文/阿瑶说
编辑/阿瑶说
<<——【· 前言 ·】——>>
铝合金由于其性能相对较高，考虑到低密度和良好的可加工性，因此广泛用于汽车，航空或海洋工业。高压压铸允许快速生产具有相对光滑表面的复杂薄壁零件，并且该工艺对于批量生产非常经济。为了提高加工性能并避免粘在铸造形式中，在合金中添加了少量的铁。
铝合金的耐腐蚀性由于合金元素而降低，这通常会改善机械性能或可加工性。由于硅含量高，铸造合金会形成有缺陷的阳极层，这使得它们更容易腐蚀。AlSi10MgMn在盐溶液中的腐蚀进展主要通过共晶区，而不是金属间化合物的边界。在运行过程中，几乎所有部件都可以观察到腐蚀对疲劳强度的破坏性影响。
许多因素在其中起着重要作用，包括腐蚀和机械应力之间的相互作用。这种组合会导致腐蚀疲劳，即使在较高的负载循环下，长寿命疲劳强度也没有限制。甚至过去10^3载荷循环，铝合金似乎没有疲劳强度限制。Sonsino研究了干湿循环或含5%NaCl的连续灌溉对不同锻造、焊接和铸造铝车辆安全部件疲劳行为的影响。
对于许多铸件，有必要加工选定的表面以获得更好的表面质量并匹配所需的公差。Leon和Aghion研究了在低循环状态下，使用10.3%NaCl溶液的增材制造（SLM）AlSi5Mg试样的表面粗糙度对耐腐蚀性和腐蚀疲劳的影响。
他们的结果表明，由于表面更光滑，抛光试样具有更高的耐腐蚀性。此外，具有抛光表面的试样的使用寿命显著延长是空气和腐蚀性环境测试所固有的。
<<——【· 材料和方法 ·】——>>
图中描述了被测AlSi10MgMn高压压铸合金的微观结构。白色的Al相被虚线共晶富硅相包围。其余元素Mn和Mg主要结合在金属间相（较大的灰色沉淀物）中。在未加工的表面附近可以看到微观结构的轻微变形。
腐蚀性环境会侵蚀使用中的铸件表面。整个零件的测试非常复杂且昂贵，因此必须设计从零件中提取的试样，并且疲劳裂纹是从被研究的表面而不是从加工边缘开始的。
试样取自复杂高压压铸件的管状截面，并在弯曲载荷下进行测试。图中显示了试样的尺寸。由于曲率与凹口相结合，可以确保试样从所需的铸造或机加工表面开始失效。
使用试样的有限元模拟（包括夹紧的接触模拟）仔细推导出槽口半径。如果没有缺口，试样会因烦恼而在夹紧中失效。如果半径太小，试样将从加工边缘而不是具有指定表面条件的表面失效。图中显示了不同缺口半径与沿试样表面和边缘轴线的应力之间的关系。
在半径小于6mm时，边缘处的应力将高于表面处的应力，这是必须避免的。当选择的半径为8mm时，应力之间的间隙足以避免边缘失效。由于不同试样之间的曲率不同，由于铸件的表面不平整和复杂的试样提取，因此有必要测量每个试样并评估加载力矩与产生的应力之间的关系。因此，在测试之前对每个样品进行三维扫描。
椭圆拟合应用于缺口横截面（正好在试样的中间）。使用这些几何参数，可以自动生成和评估有限元仿真模型。利用这些结果，可以将加载力矩和缺口应力联系起来。图中显示了拟合和仿真过程。模拟中的左侧夹紧零件是固定的，弯矩连接到右侧的零件上，以便它们在载荷下围绕试样的中心向下旋转。夹紧力由螺栓施加，这就是两侧夹紧顶部出现更亮、受力更大的圆的原因。
在铸造过程之后，对组件进行喷砂清洗。对于第一个测试系列，保留了这种铸造和喷砂表面。该系列称为未加工。在第二个测试系列中，研究了抛光表面状况，将表面加工约0.5毫米，并用车床连续抛光。之后，可以用与具有未加工表面的试样相同的方式提取试样。该系列称为抛光。
使用粗糙度和轮廓测量站（MarSurfVD140）测量每个试样在两种表面条件下的粗糙度参数。根据这些测量结果，计算出不同表面条件下的平均值（MV）和标准偏差（SD），结果显示在表中。
对于疲劳测试，使用了共振测试机（RumulCracktronic）。为了用腐蚀性溶液润湿表面，使用了蠕动泵。5wt%NaCl溶液从封闭但充气的玻璃容器中泵出。泵由控制箱控制，控制箱在测试开始时启动泵，并在测试结束时自动停止，以试样断裂为标志。此外，为了减少所需溶液的量，泵送不是连续的。每30秒它打开2秒;这两到三滴足以替代整个腐蚀性溶剂。由于流体的表面张力，表面始终保持湿润。
对于腐蚀疲劳测试，凹口两侧的硅胶凸起已应用，以保护试验机免受腐蚀性溶液的影响，并确保试样不会因缝隙腐蚀而在夹紧区域失效。在测试之前，使用乙醇清洁表面以去除任何可能影响腐蚀过程的残留物。所有测试均在约22°C的温度下进行。
载荷保持不变，直到试样在应力比R=0下失效，因此最大应力是振幅的两倍，最小应力为零。测试频率设置为38±1Hz，具体取决于不同试样的特定刚度。对于腐蚀疲劳测试，使用5wt%-NaCl溶液。用于溶液的水符合ISO质量，氯化钠的纯度高于99.5%。
所有疲劳测试的评估均根据DIN50100进行，它通过双线性函数近似S–N曲线。应力振幅S一个在纵坐标上绘制了与横坐标处失效的循环数的关系图。珍珠串法用于有限寿命线的评估。因此，试样在多个应力水平下进行测试，只能评估纯断裂水平，具有跳动和断裂的混合水平不能用于此评估。这些用于有限寿命评估的测试点用圆圈标记。
阶梯法用于确定长寿命疲劳强度。不同的负载水平以这样一种方式确定，即对数表示中的阶跃跳跃都具有相同的大小，这对于评估是必要的。如果试样失败，则在下一个较低应力水平下测试下一个试样，反之亦然。这些长寿命疲劳测试以钻石为标志。
用完（用三角形标记）设置为更高的负载水平，以便在空中测试以收集更多信息。这些测试在下图中用蓝色圆圈标记，因为腐蚀的不可逆性对于CF测试是不可能的。此外，在膝盖点之后不使用第二个斜坡，因为它似乎是最合适的。除了50% S–N 曲线外，还显示了90%和10%生存概率的线。
图中显示了空气中未加工测试系列的结果。对于第一个系列，最大负载循环数设置为107.由于没有发生超过10的骨折6负载循环，最大循环次数减少到5×106用于进一步测试。该图的上限为5×106负载循环，以便与其他系列更好地比较。
膝盖点约3.5×105负载循环清晰可见。由于样本量相对较小（10个样本），长寿命状态下的散射范围具有很大的不确定性。
根据标准DIN50100，则80%置信区间大约在显示值的32%到316%之间。因此，不应将这些值用于进一步比较。尽管50%疲劳强度的估计应在显示值的约95%和105%范围内准确。此外，有限寿命参数应该是准确的，但不同系列（未加工/抛光、空气/CF）的置信区间变化很小。
因为有限寿命范围内被测试样的数量不同。这些值可以在标准DIN50100中找到。试样从表面缺陷开始失效。图中显示了具有清晰可见缺陷的断裂表面的代表性SEM反向散射图像。在此图和下图中，裂缝起始部位用红色椭圆标记。
未加工表面的腐蚀疲劳测试结果如图所示。由于一个跳动试样，最低应力水平不用于评估S–N曲线。
在测试的负载循环范围内看不到膝盖点。腐蚀性环境引起的疲劳强度显着降低，不仅在长寿命范围内，而且在中等寿命范围内也是如此。
在这方面，与松西诺的观察结果非常吻合。图中描绘了超过4×10后断裂表面的SEM反向散射的负载循环。此外，裂纹源头的腐蚀性侵蚀（用红色椭圆标记），干燥腐蚀溶液的一些残留物表现为断裂表面的较暗区域。
与未加工的测试结果相比，拐点在较高的负载循环下发现，S-N曲线的斜率更平坦。总体而言，这两个系列的强度相当，鉴于铸件和喷砂的粗糙度以及加工表面状态的显着差异，这是无法预料的。
断裂表面揭示了抛光表面疲劳性能意外低的原因。由于去除了顶面，通常会露出不重要的孔隙，从而影响试样的使用寿命。这些引发裂纹的缺陷要么完全暴露，要么略微低于表面。毛孔的大小通常为零点几毫米;发现的最大一个约为0.113毫米2尺寸最大延伸为416μm。
结果的散点与未加工的试样相似。在应力水平为100MPa时仅观察到一个异常值，这揭示了在距最大应力的试样曲率最高点很远处的裂纹引发缺陷。
图中示意性地描述了在抛光试样的加工过程中表面的去除。此外，该图还说明了裂纹萌生从未加工试样的表面缺陷（对应于表面粗糙度）向抛光试样表面或略低于表面的孔隙的转移。
抛光表面的腐蚀疲劳测试结果如图所示。对于该系列，没有设置加载循环限制，以确保所有试样都失效并且不会发生跳动。因此，还有一个点超过5×106S–N图中的负载循环。在测试的负载循环范围内看不到膝盖点。
同样，由于腐蚀性环境，疲劳强度不仅在长寿命范围内，而且在有限寿命范围内都会显着降低。松西诺的推荐用于减少由于腐蚀引起的斜率，与抛光样品完全吻合（公式2）。两个系列的散射范围相似。适用于5×106载荷循环中，疲劳强度外推为52.8MPa，即空气中疲劳强度的56%。
图中显示了所有四个S–N图的比较。表面状况（未加工/抛光）似乎对疲劳行为几乎没有影响，无论是在空气中还是在腐蚀性的5wt%NaCl溶液中进行测试。仅在低周期至中周期疲劳（约5×104–5 × 105载荷循环），抛光表面显示出略高的强度值。与改善的表面质量相反，试样高应力区域内孔隙的增加导致疲劳强度下降。
此外，表中还以表格形式比较了不同的S-N曲线参数。所有值均针对50%S–N曲线给出。除斜率外，相对疲劳强度为105和2×106还给出了与在空气中测试的未加工试样的结果相比的载荷循环。选择载荷循环的数量时无需外推，这会增加一些不确定性。
<<——【· 结论 ·】——>>
文章里考察了5wt%-NaCl溶液引起的腐蚀疲劳对高压压铸AlSi10MgMn疲劳行为的影响。此外，还分析了两种表面条件（未加工和抛光）的影响，得出以下结果：疲劳强度显著降低，在37×2时高达10%6在两种表面条件下，由于整个载荷范围内的腐蚀，发现载荷循环。
在有或没有腐蚀性环境的情况下，表面条件（未加工/抛光）对疲劳行为没有显着影响。对于抛光试样，由于去除了顶面，因此露出了孔隙。