汽车后拖曳臂压铸件孔洞三维特征及其与力学性能关系研究

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压铸作为汽车行业应用最为广泛的成形手段之一,而后拖曳臂又是悬挂系统上的重要部件,对后拖曳臂的受力要求非常高,因此研究其力学性能显得尤为重要。然而,在高压铸造中,会不可避免地因为卷气,夹杂等因素带来的缺陷。所以要提升后拖曳臂的力学性能,应当首先研究清楚孔洞的特征及形成机理以及孔洞与力学性能的关系。本研究基于X射线断层扫描和三维重构的结果,对不同高压射速度下压铸件的孔洞进行了体积统计,研究了孔洞的三维形貌特征和形成机理,研究了其尺寸分布,并用SEM观察了孔洞在断口上的形貌。研究结果表明,P组(1.5m/s)的孔洞总数量明显低于V组(2.0m/s),相差超过一个数量级。从三维分布情况来看,V组孔洞分布更为致密,存在更多细小的孔洞;P9、V4号试样(体积大于0.01mm3)的孔洞等效球直径分布符合三参数的对数正态分布,试样P9、V4拟合后的阈值τ分别为0.31533mm、0.31076mm,试样V4内部存在更多的尺寸更小的微观孔洞;气孔内壁光滑,形状较为圆整,尺寸和体积偏小,圆整度普遍大于0.58;缩孔形状复杂,尺寸偏大,圆整度普遍低于0.40;气缩孔表现为较大的气孔和一条或多条长尾状的缩孔相连接,形状比气孔复杂,尺寸和体积均比气孔大,圆整度普遍维持在0.400.58;用SEM进行孔洞断面形貌观察,并进行了EDS能谱半定量分析,气孔内壁比较光滑,形状圆整,内表面还有一层光滑的氧化膜;缩孔形状不规整,并有大量的树枝晶裸露在断面表层,气缩孔面积较大,由带状的枝晶和光滑的气孔相互连接。本文还研究了微观孔洞对力学性能的影响,用Weibull分布分析了不同高压射速度下试样力学性能的稳定性,分析了断面/体孔隙率与力学性能的关系,通过幂函数模型预测了不同高压射速度下的试样能达到的最大抗拉强度和延伸率。结果表明,P组平均抗拉强度和延伸率分别为199.01549Mpa,3.58125%;V组平均抗拉强度和延伸率分别为154.99415Mpa和0.70708%。P组平均断面孔隙率和体孔隙率分别为6.18583%,0.12125%;V组平均断面孔隙率和体孔隙率分别为11.60916%和0.48542%;V组断面孔隙率和体孔隙率波动较大。P、V两组试样的抗拉强度均能很好的服从二参数的Weibull分布,Weibull模数分别为17.04111和12.63402,P组的工艺条件下生产的压铸件力学性能稳定性优于V组。用幂函数模型y(28)axb分别拟合了P、V两组试样断面孔隙率以及体孔隙率与延伸率的关系,对比发现,P、V两组断面孔隙率与延伸率的拟合决定系数分别为0.78294、0.81893,远高于体孔隙率与延伸率的拟合决定系数0.48346、0.0029,说明断面孔隙率才是影响延伸率的主要原因。用模型e(28)e0[1-f]?分别预测了当孔隙率几乎为0时,P、V两组试样可达到的最大延伸率0e分别为12.780%、2.235%;同时用模型?(28)?0[1-f]?分别预测了当孔隙率几乎为0时,P、V两组试样可达到的最大抗拉强度?0分别为239.76038Mpa、194.57156Mpa。本文最后还将P9号试样的实际断裂位置与三维重构的结果对比,提取了断裂位置处的模型,通过一系列前处理工作,进行了模拟拉伸试验,用HYPERWORKS观察各孔洞周围的应力分布情况。发现裂纹首先萌生于缩孔和气缩孔,而不是气孔。将实验和模拟拉伸结果的应力应变曲线对比,在弹性阶段孔洞没有发生明显的变形,模拟结果与实验结果非常接近。在塑性阶段,模拟断裂强度略高于实验断裂强度。该方法为研究三维孔洞对压铸件力学性能的影响和定性预测断裂强度提供了一种新的途径。
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