鋁硅（Al-Si）系合金具有輕巧的重量，出色的可鑄造性，高導(dǎo)熱率以及低熱膨脹系數(shù)等一些列理想的工程性能，因此被廣泛的應(yīng)用在汽車零部件中。消失模鑄造（LFC）工藝相較于重力壓鑄（DC），具有可優(yōu)化鑄造形狀以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在汽車發(fā)動機(jī)汽缸蓋的鑄造過程中。然而由于其較低的冷卻速度所造成的相對粗糙的微觀結(jié)構(gòu)及較大的缺陷影響著鑄件的性能，因此研究其微觀結(jié)構(gòu)與合金斷裂機(jī)制的關(guān)系顯得尤其重要。X射線斷層掃描技術(shù)（X-ray tomography）可以在合金拉伸過程中原位觀測其三維裂紋的萌生，生長及擴(kuò)展；原位掃描的三維圖像配合三維的數(shù)字圖相關(guān)技術(shù)（digital volume correlation）可以用來評估加載試樣中裂紋尖端附近的3D位移場，從而定量表征合金中二次相斷裂的應(yīng)變閾值，該結(jié)果可以用于輔助建立預(yù)測整體構(gòu)件疲勞壽命的模型。

來自法國里爾大學(xué)及里爾中央理工的研究人員通過X射線斷層掃描技術(shù)原位觀察了脫模鑄造A319合金在拉伸加載過程中裂紋的萌生，擴(kuò)展；實(shí)驗表明裂紋主要在較大的氣孔/縮孔周圍萌生，然后傾向于沿著二次相（如共晶硅相，Al2Cu相以及富鐵相等）擴(kuò)展。通過三維的數(shù)字圖相關(guān)技術(shù)（DVC）計算出拉伸過程中不同階段裂紋附近的位移場，從而可以定量的表征出二次相斷裂時的應(yīng)變值。相關(guān)論文以題為“In-situ 3D characterization of tensile damage mechanisms in A319 aluminium alloy using X-ray tomography and digital volume correlation”近日發(fā)表在Materials Science and Engineering: A上。

研究中使用的是一臺實(shí)驗室高分辨X射線斷層掃描儀，配套一臺拉伸加載裝置，最小分辨率設(shè)定為2微米，拉伸樣品在加載之前先進(jìn)行一次三位成像掃描，以此作為參考，然后進(jìn)行拉伸加載實(shí)驗，在略高于其樣品屈服力附近多次暫停拉伸，同時進(jìn)行三位圖像掃描收集，直至其拉伸最終斷裂，然后對不同拉伸階段過程中收集的三維圖像進(jìn)行氣孔，二次相以及裂紋的分割，可以觀察到裂紋從最初的萌生到生長及擴(kuò)展的演化規(guī)律，另外，由圖像相關(guān)技術(shù)計算出的應(yīng)變場也可以統(tǒng)計出Al2Cu相以及富鐵相的平均最小斷裂應(yīng)變閾值。本論文表明對于A319合金的拉伸斷裂過程，富鐵相較于Al2Cu相更容易斷裂，其中富鐵相斷裂的平均局部等效塑性應(yīng)變是1.7 ± 0.8%， 而Al2Cu相是2.2 ± 0.9%。（文：leo）

Figure 1： 三維X射線斷層掃描原位拉伸裝置平臺。

Figure 2： 三維拉伸試樣斷裂面上氣孔及最終形成的裂紋（黑色）形貌（紫色為樣品斷裂面，氣孔上疊加的是樣品在整體斷裂前的應(yīng)變場）。

Figure 3： 圖一中裂紋2（黑色）在不同拉伸階段的三維形貌，以及其附近疊加了應(yīng)變場的三維 Al2Cu相。

Figure 4： （a, b） 8個選擇的Al2Cu顆粒在斷裂前的等效塑性應(yīng)變及正應(yīng)變演化曲線； （c, d） 14個選擇的富鐵相顆粒在斷裂前的等效塑性應(yīng)變及正應(yīng)變演化曲線。

本文由作者團(tuán)隊供稿。