共晶Al-Si合金以其優異的鑄造性能、高比強度、良好的耐磨性和低的熱膨脹系數，在柴油機中得到了廣泛的應用。活塞構件長期在高溫、高壓和高速的環境下服役，特別是柴油機頻繁啟停，導致活塞不同部位（頂部、頭部、銷座和裙部）承受不同循環機械和熱載荷從而產生高溫低周疲勞破壞。隨著科學技術的發展和服役要求的提高，柴油機不斷向環保節能、高強化、高可靠和高耐久方向發展，活塞材料性能提高特別是疲勞性能表征與優化是目前亟待解決的重要問題。近期我們針對共晶鑄造Al-Si合金在不同溫度、載荷和應變速率下的疲勞裂紋萌生與擴展機制、高溫低周疲勞壽命演化、壽命預測表征與優化等問題，系統開展了原位疲勞掃描電子顯微鏡（SEM）觀測、高溫低周疲勞性能、損傷機制測試與表征等研究，在國際學術期刊Materials Science and Engineering A、International Journal of Fatigue和Journal of Materials Research and Technology發表3篇論文，主要研究內容如下：

通過原位SEM疲勞實驗觀測Al-Si合金在室溫拉伸和疲勞載荷下的裂紋萌生和擴展行為。基于原位觀察，不同載荷形式下的開裂行為具有明顯的差異。在拉伸載荷下，當拉伸應力接近280MPa時，位于表面處的初生Si會優先開裂并沿著金屬間化合物和共晶Si迅速擴展（圖1）。當處于疲勞載荷下，疲勞裂紋會優先從疏松空洞處產生。這些疏松空洞通常伴隨著脆性金屬間化合物（Al3Cu4Ni），并形成復雜的空間結構。由于局部應變集中而產生的疲勞微裂紋會沿著Al3Cu4Ni相擴展（圖2）。另一方面，隨著加載溫度和應變速率的變化，合金微觀變形機制和損傷演變也會發生改變，進而影響疲勞壽命。位錯滑移方式會隨著溫度的升高和應變速率的降低而從平面滑移轉變為交叉滑移。對于疲勞損傷而言，在較低溫度和高應變速率下疲勞裂紋是由初生Si斷裂而產生，在較高溫度與低應變速率下則是由空位積累引起的相界面剝離引起的。對于疲勞壽命的演化，溫度的增加或應變速率降低都可以減少應力集中和疲勞壽命增加。然而，隨著進一步降低應變速率和增加實驗溫度，空位積累而引起的界面剝離會增加，從而降低疲勞壽命（圖3）。 

圖1：原位拉伸損傷行為：（a）原始組織；（b）裂紋萌生和（c）擴展；（d） 斷裂形貌。

圖2：原位疲勞損傷行為：（a）原始組織；（b）裂紋萌生和（c）擴展；（d） 斷裂形貌。

研究材料疲勞行為除了測試宏觀力學性能和揭示微觀損傷機制，探尋合適的材料性能表征方法并提出疲勞性能優化方向也至關重要。前期本研究團隊提出低周疲勞損傷能量模型（Liu R. et al, Acta Mater. 2015; 83: 341），研究發現該基于滯回能模型的壽命預測方法還可以簡便、準確的預測不同合金成分、不同溫度和不同應變速率材料的低周疲勞壽命，并且該方法與微觀損傷機制有關（圖3）。該預測方法是通過兩個疲勞參數來控制，即本征疲勞韌性W0 （主要與疲勞裂紋擴展性能相關）和疲勞裂紋開裂指數b （Beta, 主要與疲勞裂紋開裂性能相關）。然而這兩個參數表現明顯的倒置關系，很難同步提高，如圖4。為提高不同溫度材料的疲勞壽命，在較低溫度下增加本征疲勞韌性W0（優化金屬間化合物的形態以提高疲勞裂紋擴展阻力）和增加高溫疲勞開裂指數b（初生硅顆粒細化）有利于提高整個使用溫度范圍內的疲勞壽命。通過在鑄造過程中引入超聲處理可以實現合金低周疲勞性能的優化（圖5所示）。

圖3：不同溫度和應變速率下微觀組織和疲勞壽命演變機制（HSR/RSR -高/低應變速率）。

圖4：低周疲勞壽命優化建議：（a）不同材料疲勞參數；（b） Al-Si合金低周疲勞壽命優化建議。

圖5：低周疲勞壽命優化機制總結。

上述研究結果發表在Mater. Sci. Eng. A759 （2019） 797、Int. J. Fatigue, 127 （2019） 268、J. Mater. Res. Technol., 8 （2019） 4556（通訊作者：jcpang @ imr. ac. cn （龐建超）， zhfzhang @ imr. ac. cn（張哲峰））。進一步的研究仍在開展中，歡迎同行專家關注指正。