共晶Al-Si合金以其優(yōu)異的鑄造性能、高比強(qiáng)度、良好的耐磨性和低的熱膨脹系數(shù)，在柴油機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。活塞構(gòu)件長期在高溫、高壓和高速的環(huán)境下服役，特別是柴油機(jī)頻繁啟停，導(dǎo)致活塞不同部位（頂部、頭部、銷座和裙部）承受不同循環(huán)機(jī)械和熱載荷從而產(chǎn)生高溫低周疲勞破壞。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和服役要求的提高，柴油機(jī)不斷向環(huán)保節(jié)能、高強(qiáng)化、高可靠和高耐久方向發(fā)展，活塞材料性能提高特別是疲勞性能表征與優(yōu)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(yīng)變速率下的疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)制、高溫低周疲勞壽命演化、壽命預(yù)測表征與優(yōu)化等問題，系統(tǒng)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(jī)制測試與表征等研究，在國際學(xué)術(shù)期刊Materials Science and Engineering A、International Journal of Fatigue和Journal of Materials Research and Technology發(fā)表3篇論文，主要研究內(nèi)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(kuò)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(dāng)拉伸應(yīng)力接近280MPa時，位于表面處的初生Si會優(yōu)先開裂并沿著金屬間化合物和共晶Si迅速擴(kuò)展（圖1）。當(dāng)處于疲勞載荷下，疲勞裂紋會優(yōu)先從疏松空洞處產(chǎn)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(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。由于局部應(yīng)變集中而產(chǎn)生的疲勞微裂紋會沿著Al3Cu4Ni相擴(kuò)展（圖2）。另一方面，隨著加載溫度和應(yīng)變速率的變化，合金微觀變形機(jī)制和損傷演變也會發(fā)生改變，進(jìn)而影響疲勞壽命。位錯滑移方式會隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而從平面滑移轉(zhuǎn)變?yōu)榻徊婊啤τ谄趽p傷而言，在較低溫度和高應(yīng)變速率下疲勞裂紋是由初生Si斷裂而產(chǎn)生，在較高溫度與低應(yīng)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(yīng)變速率降低都可以減少應(yīng)力集中和疲勞壽命增加。然而，隨著進(jìn)一步降低應(yīng)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(kuò)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(kuò)展；（d） 斷裂形貌。

研究材料疲勞行為除了測試宏觀力學(xué)性能和揭示微觀損傷機(jī)制，探尋合適的材料性能表征方法并提出疲勞性能優(yōu)化方向也至關(guān)重要。前期本研究團(tuán)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(fā)現(xiàn)該基于滯回能模型的壽命預(yù)測方法還可以簡便、準(zhǔn)確的預(yù)測不同合金成分、不同溫度和不同應(yīng)變速率材料的低周疲勞壽命，并且該方法與微觀損傷機(jī)制有關(guān)（圖3）。該預(yù)測方法是通過兩個疲勞參數(shù)來控制，即本征疲勞韌性W0 （主要與疲勞裂紋擴(kuò)展性能相關(guān)）和疲勞裂紋開裂指數(shù)b （Beta, 主要與疲勞裂紋開裂性能相關(guān)）。然而這兩個參數(shù)表現(xiàn)明顯的倒置關(guān)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(yōu)化金屬間化合物的形態(tài)以提高疲勞裂紋擴(kuò)展阻力）和增加高溫疲勞開裂指數(shù)b（初生硅顆粒細(xì)化）有利于提高整個使用溫度范圍內(nèi)的疲勞壽命。通過在鑄造過程中引入超聲處理可以實現(xiàn)合金低周疲勞性能的優(yōu)化（圖5所示）。

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

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

圖5：低周疲勞壽命優(yōu)化機(jī)制總結(jié)。

上述研究結(jié)果發(fā)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(jìn)一步的研究仍在開展中，歡迎同行專家關(guān)注指正。