凝固收縮

鋁合金作為用量僅次於鋼材的第二大金屬結構材料，具有密度小、成本低、易加工等特點，在航空航天、交通運輸、電子電器、印刷包裝等領域有着十分廣泛的應用。DC 鑄造是廣泛應用的鋁合金半連續鑄造技術，但在鑄造過程中產生的熱應力能夠使鑄錠中產生微裂紋，甚至能夠使鑄錠完全開裂。高温條件下熱應力導致的熱裂紋會出現在鋁合金鑄錠的表面和芯部，是鑄造過程中最重要的缺陷，對於任何鑄造過程都是致命的災難。

迄今為止，在大量研究鋼和鋁合金的基礎上，總結得到的一致看法是: 熱裂紋是在凝固温度範圍內、臨近固相線時形成的。較為成熟並被人們認可的熱裂紋形成機理主要有: 液膜理論、強度理論、晶間搭橋理論和凝固收縮補償理論。

關於合金熱裂傾向性的理論評定方法主要有Clyne 和Davies提出的CSC 判據和Suyitno 等提出的HCS 判據。熱裂傾向性的實驗評定方法主要有熱裂環法、臨界尺寸法和臨界直徑法、臨界載荷法。理論判據雖可以判斷合金熱裂傾向性的大小，但由於其計算過程的複雜性，導致其在實際應用中存在很多侷限性; 實驗評定方法多采用定性指標，部分方法重複性差，且多針對二元合金，對多元合金的研究較 ^[1]  少。

第1 階段( Ⅰ固相形核階段) : 這個階段固相率低於0. 4，液相和固相均可自由運動。

第2 階段( Ⅱ板晶填充階段) : 這一階段固相率為0. 4 ～ 0. 9，生長的枝晶相互接觸而形成固相骨架，剩餘的液相在枝晶骨架間流動，兩相區體積的熱收縮伴隨着液相的填充，合金繼續收縮但收縮速率變小。

第3 階段( Ⅲ晶間隔裂階段) : 在這一階段固相率大於0. 9，金屬骨架將金屬液分隔開，液體被隔離在一些小區域或者被表面張力作用而固定不動． 當固相骨架的可滲透性小到不允許液體流動，進一步的收縮會導致孔洞或微裂紋產生。

第4 階段( Ⅳ枝晶搭橋階段) : 在這一階段接近凝固末期，鑄件具有一定的強度，並且固態蠕變可以補償進一步的收縮。處於高固相率階段的合金凝固形成的枝晶會互相搭接、交錯，與上一階段不同，這時候已凝固的合金鑄件內部有應力產生。

如果這個搭接的區域比較完整，那麼鑄件的強度應該遠高於阻止枝晶分離所要求的強度，晶界間的結合力很高，凝固收縮所產生的應力不會對晶界造成影響，從而阻止晶間微裂紋的產生。

合金的收縮總是在液相線以下某一温度開始，這一温度標誌着連續固相骨架的形成，此後合金對外表現出收縮現象。即在相同的温度區間內，平均熱收縮係數大的其熱應力積累也較大，則發生熱裂的幾率越大 ^[2]  。

7075 鋁合金在温度冷卻至553 ℃時實驗裝置開始測得收縮應力，此時處於凝固過程的枝晶隔裂階段，固相骨架基本成形，但是強度很低，收縮應力很小; 繼續凝固當温度降至482 ℃時收縮應力突然上升，對應的固相率為97. 03%，此時合金鑄件內部處於凝固過程的枝晶搭橋階段，晶間結合力提高，晶界處出現不連續的微裂紋; 同時相鄰枝晶的迅速搭接使得鑄件急劇收縮，應力增加速率很大，應力的迅速累積易導致鑄件內部出現應力集中，由於合金鑄件內部的液相很少且被搭接的枝晶隔離成小區域，進一步收縮便形成孔洞或微裂紋，無法對因凝固受阻被拉斷的枝晶形成有效的補縮，在應力集中的作用下孔洞或微裂紋擴展成宏觀熱裂紋。因此在枝晶搭橋階段的應力增加速率越大，孔洞或微裂紋擴展的傾向性就越大，熱裂越容易發生。

在應力急劇上升過程中，應力增加速率出現一個明顯的波峯。此波峯上升階段的斜率可以表徵這段時間內應力累積的程度，其值越大，表明合金的熱裂傾向性就越大。

6061 合金在合金凝固的枝晶搭橋階段應力迅速累積的程度最小，因此其鑄件在凝固末期內部孔洞或微裂紋擴展成為宏觀熱裂紋的傾向性最小; 而7075 合金與5083 合金在此階段應力的累積程度較大，鑄件內部的應力集中很容易超過此狀態下枝晶間的結合力，使得鑄件出現宏觀可見的熱裂紋。

綜上所述，熱裂紋形成的原因在於晶間收縮得不到補償。在凝固末期，晶間液相收縮形成孔洞或微裂紋，外力作用如果造成枝晶搭橋的破斷，這些孔洞或微裂紋將連接而擴展為熱裂紋。相比於Clyne － Davies 模型的熱裂敏感性係數( CSC) ，合金凝固末期的k 值可以綜合反映出此時合金鑄件內部的應力累積及液相補縮的情況，從而比較不同合金的熱烈傾向性大小，且k 值計算所用數據均為實驗裝置在實際凝固過程中測得，能夠客觀準確地反映合金的凝固過程 ^[2]  。

1) 相比於現有的鋁合金熱裂研究方法，本實驗裝置可以記錄鋁合金凝固過程中温度、收縮位移和收縮應力的細微變化，總結出鋁合金凝固過程不同階段的特徵，為深入研究鋁合金的熱裂行為和熱裂形成機理創造了條件

2) 利用熱力學軟件JMatPro 計算得到了實驗合金凝固過程中的固相率和平均熱收縮係數，利用固相率數據結合實驗裝置測得的合金凝固温度變化曲線按Clyne － Davies 模型計算出合金的熱裂敏感性係數( CSC) ，預測鋁合金的熱裂敏感性大小為CSC ( 5083 ) > CSC ( 7075 ) > CSC( 6061) 。

3) 提出了衡量合金熱裂傾向性大小的應力累積係數，得出3 種鋁合金的熱裂傾向性大小順序為k( 5083) > k( 7075) > k( 6061) ，實驗結果與實際鑄造過程及CSC 值預測的結果相符，表明採用k 值衡量合金的熱裂傾向性具有可行性，且相比於CSC 值更客觀準確 ^[3]  。