[发明专利]一种铝合金铸件力学性能预测方法

权利要求书

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：

S1：浇注试样，建立力学性能与孔隙率、二次枝晶间距的关系；

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；

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，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；

S4：改进铸造工艺后跳转到步骤S3；

S5：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S1具体包括：

S1.1：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f_v和二次枝晶间距DAS，阶梯形试样用于测定力学性能；

S1.2：采用流体静力平衡法测定孔隙率f_v，采用直线截取法测定二次枝晶间距DAS；

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δ；

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＝27.102-4.999f_v-0.0814DAS,δ＝4.632-1.034f_v-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：ρ是液固相的平均密度，C_p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，f_s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，C_s＝KC_l，式中：为初始气体浓度，C_l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：C_l-C_cs≥ΔC_lc，式中：C_cs为液相中气体的平衡浓度，ΔC_lc为产生孔隙时临界过饱和度；

由Sieverts定律得到：式中：K_H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：P_g是气泡内的气体压力，ΔP_n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f_s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：V_L1-V_L2＝V_P，式中：V_L1为生成孔隙前液相中的氢气量，V_L2为生成孔隙后液相中的氢气量，V_P为孔隙中的总氢气量，其中V_L1＝C_lgV(1-f_s)ρ₀/100， 式中：V为氢气泡析出前的液相体积，ρ₀为合金的理论密度，T₀为初始温度，P₀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C_cs，固相内的氢气浓度为K_HgC_cs，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ΔV＝ΔV₁+ΔV₂，式中：ΔV₁为氢气扩散引起的体积增量，ΔV₂为显微缩松引起的体积增量，其中ΔV₂＝VgΔf_sgβ/N，式中：Δf_s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：ΣΔV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f_v＝V₁/V；

(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，t_f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：ρ为i单元的密度，C为i单元的比热容，V_i为i单元的体积，T_t+Δt为t+Δt时刻i单元的温度，Δt为时间步长，S_i·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，K_i为i单元复合导热系数，L_j·i为i单元到j单元邻边的垂直距离，K_j为j单元复合导热系数，T_i·j为t+Δt时刻相 邻单元i与j的界面温度，T_t·j为t+Δt时刻j单元的温度。