完善预测模型来说明微观组织的变化，有助于释放铸件材料的全部潜能。
　　零件的计算机辅助寿命预测多基于材料均匀性的假设，而忽略了产品在微观组织上的差异性。所以设计者们倾向于适当地零件布局来弥补这些不确定因素。一个由来自德国Magma Founder Technologies ,Audi AG和EisenwerkBruchl GmbH的研究者组成的团队，致力于将过程仿真集成到电脑辅助寿命预测中来获取更精确的零件布局设计。
　　铸件内的不均匀冷却条件会产生能导致局部力学性能差异的局部不同微观组织。这些微观组织会对部件在负载条件下的性能和寿命产生重大影响。蠕墨铸铁有两种与强度相关的微观组织变量：石墨粒子的形状和尺寸；珠光体与铁素体的比例及其在基质中的分布。研究团队认为，理解并且从数学上描述凝固和共析转变中的冶金过程来模拟微观组织的发育极具意义。他们对现有的模型进行了拓展，提出了一种新的用于描述铁素体和珠光体分布的模型。这些模型通过测试铸件和Audi3.01 V6型号的蠕墨铸铁曲轴箱得到了验证。由ChristofHeisser ，J.C.Sturm；N.Zenker和E.Fritsche共同撰写的“对蠕墨铸铁曲轴箱的微观组织和局部力学性能的预测”一文中，比较并论述了实际测量和预测的微观组织分布及其对铸件耐用性的影响。
　　问题
　　铸造过程仿真能否被用于预测铸件的局部微观组织？
　　背景
　　目前设计曲轴箱多采用基于均匀性假设的计算机辅助工程方法。为了将过程仿真集成到电脑辅助寿命预测中，过程仿真中应考虑微观组织和局部耐用性的某种定量关系。同时，寿命预测项目需要能考虑到局部耐用性的数值。研究人员的第一种方法是以蠕墨铸铁的耐用性相关的微观组织参量为基础的，例如Audi 3.01V56型曲轴箱中石墨的形状、尺寸以及珠光体和铁素体的比例。
　　铸铁的力学性能和微观组织，很大程度上是由冶炼过程决定的。为了预测这些微观组织，考虑以下的物理、化学参量：
　　孕育效能和相平衡的石墨孕育
　　石墨的模型、分布和形态
　　奥氏体的长大
　　合金元素的偏析
　　固相中的奥氏体转变
　　铁素体、珠光体在偏析条件和扩散距离上的相关性
　　砂型里的移动中的凝固区域
　　蠕墨铸铁的模拟仿真模型中已经考虑到凝固过程，研究团队还需要建立一种涉及铁素体和珠光体分布的模型。铁素体和珠光体的形成是由于在凝固过程和共析转变过程中石墨相的转移。蠕墨铸铁的凝固过程产生了两种共晶细胞：球墨铸铁晶胞和蠕墨铸铁晶胞。两种晶胞都有其独特的长大机制。除了化学成分和孕育处理，冷却过程也决定了最后会呈现更多的球状石墨还是蠕虫状石墨。
　　研究人员致力于在拉伸试棒中重现其典型的微观组织分布来找到一种微观组织和疲劳强度之间的有代表性的关系。浇铸了一个阶梯形铸件来进行实验。阶梯形铸件的几何特征和疲劳测试样本的位置如图一所示。熔融浇注液经过了两种特定的镁处理。由此产生的球化率的值表示在发动机缸体的关键部位中典型结节分布。阶梯形铸件的不同壁厚提供了铁素体和珠光体比例的变化样本。
　　疲劳试验包括拉压和交变弯曲加载。由于寿命预测分析方法使用了拉力和伸长率来计算疲劳强度，研究人员做了控制拉力和伸长率的控制变量实验。
　　失效后的疲劳试样的断裂表面进行了评估，对局部微观组织采用自动图象分析（见图二）。另外，研究人员还分析了石墨粒子的数量、外形和尺寸，铁素体和珠光体的比例和化学成分。
　　步骤
　　通过对比实际的与模拟出来的微观组织分布，微观组织预测模型得到了验证。对最终含镁量为分别为0.015%和0.018%的阶梯铸件的微观组织，同时对发动机缸体特定区域的微观组织也进行了研究。曲轴箱内不同壁厚和不同冷却速率的区域有着明显不同微观组织。镁含量的提升使阶梯形铸件的不同阶梯中球化率的测量结果和仿真结果均有明显增加。与厚壁轴承段相对的发动机缸体的快速凝固区域也比其他区域呈现出了更大的球化率。总的来说，疲劳强度的测量值和预测值在测量范围内吻合较好（见图三）。
　　研究人员对阶梯形铸件和曲轴箱进行了大量的疲劳测试，并用方差和回归分析的数学方法得到了很多实验数据。通过对这些数据分析，得到了一个局部微观组织和耐用性之间的关系。这个关系函数的本质部分是石墨的形状、数量以及珠光体的比例分数。不过没有发现占支配地位的微观组织的参量。所以为了获得理想的力学性能，对这些参量进行正确的组合是必要的。这种模型的准确性被认为是83%。
　　结果和结论
　　曲轴箱的主要力学载荷是由点火过程中的表面压力引起的。它通过活塞和连杆传递到曲轴，轴承，轴承座，螺杆，最后传到曲轴箱。
　　通过发动机测试站上的大量耐用性测试验证了发动机的耐用性。曲轴箱的耐用性是在一台简化的两轴冲击测试仪（见图四）上验证的。
　　这种两轴冲击测试方法是由仿真结果里的两个内切的应力椭圆导出的，并对冲击测试等比例缩小来研究加工、装配、和负载引起的统计学偏差。为了完善模型，研究人员将计算出的伸长率曲线和实际测量的伸长率进行了对比（见图五）。
　　对强度的计算是由内切应力椭圆基础上的局部应力和伸长率导出的。这种局部思想被用来评估损伤影响和使用寿命。可接受的负载极限由周期性的样本测试获得。通过这种方法研究人员找到了3.01V6型发动机载荷最高的区域（见图六）。
　　对计算寿命的评估包含了对关键区域微观组织的评估。预测的球化率是20%，珠光体含量超过90%（见图七）。
　　由于珠光体含量很高,较高处的S-N曲线能够被用于寿命预测。应用于蠕墨铸铁的设计时，表现出比一般情况高20MPa左右的耐用度。可以在失效前得到两倍的使用周期，并解释了尽管应用了低安全性的因素却没有在试验台上出现裂纹的原因。
　　从这些实验中，研究人员得出了蠕墨铸铁局部的耐用性对局部微观组织的强烈依赖性的结论。研究了石墨的局部表面形态以及铁素体和珠光体的比例后，得到的方差和回归分析都表明了测出的耐用度和预测值之间较好的吻合性。
　　与传统方法预设的布局相比，将铸造过程仿真结果应用到耐用发动机布局的设计上，能够在失效前获得双倍的使用周期。这与实验结果相符。根据作者的论文，将过程仿真集成到铸件的耐用性布局设计上，是获得成功的轻量化设计的关键技术。
　　摘自《ＭＯＤＥＲＮ　ＣＡＳＴＩＮＧ》２０１３年７月Ｐ３７－３９
　　华中科技大学　材料学院 谯燚军