第12期 王恩容等：铸造共晶铝硅合金中析出相对断裂行为的影响 ·1513· 二相（如初晶硅，富铜相）接触的情况下，裂纹会扩 展到第二相中，如图4(d)中箭头C所示. b 10m 30 Hm (d) 10m 30μm 图5不同形貌的富铁相在断口处分布及断裂特点.()块状富铁相的穿晶断裂：(b)鱼骨状富铁相中的裂纹沿一次枝晶轴线扩展：（©）富 铁相枝品间的微裂纹：()断口表面的团簇状富铁相 Fig.5 Iron-rich phases with various morphologies and corresponding fracture characteristics:(a)transcrystalline fracture in blocky iron-ich phases: (b)mierocrack propagated along the axis of Chinese seript iron-ich phases (e)micrcrack between the dendrites of Chinese seript iron-ich phases; (d)intercrystalline fracture along the explode'iron-rich phase boundary 鱼骨状富铁相是以团簇状枝晶的形式分布在基 枝晶生长不完全的情况下，富铁相会以不规则短棒 体中的，典型形貌特征是其二次枝晶以一次枝晶为 状分布在一起，呈现“爆炸”状.由于这种团簇结构 轴心在两侧对称分布.根据Caceres等的观点回，与 中不存在粗大的轴线，所以反而会对裂纹扩展有较 弥散分布的块状或颗粒状析出相相比，这种团簇状 强的抑制作用.断口纵向观察发现，裂纹沿着这类 的共晶组织对基体形变的阻碍更大，因此更容易在 团簇的外沿扩展，表现出沿晶断裂特点，如图5() 局部产生应力集中.随着拉应力的增加，裂纹优先 所示. 在一次枝晶内产生，并沿其纵向生长（图5(b)).一 从以上分析看出，富铁相的形貌及分布对裂纹 次枝晶中裂纹的出现会显著缓解团簇内部应力集中 的形成及扩展有较大影响.从形貌上来说，鱼骨状 程度，因此一次枝晶开裂后，两侧的二次枝晶中裂纹 的富铁相对合金裂纹扩展的影响最大，是导致合金 出现概率明显减少.这类微裂纹对合金最终断裂影 最终断裂的主要诱因 响最大.这是因为微裂纹一旦在该脆性相中形成就 2.4富铜相对裂纹扩展的影响 很容易贯穿其整个纵向长度，在应力作用下形成显 如前所述，铸造过程中富铜相多以富铁相为核 著的宏观裂口，成为合金最终断裂的直接诱因.若 心从基体中析出.固溶处理后，由于块状富铜相尺 该组织附近分布着结构相同的团簇，且二者位于轴 寸较大，无法完全回溶，仍然以块状分布在富铁相附 线处的一次枝晶保持在同一水平线上或者相互平 近.在随后的时效过程中，处于过饱和状的C山以细小 行，则裂纹会沿着这些脆性结构相扩展相连，甚至产 球状A,Cu颗粒从基体中弥散析出.因此，实验合金中 生剧烈阶跃式连接，导致断口表面呈现大幅度偏转 富铜相主要以块状和细小球状两种形态存在 台阶.由于鱼骨状共晶组织形成温度较低，过冷熔 图6为CU合金断口近表面富铜相分布形貌及 体流动性变差，并且枝晶的存在对熔体的流动造成 断口表面析出相的能谱分析.断口表面的A山，Cu相 进一步阻碍作用，因此凝固过程中枝晶间容易产生 多位于准解理断裂区域的撕裂棱附近（图6(a)), 显微缩孔，在应力作用下，裂纹容易在这些部位产生 并且表现出沿晶断裂的形貌特征.裂纹扩展到这类 并沿纵向扩展，如图5(c)所示.试验发现，枝晶间 富铜相后无法切过AL,Cu颗粒，只能沿着AL,Cu与 距越小，这种裂纹的形成倾向越大.此外，在鱼骨状 基体的界面扩展，在断口上表现出局部韧窝断裂的第 12 期 王恩睿等: 铸造共晶铝硅合金中析出相对断裂行为的影响 二相( 如初晶硅，富铜相) 接触的情况下，裂纹会扩 展到第二相中，如图 4( d) 中箭头 C 所示． 图 5 不同形貌的富铁相在断口处分布及断裂特点 . ( a) 块状富铁相的穿晶断裂; ( b) 鱼骨状富铁相中的裂纹沿一次枝晶轴线扩展; ( c) 富 铁相枝晶间的微裂纹; ( d) 断口表面的团簇状富铁相 Fig． 5 Iron-rich phases with various morphologies and corresponding fracture characteristics: ( a) transcrystalline fracture in blocky iron-rich phases; ( b) microcrack propagated along the axis of Chinese script iron-rich phases; ( c) microcrack between the dendrites of Chinese script iron-rich phases; ( d) intercrystalline fracture along the ＇explode＇ iron-rich phase boundary 鱼骨状富铁相是以团簇状枝晶的形式分布在基 体中的，典型形貌特征是其二次枝晶以一次枝晶为 轴心在两侧对称分布． 根据 Caceres 等的观点［2］，与 弥散分布的块状或颗粒状析出相相比，这种团簇状 的共晶组织对基体形变的阻碍更大，因此更容易在 局部产生应力集中． 随着拉应力的增加，裂纹优先 在一次枝晶内产生，并沿其纵向生长( 图 5( b) ) ． 一 次枝晶中裂纹的出现会显著缓解团簇内部应力集中 程度，因此一次枝晶开裂后，两侧的二次枝晶中裂纹 出现概率明显减少． 这类微裂纹对合金最终断裂影 响最大． 这是因为微裂纹一旦在该脆性相中形成就 很容易贯穿其整个纵向长度，在应力作用下形成显 著的宏观裂口，成为合金最终断裂的直接诱因． 若 该组织附近分布着结构相同的团簇，且二者位于轴 线处的一次枝晶保持在同一水平线上或者相互平 行，则裂纹会沿着这些脆性结构相扩展相连，甚至产 生剧烈阶跃式连接，导致断口表面呈现大幅度偏转 台阶． 由于鱼骨状共晶组织形成温度较低，过冷熔 体流动性变差，并且枝晶的存在对熔体的流动造成 进一步阻碍作用，因此凝固过程中枝晶间容易产生 显微缩孔，在应力作用下，裂纹容易在这些部位产生 并沿纵向扩展，如图 5( c) 所示． 试验发现，枝晶间 距越小，这种裂纹的形成倾向越大． 此外，在鱼骨状 枝晶生长不完全的情况下，富铁相会以不规则短棒 状分布在一起，呈现“爆炸”状． 由于这种团簇结构 中不存在粗大的轴线，所以反而会对裂纹扩展有较 强的抑制作用． 断口纵向观察发现，裂纹沿着这类 团簇的外沿扩展，表现出沿晶断裂特点，如图 5( d) 所示． 从以上分析看出，富铁相的形貌及分布对裂纹 的形成及扩展有较大影响． 从形貌上来说，鱼骨状 的富铁相对合金裂纹扩展的影响最大，是导致合金 最终断裂的主要诱因． 2. 4 富铜相对裂纹扩展的影响 如前所述，铸造过程中富铜相多以富铁相为核 心从基体中析出． 固溶处理后，由于块状富铜相尺 寸较大，无法完全回溶，仍然以块状分布在富铁相附 近． 在随后的时效过程中，处于过饱和状的 Cu 以细小 球状 Al2Cu 颗粒从基体中弥散析出． 因此，实验合金中 富铜相主要以块状和细小球状两种形态存在． 图 6 为 CU 合金断口近表面富铜相分布形貌及 断口表面析出相的能谱分析． 断口表面的 Al2Cu 相 多位于准解理断裂区域的撕裂棱附近( 图 6 ( a) ) ， 并且表现出沿晶断裂的形貌特征． 裂纹扩展到这类 富铜相后无法切过 Al2 Cu 颗粒，只能沿着 Al2 Cu 与 基体的界面扩展，在断口上表现出局部韧窝断裂的 ·1513·