一种铝合金铸件力学性能预测方法技术

技术编号:12032366 阅读:150 留言:0更新日期:2015-09-10 19:51
本发明专利技术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,本发明专利技术的有益效果是: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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及力学数值模拟
,具体涉及一种铝合金铸件力学性能预测方 法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本申请通过提供,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: ,包括以下步骤:S1 :饶注试样,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; S4 :改进铸造工艺后跳转到步骤S3 ; S5:浇注铸件。 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。 进一步地,步骤S1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 隙率仁和二次枝晶间距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fv,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S;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。 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。 进一步地,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(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(% ); (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,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; 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); 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); 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); 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; 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; ③孔隙率fv定义为孔隙在铸件中所占的体积分数。 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 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;体积V内气泡的总体积Vi=NVg,则孔隙率为fv=V/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,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当前第1页1 2 3 本文档来自技高网
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【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:张滢刘冀伟刘宝明徐晗
申请(专利权)人:沈阳航空航天大学
类型:发明
国别省市:辽宁;21

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