd-f,)P〇/100,
，式 中：V为氢气泡析出前的液相体积（m3)，P。为合金的理论密度（kg/m3)，I；为初始温度，PQ 为初始压力，N为总的孔隙个数
[0065] 显微孔隙产生后，液相内的氢气浓度为Ces，固相内的氢气浓度为KHgCes，由于氢气 的析出和凝固收缩促使孔隙增大，设每个时间步长内每个显微孔隙平均体积增量为AV= AV1+AV2，式中：八％为氢气扩散引起的体积增量，AV2为显微缩松引起的体积增量，其中
AV2=VgAfsg|3 /N，式中：A:^为每个时间步长内的固 相率增量，0为凝固体收缩率，由此得到凝固终了时每个显微孔隙的体积为
式中：2AV为各个时间步长内变化的总和；
[0066] 体积V内气泡的总体积Vi=NVg，则孔隙率为fv=V/V;
[0067] (3)根据枝晶粗化理论，局部凝固时间和二次枝晶间距DAS的关系式为：
式中：Z是常数，tf是局部凝固时间，Z的值与合金中si的含量有关，si含量 越高，Z值越低。
[0068]进一步地，计算方法为：将求解区域划分为有限个微小单元， 在每个单元上利用差分法将传热方程离散化，其有限差分形式为：
式中：P为i单元的密度 (kg/m3)，C为i单元的比热容（kj /kg?k)，i单元的体积（m3)，Tt+AtS(t+At)时刻i单元的温度（K)，At为时间步长（S)，Si.j为i单元与j单元之间的传热面积（m2)，比.j 为单元之间的热绝热系数（m2 ?k/w)，Q.j为i,j单元之间的垂直距离（m)，Ki单元复 合导热系数（kj/kg?k)，Lj^为i单元到j单元邻边的垂直距离（m)，Kj为j单元复合导热 系数（kj/kg?k)，」为t+At时刻相邻单元i与j的界面温度，Tt.」为t+At时刻j单 元的温度。
[0069] 下面根据上述数学模型，对大型铝合金铸件进行力学性能预测，图2是大型铝合 金铸件关键部位示意图，壁厚为50mm，高度达1000mm，所用的ZL114B铝合金结晶温度范围 比较宽，容易产生缩孔、显微孔隙缺陷，影响其内部质量，降低力学性能，而铸件质量要求很 高，力学性能必须达到规定标准，且要求一次浇注成功。为此对该铸件进行了计算机凝固模 拟和力学性能预测。
[0070] 为保证质量，在其顶部设三个大冒口，外侧附设铸铁冷铁，试浇后铸件最后凝固部 位由于凝固速度缓慢，抗拉强度仅为140MPa，达不到标准规定的要求。为此对此工艺方案 进行了改进：增加了冷铁厚度，强化铸件凝固速度，经过计算机预测，最后凝固部位的抗拉 强度为182MPa，S为2. 2%，铸件的力学性能满足标准规定的要求。对按改进工艺浇注的铸 件进行检测，其冒口根部的DAS为101ym，仁为0. 72%，抗拉强度为185MPa，S为2. 3%， 与预测值基本一致，均满足使用要求。这表明通过此方法在实际生产中对铝合金铸件进行 三维数值模拟，预测铸件力学性能，保证了铸件一次浇注成功。
[0071] 本申请的上述实施例中，通过提供一种铝合金铸件力学性能预测方法，首先浇注 试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系，然后构建铸件凝固过程中形成显微孔 隙、二次枝晶的数学模型，最后在浇注前通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶间距的数值， 并根据孔隙率、二次枝晶间距与力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能。当预测的力 学性能不达标时，改进铸造工艺使得力学性能满足设计要求，从而达到无损检测的目的。 本发明的有益效果是：优化铸造工艺，确保铸件质量，实现一次浇注成功，具有重大的应用 价值。
[0072] 应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例， 本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应 属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种铝合金铸件力学性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤： 51 :浇注试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系； 52 :构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型； 53 :通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶的数值，并根据孔隙率、二次枝晶间距与力学 性能的关系预测铝合金铸件的力学性能，如果预测的力学性能不达标，则进入步骤S4,如 果力学性能达标，则进入步骤S5 ; 54 :改进铸造工艺后跳转到步骤S3 ; 55 :浇注铸件。2. 根据权利要求1所述的铝合金铸件力学性能预测方法，其特征在于，步骤Sl具体包 括： SI. 1 :浇注圆柱形试样和阶梯形试样，制成标准试样，其中圆柱形试样用于测定孔隙率 1和二次枝晶间距DAS，阶梯形试样用于测定力学性能； SI. 2 :采用流体静力平衡法测定孔隙率fv，采用直线截取法测定二次枝晶间距DAS ; SI. 3 :用扫描式电子显微镜SEM观察合金凝固组织、显微孔隙的分布状态，并测试阶梯 形试样不同部位的抗拉强度UTS和延伸率δ ; SI. 4 :应用多元性回归方程对试样凝固工艺参数的测量结果进行处理，得到：UTS = 27. 102-4. 999fv-0. 0814DAS, δ = 4. 632-1. 034fv-0. 018DAS。3. 根据权利要求1所述的铝合金铸件力学性能预测方法，其特征在于，步骤S2建立的 数学模型具体包括： (1) 传热方程为： ，式中：P是液 固相的平均密度，Cp是比热容，T是温度，t是凝固时间，λ是导热系数，L是结晶潜热，^是 固相率； (2) 显微孔隙的数学模型建立： ① 在合金凝固过程中，氢气存在于固、液相中，，式中：C$ 为初始气体浓度，C1为液相中气体浓度，C s为固相中气体浓度，K为氢气平衡分配系数； ② 当残留液相中的氢气浓度达到过饱和度时产生孔隙A1-CesS AC1。，式中：Ccis为液相 中气体的平衡浓度，AC1。为产生孔隙时临界过饱和度； 由Sieverts定律得到：式中：&为气体在液相中溶解的平衡系 数，σ为合金液表面张力，R为孔隙的曲率半径，P为孔隙上面的液态金属静压力； 把产生孔隙的条件转换为压力表达式为：，式中：&是气泡内的气体 压力，ΛΡη为产生孔隙的过饱和压力； 当产生孔隙后，铝合金以粥状凝固，结晶组织大部分为等轴晶，孔隙主要产生在二次枝晶内，孔隙曲 率半径R是二次枝晶间距DAS和固相率fs的函数，即R = (1-f s)DAS/2 ; ③当孔隙产生时，液相中氢气向孔隙内移动，根据氢气的质量守恒： Vu-I2= V p，式中为生成孔隙前液相中的氢气量，V u为生成孔隙后液 相中的氢气量，Vp为孔隙中的总氢气量，其中V u= C lgV(l-fs) Pc/100，，式中：V为氢气泡析出前 的液相体积，P 〇为合金的理论密度，T C1为初始温度，P C1为初始压力，N为总的孔隙个数，显微孔隙产生后，液相内的氢气浓度为Ces，固相内的氢气浓度为KHgCes，由于氢气的 析出和凝固收缩促使孔隙增大，设每个时间步长内每个显微孔隙平均体积增量为AV = AV1+AV2，式中：八％为氢气扩散引起的体积增量，AV2为显微缩松引起的体积增量，其中AV2= VgAf sg0 /Ν，式中：Afs为每个时间步长内的固 相率增量，β为凝固体收缩率，由此得到凝固终了时每个显微孔隙的体积为式中：Σ AV为各个时间步长内变化的总和； 体积V内气泡的总体积V1= NV g，则孔隙率为fv= V VV ; (3)根据枝晶粗化理论，局部凝固时间和二次枝晶间距DAS的关系式为： D.45" = Zg,:7,式中：Z是常数，是局部凝固时间。4.根据权利要求1所述的铝合金铸件力学性能预测方法，其特征在于，将求解区域划 分为有限个微小单元，在每个单元上利用差分法将传热方程离散化，其有限差分形式为：式中：P为i单元的密度，C为 i单元的比热容，\为i单元的体积，T t+AtS t+Δ t时刻i单元的温度，Δ t为时间步长， Si.j为i单元与j单元之间的传热面积，h i.j为单元之间的热绝热系数，L i.j为i, j单元之 间的垂直距离，&为i单元复合导热系数，Lj.,为i单元到j单元邻边的垂直距离，KjS j 单元复合导热系数，Ti.」为t+ Δ t时刻相邻单元i与j的界面温度，T t.」为t+ Δ t时刻j 单元的温度。
【专利摘要】本发明提供了一种铝合金铸件力学性能预测方法，首先浇注试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系，然后构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型，最后在浇注前通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶的数值，并根据孔隙率、二次枝晶间距与力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能。当预测的力学性能不达标时,改进铸造工艺使得力学性能满足设计要求,从而达到无损检测的目的，本发明的有益效果是：优化铸造工艺，确保铸件质量，实现一次浇注成功，具有重大的应用价值。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN104899412
【申请号】CN201510152484
【发明人】张滢, 刘冀伟, 刘宝明, 徐晗
【申请人】沈阳航空航天大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月1日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及力学数值模拟技术领域，具体涉及一种铝合金铸件力学性能预测方 法。
【背景技术】
[0002] 随着铝合金铸造技术的发展以及铸造铝合金具有重量轻、比强度大、耐腐蚀好、生 产成本低等特点，为铝合金铸件提供了广阔的应用领域，铝合金也逐渐向大型、复杂、高强 度的方向发展，对铝合金铸件的力学性能和内部质量要求也越来越高。力学性能常采用同 炉浇注试样来检测，内部质量检测分为非破坏检查和本体破坏检查，对于大型铸件除必要 时进行本体破坏检查外，一般进行非破坏检查。非破坏检查主要采用射线探伤、超声波探 伤、磁粉探伤等，这些方法都只能在铸件凝固之后对力学性能及内部质量进行检测，而不能 在浇注之前对铸件的性能及其组织进行预测。
[0003]铸件的力学性能是铸件验收的主要指标，很多铸件由于力学性能达不到要求而造 成报废，如某型号军工产品是我国海军舰重要武器装备，其中起落架是关键超大型铝铸件， 其轮廓尺寸达3800*2300*2650mm，净重达2700kg，单原材料费就高达24万元/件，结构非 常复杂，但其力学性能和内部质量要求很高，关键部位要进行X-射线探伤检查，它所用的 ZL114B铝合金结晶范围比较宽，在凝固过程中容易产生显微孔隙缺陷，影响其内部质量，降 低力学性能，所以非常有必要在浇注之前预测铸件的力学性能，了解铸件凝固状况，预测铸 件缺陷，通过改变工艺参数等手段使力学性能达到使用要求。在化学成分和熔铸工艺十 分稳定的生产条件下，铸件的铸态力学性能与铸件的孔隙率（存在显微孔隙时的实际密度 与理论密度的比值）和二次枝晶间距有关，人们对于铝合金铸件的孔隙率和二次枝晶间距 进行了研宄，一般认为显微孔隙是由于氢气、凝固收缩两者相互作用而形成的；二次枝晶间 距主要是由等轴晶形成时的过冷度决定的，研宄的内容涉及显微孔隙形成时的初始条件， 孔隙的大小、形状、分布，金相组织参数，晶粒大小对性能的影响等方面，其中大部分研宄尚 处于基础研宄阶段，还未见到对实际铸件进行力学性能预测的例子，特别是对液固两相区 域较宽的ZL114B铝合金。
【发明内容】
[0004]本申请通过提供一种铝合金铸件力学性能预测方法，通过孔隙率来描述显微孔 隙，从实验中寻找孔隙率、二次枝晶间距与力学性能的关系，建立相应的数学模型，在浇注 前利用计算机模拟凝固过程，描述显微孔隙、二次枝晶间距，从而预测铸件力学性能，保证 铸件一次浇注成功，具有重大应用价值，又可为"性能---组织---铸造工艺CAD"打下基 础。
[0005]本申请采用以下技术方案予以实现：
[0006] 一种铝合金铸件力学性能预测方法，包括以下步骤：
[0007]S1 :饶注试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系；
[0008]S2:构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型；
[0009]S3:通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶的数值，并根据孔隙率、二次枝晶间距与 力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能：抗拉强度UTS和延伸率S，如果预测的力学 性能不达标，则进入步骤S4,如果力学性能达标，则进入步骤S5;
[0010] S4 :改进铸造工艺后跳转到步骤S3 ;
[0011] S5:浇注铸件。
[0012] 该方法研宄显微孔隙和二次枝晶间距对力学性能的影响，建立相应的数学模型及 预测流程，在计算机上把凝固组织的状况显示出来，从而实现在浇注之前预测铸件的力学 性能。
[0013] 进一步地，步骤S1具体包括：
[0014]SI. 1:浇注圆柱形试样和阶梯形试样，制成标准试样，其中圆柱形试样用于测定孔 隙率仁和二次枝晶间距DAS，阶梯形试样用于测定力学性能；
[0015]S1. 2:采用流体静力平衡法测定孔隙率fv，采用直线截取法测定二次枝晶间距 DAS；
[0016]S1. 3:用扫描式电子显微镜SEM观察合金凝固组织、显微孔隙的分布状态，并测试 阶梯形试样不同部位的抗拉强度UTS和延伸率S;
[0017]S1. 4:应用多元性回归方程对试样凝固工艺参数的测量结果进行处理，得到：UTS =27. 102-4. 999fv-0. 0814DAS, 8 = 4. 632-1. 034fv-0. 018DAS。
[0018] 利用上述方程式，可通过观察铸件各个部位的孔隙率fv和二次枝晶间距DAS，预测 铝合金铸件的局部力学性能，达到无损检测的目的。
[0019] 进一步地，步骤S2建立的数学模型具体包括：
[0020] (1)传热方程为：
，式 中：P是液固相的平均密度（kg/m3)，Cp是比热容（kj/kg?k)，T是温度，t是凝固时间，入 是导热系数（kj/kg?k)，L是结晶潜热（kj/kg?k)，仁是固相率（％ );
[0021] (2)显微孔隙的数学模型建立：
[0022] ①在合金凝固过程中，氢气存在于固、液相中，
中：为初始气体浓度（cc/lOOg)，^为液相中气体浓度（cc/100g)，Cs为固相中气体浓度 (CC/100g)，K为氢气平衡分配系数；
[0023] ②当残留液相中的氢气浓度达到过饱和度时产生孔隙Aq。，式中：(；3为 液相中气体的平衡浓度（cc/100g)，。为产生孔隙时临界过饱和度（cc/lOOg);
[0024] 由Sieverts定律得到
，式中：KH为气体在液相中溶解的平衡 系数，〇为合金液表面张力（Kg/m)，R为孔隙的曲率半径（m)，P为孔隙上面的液态金属静 压力（MPa);
[0025] 把产生孔隙的条件转换为压力表达式为：
，式中：Pg是气泡内的 气体压力（MPa)，APn为产生孔隙的过饱和压力（MPa);
[0026] 当产生孔隙后，孔隙内部的气体压力？8应于金属液面压力P及表面张力引起的附 加压力相平衡，即
如果忽略收缩压力和气泡上面的金属液静压力，则P等于 大气压；
[0027] ZL114B铝合金以粥状凝固，结晶组织大部分为等轴晶，孔隙主要产生在二次枝晶 内，假定孔隙曲率半径R是二次枝晶间距DAS和固相率仁的函数，即R= (l-fs)DAS/2;
[0028] ③孔隙率fv定义为孔隙在铸件中所占的体积分数。
[0029] 氢气泡析出后，溶解在液相中的氢气不断向氢气泡扩散，氢气泡在铸件凝固后即 成为显微孔隙，根据氢气的质量守恒：vu-'2=VP，式中：vu为生成孔隙前液相中的氢气 量（m3)，为生成孔隙后液相中的氢气量（m3)，VP为孔隙中的总氢气量（m3)，其中Vu = ClgV(l-fs)P〇/100,
式 中：V为氢气泡析出前的液相体积（m3)，P。为合金的理论密度（kg/m3)，I；为初始温度，PQ 为初始压力，N为总的孔隙个数
[0030] 显微孔隙产生后，液相内的氢气浓度为Ces，固相内的氢气浓度为KHgCes，由于氢气 的析出和凝固收缩促使孔隙增大，设每个时间步长内每个显微孔隙平均体积增量为AV =AV1+AV2，式中：八％为氢气扩散引起的体积增量，AV2为显微缩松引起的体积增量，其 中
AV2= ￥8八€#0/^，式中：八4为每个时间步长内的 固相率增量，0为凝固体收缩率，由此得到凝固终了时每个显微孔隙的体积为
式中：2AV为各个时间步长内变化的总和；
[0031]体积V内气泡的总体积Vi=NVg，则孔隙率为fv=V/V;
[0032] (3)根据枝晶粗化理论，局部凝固时间和二次枝晶间距DAS的关系式为：
式中：Z是常数，tf是局部凝固时间，Z的值与合金中S,的含量有关，S,含量 越高，Z值越低。
[00 33] 将求解区域划分为有限个微小单元，在每个单元上利用差分法将 传热方程离散化，其有限差分形式为：
式中：P为i单元的密度（kg/m3)，C为i单元的比热容 (kj/kg?k)，\^为i单元的体积（m3)，Tt+AtSt+At时刻i单元的温度（K)，At为时间步 长（S)，Spj为i单元与j单元之间的传热面积（m2)，hi.j为单元之间的热绝热系数（m2 -k/ w)，Q」为i,j单元之间的垂直距离（m)，Ki单元复合导热系数（kj/kg?k)，L」.i 单元到j单元邻边的垂直距离（m)，Kj为j单元复合导热系数（kj/kg?k)，Ti.」为t+At 时刻相邻单元i与j的界面温度，Tt.j为t+At时刻j单元的温度。
[0034]与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：优化铸造工 艺，确保铸件质量，实现一次浇注成功，具有重大的应用价值。
【附图说明】
[0035]图1为本发明的工作流程图；
[0036] 图2为大型铝合金铸件关键部位示意图；
【具体实施方式】
[0037] 本申请实施例通过提供一种铝合金铸件力学性能预测方法，首先浇注试样，建立 力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系，然后构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝 晶的数学模型，最后在浇注前通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶间距的数值，并根据孔隙 率、二次枝晶间距与力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能。当预测的力学性能不达 标时，改进铸造工艺使得力学性能满足设计要求，从而达到无损检测的目的。
[0038] 为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对 上述技术方案进行详细的说明。
[0039] 实施例
[0040] 一种铝合金铸件力学性能预测方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0041]S1:饶注试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系；
[0042]S2:构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型；
[0043]S3:通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶的数值，并根据孔隙率、二次枝晶间距与 力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能：抗拉强度UTS和延伸率S，如果力学性能不 达标，则进入步骤S4,如果力学性能达标，则进入步骤S5;
[0044]S4:改进铸造工艺后跳转到步骤S3;
[0045]S5:浇注铸件。
[0046] 该方法研宄显微孔隙和二次枝晶间距对力学性能的影响，建立相应的数学模型及 预测流程，在计算机上把凝固组织的状况显示出来，从而实现在浇注之前预测铸件的力学 性能。
[0047]进一步地，步骤S1具体包括：
[0048]SI. 1:浇注圆柱形试样和阶梯形试样，制成标准试样，其中圆柱形试样用于测定孔 隙率仁和二次枝晶间距DAS，阶梯形试样用于测定力学性能；
[0049] S1. 2:采用流体静力平衡法测定孔隙率fv，采用直线截取法测定二次枝晶间距 DAS；
[0050]S1. 3:用扫描式电子显微镜SEM观察合金凝固组织、显微孔隙的分布状态，并测试 阶梯形试样不同部位的抗拉强度UTS和延伸率S;
[0051]S1. 4:应用多元性回归方程对试样凝固工艺参数的测量结果进行处理，得到：UTS =27. 102-4. 999fv-0. 0814DAS, 8 = 4. 632-1. 034fv-0. 018DAS。
[0052] 利用上述方程式，可通过观察铸件各个部位的孔隙率fv和二次枝晶间距DAS，预测 铝合金铸件的局部力学性能，达到无损检测的目的。
[0053] 进一步地，构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型，在构建数学 模型过程中假设（1)铸型初始温度为室温，充型铝合金液初始温度为浇注温度，铝合金液 在铸型充满后不存在宏观流动，不考虑由凝固收缩引起的对流传热，也不考虑铸件的变形 和型壁移动；（2)铝合金和造型材料的热物性值不随温度变化；（3)铝熔体在凝固过程中失 去流动性时的固相率临界值为〇. 7;(4)冒口和铸件顶部液面下降量等于铸件凝固收缩量； (5)溶解于铝液中的氢气是铝塑件中针孔和显微孔隙产生的主要原因；(6)铸件的凝固组 织全部为等轴晶，显微孔隙主要存在于枝晶间隙中。
[0054] 步骤S2建立的数学模型具体包括：
[0055] (1)传热方程为：
，式 中：P是液固相的平均密度（kg/m3)，Cp是比热容（kj/kg?k)，T是温度，t是凝固时间，入 是导热系数（kj/kg?k)，L是结晶潜热（kj/kg?k)，仁是固相率（％ );
[0056] (2)显微孔隙的数学模型建立：
[0057] ①在合金凝固过程中，氢气存在于固、液相中，
中：为初始气体浓度（cc/lOOg)，^为液相中气体浓度（cc/100g)，Cs为固相中气体浓度 (CC/100g)，K为氢气平衡分配系数；
[0058] ②当残留液相中的氢气浓度达到过饱和度时产生孔隙Aq。，式中：(；3为 液相中气体的平衡浓度（cc/100g)，。为产生孔隙时临界过饱和度（cc/lOOg);
[0059] 由Sieverts定律得到：
，式中：KH为气体在液相中溶解的平衡 系数，〇为合金液表面张力（Kg/m)，R为孔隙的曲率半径（m)，P为孔隙上面的液态金属静 压力（MPa);
[0060] 把产生孔隙的条件转换为压力表达式为：
，式中$8是气泡内 的气体压力（MPa)，Apn为产生孔隙的过饱和压力（MPa);
[0061]当产生孔隙后，孔隙内部的气体压力？8应于金属液面压力P及表面张力引起的附 加压力相平衡，即
如果忽略收缩压力和气泡上面的金属液静压力，则P等于 大气压；
[0062] ZL114B铝合金以粥状凝固，结晶组织大部分为等轴晶，孔隙主要产生在二次枝晶 内，假定孔隙曲率半径R是二次枝晶间距DAS和固相率仁的函数，即R= (l-fs)DAS/2; [0063] ③孔隙率fv定义为孔隙在铸件中所占的体积分数。
[0064] 氢气泡析出后，溶解在液相中的氢气不断向氢气泡扩散，氢气泡在铸件凝固后即 成为显微孔隙，根据氢气的质量守恒：vu-'2=VP，式中：vu为生成孔隙前液相中的氢气 量（m3)，为生成孔隙后液相中的氢气量（m3)，VP为孔隙中的总氢气量（m3)，其中Vu = CxgVd-f,)P〇/100,
，式 中：V为氢气泡析出前的液相体积（m3)，P。为合金的理论密度（kg/m3)，I；为初始温度，PQ 为初始压力，N为总的孔隙个数
[0065] 显微孔隙产生后，液相内的氢气浓度为Ces，固相内的氢气浓度为KHgCes，由于氢气 的析出和凝固收缩促使孔隙增大，设每个时间步长内每个显微孔隙平均体积增量为AV= AV1+AV2，式中：八％为氢气扩散引起的体积增量，AV2为显微缩松引起的体积增量，其中
AV2=VgAfsg|3 /N，式中：A:^为每个时间步长内的固 相率增量，0为凝固体收缩率，由此得到凝固终了时每个显微孔隙的体积为
式中：2AV为各个时间步长内变化的总和；
[0066] 体积V内气泡的总体积Vi=NVg，则孔隙率为fv=V/V;
[0067] (3)根据枝晶粗化理论，局部凝固时间和二次枝晶间距DAS的关系式为：
式中：Z是常数，tf是局部凝固时间，Z的值与合金中si的含量有关，si含量 越高，Z值越低。
[0068]进一步地，计算方法为：将求解区域划分为有限个微小单元， 在每个单元上利用差分法将传热方程离散化，其有限差分形式为：
式中：P为i单元的密度 (kg/m3)，C为i单元的比热容（kj /kg?k)，i单元的体积（m3)，Tt+AtS(t+At)时刻i单元的温度（K)，At为时间步长（S)，Si.j为i单元与j单元之间的传热面积（m2)，比.j 为单元之间的热绝热系数（m2 ?k/w)，Q.j为i,j单元之间的垂直距离（m)，Ki单元复 合导热系数（kj/kg?k)，Lj^为i单元到j单元邻边的垂直距离（m)，Kj为j单元复合导热 系数（kj/kg?k)，」为t+At时刻相邻单元i与j的界面温度，Tt.」为t+At时刻j单 元的温度。
[0069] 下面根据上述数学模型，对大型铝合金铸件进行力学性能预测，图2是大型铝合 金铸件关键部位示意图，壁厚为50mm，高度达1000mm，所用的ZL114B铝合金结晶温度范围 比较宽，容易产生缩孔、显微孔隙缺陷，影响其内部质量，降低力学性能，而铸件质量要求很 高，力学性能必须达到规定标准，且要求一次浇注成功。为此对该铸件进行了计算机凝固模 拟和力学性能预测。
[0070] 为保证质量，在其顶部设三个大冒口，外侧附设铸铁冷铁，试浇后铸件最后凝固部 位由于凝固速度缓慢，抗拉强度仅为140MPa，达不到标准规定的要求。为此对此工艺方案 进行了改进：增加了冷铁厚度，强化铸件凝固速度，经过计算机预测，最后凝固部位的抗拉 强度为182MPa，S为2. 2%，铸件的力学性能满足标准规定的要求。对按改进工艺浇注的铸 件进行检测，其冒口根部的DAS为101ym，仁为0. 72%，抗拉强度为185MPa，S为2. 3%， 与预测值基本一致，均满足使用要求。这表明通过此方法在实际生产中对铝合金铸件进行 三维数值模拟，预测铸件力学性能，保证了铸件一次浇注成功。
[0071] 本申请的上述实施例中，通过提供一种铝合金铸件力学性能预测方法，首先浇注 试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系，然后构建铸件凝固过程中形成显微孔 隙、二次枝晶的数学模型，最后在浇注前通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶间距的数值， 并根据孔隙率、二次枝晶间距与力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能。当预测的力 学性能不达标时，改进铸造工艺使得力学性能满足设计要求，从而达到无损检测的目的。 本发明的有益效果是：优化铸造工艺，确保铸件质量，实现一次浇注成功，具有重大的应用 价值。
[0072] 应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例， 本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应 属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种铝合金铸件力学性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤： 51 :浇注试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系； 52 :构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型； 53 :通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶的数值，并根据孔隙率、二次枝晶间距与力学 性能的关系预测铝合金铸件的力学性能，如果预测的力学性能不达标，则进入步骤S4,如 果力学性能达标，则进入步骤S5 ; 54 :改进铸造工艺后跳转到步骤S3 ; 55 :浇注铸件。2. 根据权利要求1所述的铝合金铸件力学性能预测方法，其特征在于，步骤Sl具体包 括： SI. 1 :浇注圆柱形试样和阶梯形试样，制成标准试样，其中圆柱形试样用于测定孔隙率 1和二次枝晶间距DAS，阶梯形试样用于测定力学性能； SI. 2 :采用流体静力平衡法测定孔隙率fv，采用直线截取法测定二次枝晶间距DAS ; SI. 3 :用扫描式电子显微镜SEM观察合金凝固组织、显微孔隙的分布状态，并测试阶梯 形试样不同部位的抗拉强度UTS和延伸率δ ; SI. 4 :应用多元性回归方程对试样凝固工艺参数的测量结果进行处理，得到：UTS = 27. 102-4. 999fv-0. 0814DAS, δ = 4. 632-1. 034fv-0. 018DAS。3. 根据权利要求1所述的铝合金铸件力学性能预测方法，其特征在于，步骤S2建立的 数学模型具体包括： (1) 传热方程为： ，式中：P是液 固相的平均密度，Cp是比热容，T是温度，t是凝固时间，λ是导热系数，L是结晶潜热，^是 固相率； (2) 显微孔隙的数学模型建立： ① 在合金凝固过程中，氢气存在于固、液相中，，式中：C$ 为初始气体浓度，C1为液相中气体浓度，C s为固相中气体浓度，K为氢气平衡分配系数； ② 当残留液相中的氢气浓度达到过饱和度时产生孔隙A1-CesS AC1。，式中：Ccis为液相 中气体的平衡浓度，AC1。为产生孔隙时临界过饱和度； 由Sieverts定律得到：式中：&为气体在液相中溶解的平衡系 数，σ为合金液表面张力，R为孔隙的曲率半径，P为孔隙上面的液态金属静压力； 把产生孔隙的条件转换为压力表达式为：，式中：&是气泡内的气体 压力，ΛΡη为产生孔隙的过饱和压力； 当产生孔隙后，铝合金以粥状凝固，结晶组织大部分为等轴晶，孔隙主要产生在二次枝晶内，孔隙曲 率半径R是二次枝晶间距DAS和固相率fs的函数，即R = (1-f s)DAS/2 ; ③当孔隙产生时，液相中氢气向孔隙内移动，根据氢气的质量守恒： Vu-I2= V p，式中为生成孔隙前液相中的氢气量，V u为生成孔隙后液 相中的氢气量，Vp为孔隙中的总氢气量，其中V u= C lgV(l-fs) Pc/100，，式中：V为氢气泡析出前 的液相体积，P 〇为合金的理论密度，T C1为初始温度，P C1为初始压力，N为总的孔隙个数，显微孔隙产生后，液相内的氢气浓度为Ces，固相内的氢气浓度为KHgCes，由于氢气的 析出和凝固收缩促使孔隙增大，设每个时间步长内每个显微孔隙平均体积增量为AV = AV1+AV2，式中：八％为氢气扩散引起的体积增量，AV2为显微缩松引起的体积增量，其中AV2= VgAf sg0 /Ν，式中：Afs为每个时间步长内的固 相率增量，β为凝固体收缩率，由此得到凝固终了时每个显微孔隙的体积为式中：Σ AV为各个时间步长内变化的总和； 体积V内气泡的总体积V1= NV g，则孔隙率为fv= V VV ; (3)根据枝晶粗化理论，局部凝固时间和二次枝晶间距DAS的关系式为： D.45" = Zg,:7,式中：Z是常数，是局部凝固时间。4.根据权利要求1所述的铝合金铸件力学性能预测方法，其特征在于，将求解区域划 分为有限个微小单元，在每个单元上利用差分法将传热方程离散化，其有限差分形式为：式中：P为i单元的密度，C为 i单元的比热容，\为i单元的体积，T t+AtS t+Δ t时刻i单元的温度，Δ t为时间步长， Si.j为i单元与j单元之间的传热面积，h i.j为单元之间的热绝热系数，L i.j为i, j单元之 间的垂直距离，&为i单元复合导热系数，Lj.,为i单元到j单元邻边的垂直距离，KjS j 单元复合导热系数，Ti.」为t+ Δ t时刻相邻单元i与j的界面温度，T t.」为t+ Δ t时刻j 单元的温度。
【专利摘要】本发明提供了一种铝合金铸件力学性能预测方法，首先浇注试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系，然后构建铸件凝固过程中形成显微孔隙、二次枝晶的数学模型，最后在浇注前通过计算机预测显微孔隙、二次枝晶的数值，并根据孔隙率、二次枝晶间距与力学性能的关系预测铝合金铸件的力学性能。当预测的力学性能不达标时,改进铸造工艺使得力学性能满足设计要求,从而达到无损检测的目的，本发明的有益效果是：优化铸造工艺，确保铸件质量，实现一次浇注成功，具有重大的应用价值。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN104899412
【申请号】CN201510152484
【发明人】张滢, 刘冀伟, 刘宝明, 徐晗
【申请人】沈阳航空航天大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月1日
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