鑄件薄壁尺寸效應的研究成果

周 楊 朱春雷

(1.中國一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457；2.中國鋼研科技集團公司，北京100081)

隨著航空領域提高推重比的迫切以及微機械行業的蓬勃發展，薄壁鑄件得到了廣泛的應用，零部件壁厚甚至達到微米級。這些零部件薄壁部位的力學性能通常不同于標準試樣的力學性能。而這些部件的薄壁區通常是使用性能的薄弱環節，其力學性能直接決定著該整體機械的使用性能和壽命。為了準確評價薄壁零部件的使用性能和壽命，有必要明確薄壁對材料力學性能的影響。我們結合尺寸效應的定義及分類，以高溫合金薄壁尺寸效應為例詳述了薄壁對高溫合金力學性能的影響，并分析了造成薄壁尺寸效應的原因，同時提出改善薄壁尺寸效應對材料力學性能的影響。

1 鑄件尺寸效應的定義及分類

尺寸效應是指零部件截面尺寸的變化造成熱學行為和凝固組織的變化，從而引起其性能偏離的作用。廣義的截面尺寸效應包括薄截面和厚截面的作用。但人們更加關注的是薄截面尺寸效應，特別在航空發動機制造業以及微機械領域中，部分薄壁零部件力學性能直接決定了機械整體的使用性能和壽命。

按照影響尺寸效應因素的復雜程度可以分為[1]：純薄截面尺寸效應和截面尺寸復雜效應。純薄截面尺寸效應是指在化學成分、晶體取向、顯微組織和實驗環境相同的條件下考察截面厚度變化對力學性能的影響。通常是從已測定取向的整塊單晶切取不同的試樣，保證材料的枝晶間距、顯微偏析和顯微疏松等冶金參數一致。截面尺寸復雜效應是指除了試樣截面尺寸效應外，還包括試樣的幾何形狀(如有棱邊的板狀試樣和圓形的管狀試樣)、截面尺寸的變化引起的顯微組織變化(如偏析、顯微疏松、枝晶尺寸和取向偏離等)，以及試樣表面完整性(包括氧化、合金貧化、涂層和表面加工損傷)和蠕變實驗誤差[2]。總之復合尺寸效應涉及試樣加工、冶金和實驗各個環節。實際的應用中，在考慮鑄件的實際使用性能和壽命時需要綜合考慮其復雜尺寸效應的影響。尺寸效應的分類還有其他幾種，但針對鑄造零部件，該分類較為準確、全面。

2 高溫合金薄壁鑄件尺寸效應的研究概況

高溫合金由于具有優良的高溫力學性能等特點而被廣泛應用于航空、航天和汽車等領域的熱端部件。為進一步提高發動機的效率要求提高其推重比，薄壁鑄件的應用較為關鍵。近半個世紀以來，人們對單晶[2～6]、定向凝固[7]和普通鑄造[8]高溫合金的薄截面尺寸效應進行了大量的研究，獲得大量不同截面尺寸的性能數據。

Seetharaman[3]研究了無涂層PWA1484單晶純薄截面尺寸效應，厚度分別為0.38 mm、0.76 mm、1.52 mm、3.18 mm。結果表明薄截面對1%應變時間無明顯影響，但對斷裂壽命有明顯影響，尤其在760℃中溫下截面厚度影響最劇烈，由此可見單晶存在薄壁尺寸效應。Doner[2]為了進一步研究各個環節的影響，制備了四種不同幾何形狀的CMSX-3單晶試樣，詳細研究了的復合尺寸效應對持久性能的影響。結果表明：薄壁試樣的持久壽命都比標準試樣的持久壽命低，試樣的幾何形狀對薄壁試樣持久壽命無影響，但取樣位置對持久性能產生明顯影響。這是因為不同的取樣位置，試樣的顯微組織、顯微偏析、缺陷特征都不同。單晶合金沒有晶界，它只受亞晶和枝晶的影響。鄭運榮[1]通過綜合分析幾種單晶試樣的尺寸效應認為：由于單晶的凝固速度比普通鑄造葉片要低得多，因此枝晶較粗大。薄壁單晶葉片的一次枝晶干間距通常在250 μm左右，當壁厚為0.5 mm時，在壁厚方向上一次枝晶干的數目小于2，裂紋極易切斷主干而穿透薄壁，這是單晶薄試樣持久性能低于標準試樣的重要原因。盡管隨著單晶樣品尺寸的減小，由于凝固速度提高，枝晶間距和枝晶間γ相尺寸減小[4、5]，從理論角度上講，其強度應該升高，但實際上其強度和持久壽命降低了[2、3]，顯然這是由于樣品尺寸效應的影響。

張宏煒等人[7]研究了采用定向凝固無余量精鑄工藝制備的形狀和壁厚接近于空心渦輪葉片的管狀薄壁試樣的持久性能。結果表明：由于薄壁試樣凝固速度較快，使枝晶間距減小(枝晶密度增大)，并使枝晶間強化相細化，補償了因壁厚減小而導致性能下降的不利影響。同時，精鑄工藝的采用減少了由于機加工帶來的表面加工硬化和再結晶以及表面氧化層的影響。最終，使得薄壁試樣持久性能與標準試樣保持同一水平。

徐巖等人[8]研究了鑄造等軸晶高溫合金K417尺寸效應對高溫持久性能和高溫拉伸性能的影響。結果表明：鑄造厚壁樣品經大余量機加工得到的薄壁試樣由于單位承載截面上顯微疏松所占的面積更多，使得有效承載面積減少，在應力作用下顯微疏松常成為裂紋源和裂紋擴展通道，使得大余量機加工試樣的高溫持久性能下降以及數據分散。

研究表明：當壁厚減小到一定程度時，零件的中高溫持久性能將會下降。同時，盡管鑄造高溫合金薄壁試樣的力學性能比較分散，但影響的趨勢是很明顯的。薄壁對單晶鑄件影響最小，對定向凝固鑄件影響次之，對等軸晶鑄件影響最大[1、7]。薄壁尺寸效應對高溫合金鑄件力學性能影響的差異，其根本原因在于導致這些材料力學性能變化的尺寸效應的原因不同。

3 尺寸效應導致材料力學性能變化的原因

通過對高溫合金以及鋁合金[10、11]、黃銅[12]尺寸效應的研究可以發現：屈服強度、抗拉強度、持久性能隨著試樣厚度的減小而降低，同時，當試樣壁厚減小到某一水平時，由于組織細化補償了尺寸減小造成性能下降的不利影響，使得材料性能有所提高。

研究發現，材料尺寸效應導致力學性能下降主要有以下幾個因素：

第一是多晶體塑性變形本質[13、14]。從晶體塑性變形本質來看，金屬是由大量具有隨機取向、尺寸、形狀各向異性的晶粒構成。在金屬塑性變形過程中，由于各晶粒間需要滿足變形協調、應力平衡條件，同時受到每個晶粒的取向、形狀、尺寸、位置等的限制，金屬塑性變形是各向異性和不均勻的，各個晶粒內部的應力分布也是不均勻的。由大量取向各不相同的晶粒所組成的金屬多晶體的塑性變形是各個晶粒塑性變形的綜合結果，其應力場也是各個晶粒應力場的疊加。當變形量增加時，材料所承受的應力逐漸增大，局部產生應力集中，達到材料斷裂強度時，材料發生斷裂，即塑性失效。隨著試樣壁厚減小，變形區晶粒數減少，由于晶粒尺寸、形狀、取向的隨機分布，材料變得更加不均勻，從而在整體變形量小于標準試樣變形量時，試樣局部區域已經產生較大的應變和應力集中，達到材料斷裂強度，出現裂紋，隨后材料斷裂，即試件整體呈現延伸率下降，塑性指標降低。從上述分析可以看出，薄壁試件塑性的下降主要是由于試件變形區晶粒個數較少所致，這樣可以采用T/D(T為試樣厚度，D為晶粒尺寸)來描述晶粒尺寸、試樣尺寸對塑性的影響。

第二是自由表面效應[9～11]。研究表明[15]：當零件的厚度(或直徑)較小時，尺寸效應特別明顯。這與在表面層和內附層塑性變形過程中的各種結構——受力條件緊密聯系，可以認為尺寸因素的影響過程不但與材料物理性質有關，而且與試樣比表面積(表面積與體積比值)有關，即自由表面效應。

第三是鑄造缺陷。在鑄件中存在多種形態的縮孔和縮松，由于它們減小受力的有效承載面積，以及在縮孔和縮松處會產生應力集中現象，從而使鑄件的力學性能顯著降低[9]。對于一般合金鑄件，特別是薄壁部件，鑄造缺陷對鑄件力學性能的影響非常明顯。材料的尺寸效應與微裂紋、夾雜、孔洞、顯微疏松以及界面脫層缺陷等分布密度及位置有關。顯微疏松在試樣的中心處出現的幾率高于邊緣處，原始尺寸大的試樣顯微疏松程度高于原始尺寸小的試樣。顯微缺陷的存在造成單位承載面積上厚壁試樣顯微疏松所占面積多，相應地有效承載面積減少，因此疏松常成為裂紋源和裂紋擴展的通道[8]，從而造成材料性能下降。隨著試樣壁厚減小，顯微疏松對材料性能的影響將更為明顯。并且，隨著試樣壁厚減小，大尺寸試樣缺陷的絕對尺寸已經不能真實反映缺陷對薄壁試樣性能的影響，此時，需要采用缺陷的相對尺寸來研究缺陷對薄壁試樣性能的影響。

第四是表面狀態。經機加工的試樣存在加工硬化層、表面再結晶層和氧化層，減少了薄壁試樣的有效承載面積，造成性能下降[1、7]。事實上，對于直接鑄造成形不經大余量機加工的部件，前三個因素一般情況下是共同材料尺寸效應對材料性能的影響。

第五是形狀幾何效應。實驗證明[15]，在材料的應力狀態足夠均勻的靜態單向拉伸和壓縮時，圓形試件沒有正方形和矩形截面的試件強度高，環形截面試件的抗拉抗壓強度比實心截面試樣更差，而管狀試件的強度在截面積相同時隨著平均直徑的增加而降低。對于不同截面形狀的試樣進行研究，結果表明：上屈服強度受形狀的影響較大，而下屈服強度影響較小。試樣肩部過渡形狀的影響也是如此，隨著肩部過渡趨于緩和，上屈服強度明顯升高，而下屈服強度變化不大。此外，低碳鋼板矩形截面的斷后伸長率與斷面收縮率比截面積相同的圓棒試樣的值要小。

隨著試樣厚度和平均晶粒尺寸比值(T/D)的減小，即試樣厚度方向上的晶粒數減少，試樣塑性分散性增大。其原因是：當T/D較大時，即試樣厚度方向晶粒數較多時，材料較為均勻，應力集中程度減小，因而延伸率較高，性能分散性較小。同時，由于晶粒個數的增加導致單個晶粒對延伸率的影響減小，因此在晶粒個數較多時，晶粒個數的變化對延伸率的影響逐漸減小，并趨于定值，即傳統宏觀尺度下的延伸率；當T/D較小時，即晶粒個數較少時，材料不均勻程度增加，單個晶粒的尺寸、取向和形狀對整體延伸率的影響增大，因此，不同晶粒變形情況各不相同，斷裂的出現也呈現隨機性，由此導致作為各個晶粒變形綜合效果的延伸率在一定范圍內出現波動[16]。Vollertsen[17]認為，當厚度方向上晶粒小于10時，材料強度隨材料尺寸減小而波動，而且此時單個晶粒的取向更為重要。

4 改善尺寸效應對材料性能影響的途徑

尺寸效應對材料性能特別是薄壁試樣性能的影響非常明顯。為了盡可能減少尺寸效應對材料力學性能的影響，通過以上分析認為以下途徑可能改善薄壁尺寸效應對鑄件力學性能的影響：

(1)采用精鑄無余量成形工藝，工作部位不經機加工，保證晶體完整性。在制備試樣過程中極力注意避免產生表面再結晶和加工硬化層，盡量減少表面狀態的影響[5]。

(3)減少鑄造缺陷。在鑄造過程中由枝晶凝固本性決定的分散性縮孔是不可避免的[15]。提高爐子的溫度梯度可以減小單晶高溫合金的一次枝晶臂間距，同時減小疏松和氣孔的尺寸和數量。由于30 μm的氣孔在一個0.3 mm～0.5 mm厚度截面上占到了1/10，必然會對材料性能產生非常重要的影響。因此，進一步閉合氣孔和疏松對于薄截面材料更加重要。采用熱等靜壓處理可以有效防止這些缺陷。

5 結論

尺寸效應通常造成薄壁鑄件力學性能降低，而尺寸效應導致力學性能降低的因素是多方面的。在實際應用中，需要綜合考慮多個因素的作用，并且有針對性的改進工藝，盡可能減少薄壁尺寸效應對鑄件力學性能的影響，以便于準確評估鑄件薄壁部位的力學性能。

[1] 鄭運榮.單晶渦輪葉片合金的薄截面尺寸效應[J]，材料工程，2007，7：74-77.

[2] Mehmet Doner, Josephine A. Heckler. Identification of Mechanisms Responsible for Degradation in Thin-Wall Stress-Rupture properties [A].Super alloys 1988[C]. Pennsylvania: TMS, 1988.653-662.

[3] V.Seetharaman, A.D.Cetel.Thichness Debit in Creep Properties of PWA1484 [A].Super alloys 2004[C].Pennsylvania: TMS, 2004.207-214.

[4] 鄭啟，侯桂臣，等.單晶凝固組織的樣品尺寸效應[J]，材料工程，2002，3:24-27.

[5] 李劍鋒，周鐵濤，燕平，等.一種鎳基單晶高溫合金凝固組織的截面尺寸效應[J]，材料工程，2009，6：20-25.

[6] J.T.Fourie,A.Baldan.size effects in the mechanical properties of superalloy single crystals[A]. Superalloy 1992[C].Pennsylvania:TMS,1992，619-627

[7] 張宏煒，陳榮章.一種定向凝固高溫合金的薄壁效應[J].金屬學報，1997，33(4)：370-374.

[8] 徐巖，等.K417鑄造高溫合金的尺寸效應對組織和性能的影響[J].金屬學報，1999，35(12)：1249-1252.

[9] Geiger M, messner A.Prodution of microparts-size effects in bulk metal forming similarity theory[J]. production engineering, 1997，4(1)：55-58.

[10] Jenn Terng Gau,Chris Principe,Jyhwen Wang.An experimental study on size effects on flow stress and formability of aluminm and brass for microforming[J].Journal of Materials Processing Technology, 2007，184：42-46.

[11] L.V.Raulea,A.M.Goijaerts,L.E.Govaert,F.P.T.Baaijens.size effects in the processing of thin metal sheets[J].Journal of Materials Processing Technology，2001，115：44-48.

[12] 郭斌，周健，單德彬，王慧敏.黃銅箔拉伸屈服強度的尺寸效應[J].金屬學報，2008，44(4)：419-422.

[13] (蘇)波盧欣，等著，黃克琴，等譯.塑性變形的物理基礎[M].北京，冶金工業出版社，1989：216.

[14] 楊覺先.金屬塑性變形物理基礎[M].北京，冶金工業出版社，1988：112-113.

[15] (蘇)皮薩林科，列別捷夫著，江明行譯.復雜應力狀態下的材料變形與強度[M].北京，科學出版社，1983：203.

[16] 任明星，李邦盛，楊闖，等.微尺度鑄件的力學性能及斷裂行為研究[J].《哈爾濱工程大學學報》，2008，3.

[17] F.Vollertsen.Categories of size effects[J].Prod. Eng.Res.Devel.2008，2：377～383.

[18] 北京無線電工具設備廠.壓鑄技術基礎[M].北京：國防工業出版社，1978：20.