3.2.1 铸铝零件的材料牌号及分类

目前，可以规模使用的铝铸件材质有以下几类：Al-Mg系、Al-Si系、Al-Si-Mg系和Al-Si-Cu系等。Al-Si系又名铝硅系，是现在使用最多的铸造铝合金。因为其易于铸造，可以铸造结构复杂的铸件，且耐蚀性高、耐热性好，被广泛应用在发动机的气缸头、电动机壳体、泵体、活塞等零件的铸造上。Al-Mg系合金不易铸造，热强性低，使用温度需小于200℃，但是合金力学性能优秀，耐蚀性良好，可以铸造耐冲击、耐蚀、结构简单的零件，应用在舰船配件、氨用泵体等铸件，常用的合金有ZL301和ZL302。Al-Si-Mg系合金有良好的可铸造性、力学性能、耐热性和抗疲劳性，可以使用在航空航天、军事、汽车等行业。常见传统压铸铝合金的材料牌号与力学性能见表3-1。德国莱茵菲尔登公司研发了一类高强韧压铸合金—SF-36及Castaduct-42，SF-36合金是一种低Fe、高Mn和含Sr的AlSi ₉ Mg铝合金，有着高应力、高载荷和高韧性的优点，可以应用于汽车车身结构件。

3.2.2 铸铝零件材料处理工艺

（1）热处理工艺 进行热处理工序，可以提升铝铸件的力学性能。热处理的目的为：①提高铝铸件的综合力学性能；②消除偏析和针状组织；③改善组织和性能；④稳定铝铸件的组织和尺寸；⑤消除铸造应力。

热处理工艺分为以下几种：

1）退火处理：把零件加热到300℃左右后保温一定的时间，然后随炉冷却至室温。

2）固溶处理：将零件加热到接近于共晶体的熔点后在该温度下进行足够时间的保温，然后迅速进行冷却处理。固溶处理是为了尽可能溶解强化组元，其效果受固溶处理温度、保温时间和冷却速度3个因素的影响。

3）时效处理：把完成固溶处理的零件加热到特定温度，保温处理一段时间，然后在空气冷却至室温。在室温下进行的时效处理为自然时效，在高于室温下进行的时效处理并有保温操作的处理被称为人工时效。人工时效又被分为不完全人工时效、完全人工时效和过人工时效3种。

4）循环处理：经过多次冷却加热循环操作使固溶体不断收缩膨胀，引起晶格轻微移动，使质点更加稳定，可以提升零件的尺寸精度。因此，循环处理可以应用于精密零件的铸造。

国内铸造合金的热处理状态及代号见表3-2。

以AlSi10MnMg材料为例，无热处理状态的材料力学性能与T4～T7热处理状态的材料力学性能对比如图3-7和表3-3所示。图3-8a所示为热处理前的微观组织结构，图3-8b所示为经过T6热处理的微观组织结构，对比可以看出，热处理后的晶粒更细小。

（2）提高铝合金耐蚀性的表面处理技术 由于在大气中铝合金表面往往会形成一层附着力强、致密的、具有一定保护性的自然氧化膜，所以铝合金在正常使用环境下耐蚀性能很好。但还存在一种应力腐蚀，即在环境与应力的共同作用下，铝合金产生严重的腐蚀破坏，比较常见的失效有应力腐蚀开裂。应力腐蚀的产生有3个条件：腐蚀介质、在这些介质中敏感的铝合金材料、应力门槛值。现在提升铸件耐蚀性能的主要方式是零件表面处理，例如阳极氧化、化学转化、电镀、微弧氧化、涂装等。

（3）铸件表面质量处理工艺 铸件表面质量处理的工艺有两类：表面热处理和表面机械强化。表面热处理使用高频淬火、渗碳、氰化、氮化等方法提高铸件表面材质的抗疲劳强度。表面机械强化使用铸件外表滚压、喷丸等措施，在铸件外表构成预压应力层，能够降低形成疲劳失效的拉应力，以此来提升铸件表面的抗疲劳强度。 fuxPDtv0JT8uF7En4SJrONw5O/Xpx23APhE9zy7n8qS3wkXOaNIKmGzYD6U/Y03V

3.2.3 铸铝零件材料典型性能

铸铝合金车身零件从性能上主要考虑碰撞安全相关和强度耐久相关的需求，一般要求见表3-4。铸态铸铝件的力学性能主要取决于材料的成分，几种典型铝合金材料的成分见表3-5。可以通过低Fe含量来提高延展性，通过调整Mg含量的占比来改变强度和伸长率。实际生产中，同一牌号材料不同的生产厂家、不同的成分添加及热处理工艺差异都会导致铝合金件的力学性能差异。在正向开发中，不管是前期的CAE模拟分析，还是后期的零部件DV试验，都离不开对铸铝件材料力学性能的测定。

汽车的高速碰撞是一个动态变形溃缩过程，在典型的汽车正面碰撞测试中，车身材料的应变率可达500/s甚至更高。因此想要通过CAE模拟正面碰撞（FFB和ODB）来提前识别铸铝零件的失效风险，必须进行材料的静态拉伸和高速拉伸试验。

以某AlSi系材料为例，介绍一下试验的过程和结果。

材料性能试验包含以下几个主要的测试：

1）材料成分试验：光谱分析仪对某AlSi系材料的棒材进行成分分析，保证材料成分满足要求。

2）材料料片的屈服强度试验：依据ISO 6892-1/DIN 50125标准，万能拉力机拉伸试验，确保 R _p0.2 ≥120MPa。

3）材料料片的抗拉强度试验：依据ISO 6892-1/DIN 50125标准，万能拉力机拉伸试验，确保 R _m ≥180MPa。

4）材料料片的伸长率试验：依据ISO 6892-1/DIN 50125标准，万能拉力机拉伸试验，确保 A ₅₀ >10%。

在零件压铸前，可以先用某AlSi系材料铝液压铸试片和试棒进行材料性能摸底测试，如图3-9所示。针对具体某压铸零件，为了测试某AlSi系材料的静态和高速拉伸的力学性能曲线，从其他类似壁厚的结构件本体上取样，取样规格如图3-10a和图3-10b所示，适用于板厚≤2.5mm结构件，如果板厚＞2.5mm，则测量段宽度应设计为厚度的2倍及以上，直接把图里测试段宽度标出。测试方法参考ISO 6892-1：2009，Metallic materials-Tensile testing。

用于测试某AlSi系材料断裂特性的试件包括剪切样件、 R 5缺口样件、 R 20缺口样件、中心孔试件、 R 5缺口平板样件、 R 20缺口平板样件、棒材拉伸样件、压缩样件、穿孔试样件，各样件尺寸如图3-10c～图3-10k所示。材料试验后试件照片如图3-11所示。

得到如图3-12a所示的多应变率工程应力-应变曲线。通过硬化曲线和几个公式，得到图3-12b所示的真实应力-应变曲线。

断裂性能相关的曲线如图3-13所示，可以看出三组试验的材料性能一致性比较高，这为CAE仿真的准确精度提供了支持。