一种指导铸造镁、铝合金抗开裂设计的临界共晶液相分数上限确定方法

本发明涉及金属材料铸造，尤其涉及一种指导铸造镁、铝合金抗开裂设计的临界共晶液相分数上限确定方法。

背景技术：

1、镁合金和铝合金作为轻质金属结构材料，具有比强度高、比刚度高、导热导电性能好等突出优点，在航空航天、汽车工业、3c电子产品等领域具有广阔的应用前景。铸造是镁、铝合金最主要的成型方式之一，其产品质量直接决定了构件的服役性能。然而，镁、铝合金在铸造过程中均极易产生裂纹缺陷，成为制约高性能镁、铝合金铸件批量应用的主要瓶颈之一。

2、共晶液相对镁、铝合金的热裂行为具有重要调控作用。共晶液相的增加有利于枝晶间裂纹的补缩，从而降低合金的热裂敏感性。但是，共晶分数与热裂敏感性并非呈简单的正相关关系。随着共晶液相分数增加，热裂敏感性下降，但增加至某一临界值以上时，热裂敏感性骤升，反而开裂。例如，在mg-zn-al系合金中，过高的液相分数导致合金极易在凝固末期发生热裂，这主要是因为，过多的共晶液相在发生共晶反应时，其自身的凝固收缩变得不可忽视，而此时α-mg枝晶若尚未形成足够强的相干网络来抵抗这种收缩应力，便会导致裂纹的产生（journal of materials processing technology, 2023, 317:117980）。类似地，对于mg-la-al系合金，其强化相al11la3细小弥散分布于共晶组织中，是提升合金强度的主要贡献相。然而，该强化相在共晶组织中所占比例较小，为增加其含量而提高la、al添加量时，共晶液相总量会大幅增加。当共晶液相分数超过临界值后，共晶液相自身的热收缩与凝固收缩加剧，导致热裂敏感性急剧升高，从而使合金在追求高强度和避免热裂之间面临两难选择（materials, 2022, 15(3):1078）。

3、30%-50%是镁、铝合金中热裂纹萌生的临界液相分数范围，超过该临界将导致材料的热裂风险显著提升。然而，目前对于如何准确确定这一临界值，尚且需要一个系统有效的方法，以指导镁、铝合金铸造过程中的抗开裂设计。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种指导铸造镁、铝合金抗开裂设计的临界共晶液相分数上限确定方法，通过组织形态学膨胀模拟初生基体的生长过程，确定镁、铝合金不发生热裂的临界共晶液相分数上限，为镁、铝合金抗开裂成分设计提供量化指导，从而有效避免因共晶液相分数过高导致的热裂缺陷。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种指导铸造镁、铝合金抗开裂设计的临界共晶液相分数上限确定方法，包含如下步骤：

4、（1）通过凝固路径计算确定合金成分及共晶液相分数，选择过临界液相分数成分合金，通过约束杆铸造法获取开裂铸件；

5、（2）在开裂铸件的开裂位置附近，选择三个不同方向的组织进行观察；

6、（3）对组织图中的初生基体标记为初始形态，进行形态学膨胀处理，直至基体膨胀形成枝晶相干网络；

7、（4）记录步骤s3中三个方向上形成枝晶相干网络时所对应的共晶液相分数，取最小值为该合金不发生开裂的临界共晶液相分数上限。

8、优选的，步骤（1）中，所述过临界液相分数为50%-70%。

9、优选的，步骤（2）中，所述三个方向分别为径向、轴向、周向，取样位置在断口附近。

10、优选的，步骤（2）中，所述组织观察采用扫描电子显微镜或光学显微镜获取。

11、优选的，步骤（3）中，所述形态学膨胀处理采用图像处理软件中的形态学膨胀算法，膨胀步长为1-3像素。

12、优选的，步骤（3）中，所述枝晶相干网络形成的判断标准为：初生基体经形态学膨胀后，在二维图像中形成相互连通的网络结构，且该网络结构的连通率达到90%以上。

13、优选的，步骤（3）中，连通率的计算方法为：将膨胀后的二值图像中所有连通的初生基体区域视为一个整体，计算该整体区域面积占图像中初生基体总面积的百分比。

14、本发明还提供了所述方法在镁、铝合金抗开裂设计中的应用。

15、有益效果：

16、本发明基于枝晶相干网络形成理论和形态学膨胀原理，通过对铸造开裂样品上裂纹附近三个互相垂直方向的组织进行观察和图像分析，利用形态学膨胀方法模拟初生基体在凝固过程中的生长行为。当初生基体经形态学膨胀形成完整的枝晶相干网络时（即连通率≥90%），即表明合金已建立起足以抵抗收缩应力的强度。此时对应的共晶液相分数即为临界值，取三个方向的最小值作为该合金体系不发生热裂的临界共晶液相分数上限。

1.一种指导铸造镁、铝合金抗开裂设计的临界共晶液相分数上限确定方法，其特征在于，包含如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述过临界共晶液相分数为50%-70%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述三个方向分别为径向、轴向、周向，取样位置在断口附近。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述组织观察采用扫描电子显微镜或光学显微镜获取。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述形态学膨胀处理采用图像处理软件中的形态学膨胀算法，膨胀步长为1-3像素。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述枝晶相干网络形成的判断标准为：初生基体经形态学膨胀后，在二维图像中形成相互连通的网络结构，且该网络结构的连通率达到90%以上。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，连通率的计算方法为：将膨胀后的二值图像中所有连通的初生基体区域视为一个整体，计算该整体区域面积占图像中初生基体总面积的百分比。

8.权利要求1~7中任一项所述方法在镁、铝合金抗开裂设计中的应用。