[发明专利]一种铝合金铸件力学性能预测方法

说明书

技术领域

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

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。

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究，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，研究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，其中大部分研究尚处于基础研究阶段，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

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。

本申请采用以下技术方案予以实现：

一种铝合金铸件力学性能预测方法，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：抗拉强度UTS和延伸率δ，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。 

该方法研究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。

进一步地，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。

利用上述方程式，可通过观察铸件各个部位的孔隙率f_v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。

进一步地，步骤S2建立的数学模型具体包括：