MSEA：A319铝合金断裂损伤机理的3D原位表征研究

铝硅（Al-Si）系合金具有轻巧的重量，出色的可铸造性，高导热率以及低热膨胀系数等一些列理想的工程性能，因此被广泛的应用在汽车零部件中。消失模铸造（LFC）工艺相较于重力压铸（DC），具有可优化铸造形状以及低成本等优点，被广泛的应用在汽车发动机汽缸盖的铸造过程中。然而由于其较低的冷却速度所造成的相对粗糙的微观结构及较大的缺陷影响着铸件的性能，因此研究其微观结构与合金断裂机制的关系显得尤其重要。X射线断层扫描技术（X-ray tomography）可以在合金拉伸过程中原位观测其三维裂纹的萌生，生长及扩展；原位扫描的三维图像配合三维的数字图相关技术（digital volume correlation）可以用来评估加载试样中裂纹尖端附近的3D位移场，从而定量表征合金中二次相断裂的应变阈值，该结果可以用于辅助建立预测整体构件疲劳寿命的模型。

来自法国里尔大学及里尔中央理工的研究人员通过X射线断层扫描技术原位观察了脱模铸造A319合金在拉伸加载过程中裂纹的萌生，扩展；实验表明裂纹主要在较大的气孔/缩孔周围萌生，然后倾向于沿着二次相（如共晶硅相，Al₂Cu相以及富铁相等）扩展。通过三维的数字图相关技术（DVC）计算出拉伸过程中不同阶段裂纹附近的位移场，从而可以定量的表征出二次相断裂时的应变值。相关论文以题为“In-situ 3D characterization of tensile damage mechanisms in A319 aluminium alloy using X-ray tomography and digital volume correlation”近日发表在Materials Science and Engineering: A上。

研究中使用的是一台实验室高分辨X射线断层扫描仪，配套一台拉伸加载装置，最小分辨率设定为2微米，拉伸样品在加载之前先进行一次三位成像扫描，以此作为参考，然后进行拉伸加载实验，在略高于其样品屈服力附近多次暂停拉伸，同时进行三位图像扫描收集，直至其拉伸最终断裂，然后对不同拉伸阶段过程中收集的三维图像进行气孔，二次相以及裂纹的分割，可以观察到裂纹从最初的萌生到生长及扩展的演化规律，另外，由图像相关技术计算出的应变场也可以统计出Al₂Cu相以及富铁相的平均最小断裂应变阈值。本论文表明对于A319合金的拉伸断裂过程，富铁相较于Al₂Cu相更容易断裂，其中富铁相断裂的平均局部等效塑性应变是1.7 ± 0.8%， 而Al₂Cu相是2.2 ± 0.9%。（文：leo）

Figure1： 三维X射线断层扫描原位拉伸装置平台。

Figure2： 三维拉伸试样断裂面上气孔及最终形成的裂纹（黑色）形貌（紫色为样品断裂面，气孔上叠加的是样品在整体断裂前的应变场）。

Figure3： 图一中裂纹2（黑色）在不同拉伸阶段的三维形貌，以及其附近叠加了应变场的三维Al₂Cu相。

Figure4：(a, b)8个选择的Al₂Cu颗粒在断裂前的等效塑性应变及正应变演化曲线；(c, d)14个选择的富铁相颗粒在断裂前的等效塑性应变及正应变演化曲线。

本文由作者团队供稿。