镁合金铸造开裂倾向预测方法及系统

1.本发明涉及镁合金铸造技术领域，具体地，涉及一种镁合金铸造开裂倾向预测方法及系统。


背景技术：

2.镁合金作为最轻的金属结构材料，在交通工具、电子通讯以及航空航天领域有着广阔的应用前景。目前绝大多数镁合金都通过铸造方式进行成形，而成本低、生产效率高、尺寸精度优异的压铸技术更是成了镁合金的主要生产手段。不幸的是，镁合金收缩量大，极易在铸造成形过程中产生裂纹，这极大地限制了镁合金铸件成品率。故评估镁合金铸造开裂倾向是生产高品质镁合金铸件的必经之路。
3.镁合金铸造开裂过程较为复杂，很难用简单的方法对其进行预测。现有技术需要设计专用模具以及配套的电机、应力传感器以及数据记录仪进行镁合金铸造开裂倾向的预测。因此，现有技术中存在预测装置复杂的问题。
4.专利文献cn113340981a公开了一种基于磁信号的铬镍铁合金应力腐蚀开裂倾向判断与威胁程度预测方法，包括以下步骤：对铬镍铁合金仅受薄膜应力的部位进行矫顽力原位检测，获取基点磁特征数据；对铬镍铁合金疑似高应力的部位进行矫顽力原位检测，获取测量磁特征数据；利用测量磁特征数据减去基点磁特征数据，获得磁特征增量数据；计算并利用磁特征增量数据的统计均值，判断疑似高应力的部位是否具有应力腐蚀开裂倾向，通过对比已具有应力腐蚀开裂倾向的各部位的磁特征增量的统计均值的大小，能够确定各部位的应力腐蚀开裂威胁程度。但该方法并未能解决现有技术中存在预测装置复杂的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种镁合金铸造开裂倾向预测方法及系统。
6.根据本发明提供的一种镁合金铸造开裂倾向预测方法，包括：
7.步骤1：通过熔炼铸造工艺制备出镁合金；
8.步骤2：根据镁合金的最低固相线温度，确定拉伸温度；
9.步骤3：根据镁合金的在拉伸温度下的线收缩系数和冷却速度，确定拉伸应变速率；
10.步骤4：通过拉伸应变速率拉伸镁合金，确定镁合金在拉伸温度下的最大强度；
11.步骤5：通过最大强度，预测镁合金铸造的开裂倾向。
12.优选地，步骤4，包括：
13.步骤401：通过拉伸应变速率拉伸镁合金，得到拉伸曲线；
14.步骤402：通过拉伸曲线，确定镁合金在拉伸温度下的最大强度。
15.优选地，步骤5，包括：
16.步骤501：根据最大强度的倒数，得到镁合金的开裂倾向指标；
17.步骤502：根据开裂倾向指标，预测镁合金铸造的开裂倾向。
18.优选地，步骤401，包括：
19.步骤4011：将镁合金以预设速度加热到拉伸温度；
20.步骤4012：通过高温拉伸机以拉伸应变速率拉伸镁合金，得到拉伸曲线。
21.优选地，步骤2，包括：
22.步骤201：将最低固相线温度减去上限差值，得到拉伸温度上限值；
23.步骤202：将最低固相线温度减去下限差值，得到拉伸温度下限值；
24.步骤203：根据拉伸温度上限值和拉伸温度下限值，确定拉伸温度。
25.根据本发明提供的一种镁合金铸造开裂倾向预测系统，包括：
26.模块m1：通过熔炼铸造工艺制备出镁合金；
27.模块m2：根据镁合金的最低固相线温度，确定拉伸温度；
28.模块m3：根据镁合金的在拉伸温度下的线收缩系数和冷却速度，确定拉伸应变速率；
29.模块m4：通过拉伸应变速率拉伸镁合金，确定镁合金在拉伸温度下的最大强度；
30.模块m5：通过最大强度，预测镁合金铸造的开裂倾向。
31.优选地，模块m4，包括：
32.子模块m401：通过拉伸应变速率拉伸镁合金，得到拉伸曲线；
33.子模块m402：通过拉伸曲线，确定镁合金在拉伸温度下的最大强度。
34.优选地，模块m5，包括：
35.子模块m501：根据最大强度的倒数，得到镁合金的开裂倾向指标；
36.子模块m502：根据开裂倾向指标，预测镁合金铸造的开裂倾向。
37.优选地，子模块m401，包括：
38.单元d4011：将镁合金以预设速度加热到拉伸温度；
39.单元d4012：通过高温拉伸机以拉伸应变速率拉伸镁合金，得到拉伸曲线。
40.优选地，模块m2，包括：
41.子模块m201：将最低固相线温度减去上限差值，得到拉伸温度上限值；
42.子模块m202：将最低固相线温度减去下限差值，得到拉伸温度下限值；
43.子模块m203：根据拉伸温度上限值和拉伸温度下限值，确定拉伸温度。
44.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
45.1、本发明根据推导出的镁合金铸件在铸造过程中开裂是由已凝固部分热收缩引起的局部拉伸应力大于合金此时能承受的最大应力导致的，提出根据镁合金的抗铸造开裂性能与其高温下的最大强度成正比，故可以用最大强度的倒数对镁合金的开裂倾向进行预测的方法，可以简单、高效的进行镁合金的开裂倾向的预测。
46.2、本发明通过普通的高温拉伸机即可以实现对镁合金铸造开裂倾向的预测，实现了简单、经济的目的。
附图说明
47.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、
目的和优点将会变得更明显：
48.图1为本发明的流程示意图；
49.图2为本发明的三种镁合金的高温拉伸曲线；
50.图3为本发明的开裂倾向指标相对值与标准开裂倾向评估装置给出的开裂倾向指数相对值的对比图。
具体实施方式
51.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
52.图1为本发明的流程示意图，如图1所示，本发明提供了一种镁合金铸造开裂倾向预测方法，包括如下步骤：
53.步骤1：通过熔炼铸造工艺制备出镁合金。
54.具体地，采用普通的熔炼铸造工艺制备出三种镁合金。三种镁合金包括：镁铝合金(mg-7.5al(质量比))、镁铈合金(mg-3.0ce(质量比))和镁铈铝合金(mg-9ce-6.5al(质量比))，其中，mg-7.5al(质量比)表示镁合金中铝的质量占比为7.5％；mg-3.0ce(质量比)表示镁合金中铈的质量占比为3.0％；mg-9ce-6.5al(质量比)表示镁合金中铈的质量占比为9％，铝的质量占比为6.5％。其中，制备镁合金铸锭时的浇注温度为720℃，圆柱形金属模具的温度为150℃。
55.进一步地，采用线切割和数控车床从镁合金铸锭上加工出普通的高温拉伸棒。
56.步骤2：根据镁合金的最低固相线温度，确定拉伸温度。
57.在本发明中高温拉伸的拉伸温度区间为300℃-550℃，该拉伸温度比同一批合金中的最低固相线温度t
min
低15℃-40℃，即在(t
min
－40)至(t
min
－15)之间。
58.具体地，通过确定拉伸温度以保证高温拉伸试验安全且具有代表性。
59.优选地，步骤2，包括：步骤201：将最低固相线温度减去上限差值，得到拉伸温度上限值；步骤202：将最低固相线温度减去下限差值，得到拉伸温度下限值；步骤203：根据拉伸温度上限值和拉伸温度下限值，确定拉伸温度。
60.本发明中对于上限差值和下限差值的设置不做限制，示例性的，可以设置上限差值为15℃和下限差值为40℃。
61.本发明中对于根据拉伸温度上限值和拉伸温度下限值，确定拉伸温度的方式不做限制，示例性的，可以在拉伸温度上限值和拉伸温度下限值中间随机选择一个数值作为拉伸温度，也可以取拉伸温度上限值和拉伸温度下限值的中间值为拉伸温度。
62.一种可选的实施例，首先根据mg-7.5al、mg-3.0ce和mg-9ce-6.5al三种镁合金的固相线温度确定最低固相线温度，三种镁合金中mg-7.5al合金的固相线温度为436℃，为最低固相线温度，然后，根据最低固相线温度确定拉伸温度可为420℃，以保证高温拉伸试验安全且具有代表性。
63.步骤3：根据镁合金的在拉伸温度下的线收缩系数和冷却速度，确定拉伸应变速率。
64.本发明中冷却速度可以在普通的铸造过程中获取，并且冷却速度与位置有关，铸件上不同位置处的冷却速度不同，可以通过普通的铸件过程中获取。示例性的，重力铸造的冷却速度大概在5开尔文温度每秒(k/s)到20k/s；压铸的冷却速度大概在100k/s。
65.本发明中对于冷却速度的设置不做限制，可以根据具体的情况进行设置，示例性的，根据步骤1中的熔炼铸造工艺制备的镁合金，其在420℃左右的冷却速度约为5k/s，再加上镁合金在该温度下的线收缩系数约为(30
×
10-6
)/k，故可计算出拉伸试验需采用的拉伸应变速率为1.5
×
10-4
s-1
。
66.本发明中高温拉伸的拉伸应变速率在10-5
s-1-10-2
s-1
之间。
67.具体地，拉伸应变速率由选定的拉伸温度所对应的冷却速度计算得来。拉伸应变速率其中α是线膨胀系数，镁合金的高温线膨胀系数约为30
×
10-6
/k，c是冷却速度。
68.步骤4：通过拉伸应变速率拉伸镁合金，确定镁合金在拉伸温度下的最大强度。
69.优选地，步骤4，包括：步骤401：通过拉伸应变速率拉伸镁合金，得到拉伸曲线；
70.步骤402：通过拉伸曲线，确定镁合金在拉伸温度下的最大强度。
71.优选地，步骤401，包括：步骤4011：将镁合金以预设速度加热到拉伸温度；步骤4012：通过高温拉伸机以拉伸应变速率拉伸镁合金，得到拉伸曲线。
72.具体地，本发明采用普通高温拉伸试验评估镁合金铸造开裂倾向。
73.在镁合金铸造成形过程中，铸件开裂是由已凝固部分热收缩引起的局部拉伸应力σ大于镁合金此时能承受的最大应力σ
max
导致的，即当σ》σ
max
时发生开裂，该过程中已凝固部分的温度通常在300-550℃之间。在同一铸造工艺下，镁合金的热收缩量是基本一样的，即热收缩引起的局部拉伸应力σ
max
基本一定。故镁合金抗铸造开裂性能与其高温时的最大强度σ
max
成正比，即镁合金的σ
max
越大，其抗铸造开裂性能越好。故镁合金铸造开裂倾向与其高温下最大强度的倒数成正比，越大，镁合金开裂倾向越高。故可采用作为评估镁合金铸造开裂倾向的指标。其中获得σ
max
的高温拉伸实验，其拉伸温度比同一批合金中的最低固相线温度tmin低15℃-40℃；其拉伸应变速率由选定的拉伸温度所对应的冷却速度计算得来。拉伸应变速率其中α是线膨胀系数，镁合金的高温线膨胀系数约为30
×
10-6
/k，c是冷却速度。其中，最大压力即本发明中的最大强度。
74.一种可选的实施例中，图2为本发明的三种镁合金的高温拉伸曲线，如图2所示，横轴为工程应变，单位为％，纵轴为工程应力，单位为兆帕(mpa),图2中的三条曲线，从上到下依次为：mg-9ce-6.5al的高温拉伸曲线、mg-3.0ce的高温拉伸曲线和mg-7.5al的高温拉伸曲线，从图2中可以看出，mg-9ce-6.5al、mg-3.0ce和mg-7.5al对应的最大强度σ
max
分别为24.70mpa、18.90mpa和16.83mpa。采用普通的高温拉伸机进行拉伸试验。首先将三种镁合金固定，然后以15k/min的速度将样品加热到420℃并保温10min以确保样品受热均匀。接着在420℃以1.5
×
10-4
s-1
的应变速率进行拉伸以获得图2所示的拉伸曲线，进而获得三种镁合金的最大强度σ
max
。
75.步骤5：通过最大强度，预测镁合金铸造的开裂倾向。
76.优选地，步骤5，包括：步骤501：根据最大强度的倒数，得到镁合金的开裂倾向指标；步骤502：根据开裂倾向指标，预测镁合金铸造的开裂倾向。
77.具体地，开裂倾向指标为最大强度的倒数，即
78.图3为本发明的开裂倾向指标相对值与标准开裂倾向评估装置给出的开裂倾向指数相对值的对比图，如图3所示,横轴为三种镁合金，柱状图对应的纵轴为标准开裂倾向评估装置获得的相对值，折线对应的纵坐标本发明的获得的开裂倾向相对值。本发明中通过普通的熔炼铸造工艺制造约束棒铸件，约束棒铸件是采用已发表论文(journal of materials science&technology,2022,105:68-80.)中提到的专用铸造开裂倾向评估模具制备而得，用于得出三种镁合金的标准开裂倾向值，以便和本发明中的指标进行对比。约束棒铸件制备时的浇注温度为720℃，模具温度为270℃。根据制备获得的约束棒铸件计算出标准的铸造开裂倾向值，如图3所示，mg-7.5al、mg-3.0ce和mg-9ce-6.5al的标准开裂倾向的热裂敏感系数(hot cracking sensitivity，hcs)分别为112、104和80，其相对比值为112:104:80。根据步骤5获得的最大强度σ
max
计算出本发明提出的镁合金铸造开裂倾向指标如图3所示，以本发明计算得到mg-7.5al、mg-3.0ce和mg-9ce-6.5al的铸造开裂倾向指标相对比值为112:100:76。将本发明计算获得的开裂倾向趋势和标准开裂倾向趋势进行对比可以发现，本发明所述的方法可以高效地预测镁合金铸造开裂倾向。
79.本发明提供了一种镁合金铸造开裂倾向预测系统，包括：
80.模块m1：通过熔炼铸造工艺制备出镁合金。
81.模块m2：根据镁合金的最低固相线温度，确定拉伸温度。
82.优选地，模块m2，包括：子模块m201：将最低固相线温度减去上限差值，得到拉伸温度上限值；子模块m202：将最低固相线温度减去下限差值，得到拉伸温度下限值；子模块m203：根据拉伸温度上限值和拉伸温度下限值，确定拉伸温度。
83.模块m3：根据镁合金的在拉伸温度下的线收缩系数和冷却速度，确定拉伸应变速率。
84.模块m4：通过拉伸应变速率拉伸镁合金，确定镁合金在拉伸温度下的最大强度。
85.优选地，模块m4，包括：子模块m401：通过拉伸应变速率拉伸镁合金，得到拉伸曲线；子模块m402：通过拉伸曲线，确定镁合金在拉伸温度下的最大强度。
86.优选地，子模块m401，包括：单元d4011：将镁合金以预设速度加热到拉伸温度；单元d4012：通过高温拉伸机以拉伸应变速率拉伸镁合金，得到拉伸曲线。
87.模块m5：通过最大强度，预测镁合金铸造的开裂倾向。
88.优选地，模块m5，包括：子模块m501：根据最大强度的倒数，得到镁合金的开裂倾向指标；子模块m502：根据开裂倾向指标，预测镁合金铸造的开裂倾向。
89.本发明解决的技术问题是：
90.1、现有技术需要制备复杂的开裂倾向专用评估模具进行开裂倾向的预测。
91.本发明的技术原理为：
92.根据镁合金铸件在铸造过程中开裂是由已凝固部分热收缩引起的局部拉伸应力大于合金此时能承受的最大应力导致的，即σ》σ
max
时发生开裂，该过程中已凝固部分的温度通常在300-550℃之间。在同一铸造工艺下，镁合金热收缩量基本一样，故σ一定；因此镁合
金的抗铸造开裂性能与其高温下的最大强度成正比，故其开裂倾向可用评估，其中,σ
max
可由普通高温拉伸试验获得。本发明无需制备复杂的开裂倾向专用评估模具，通过普通高温拉伸即可实现对镁合金铸造开裂倾向的评估。
93.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
94.1、本发明根据推导出的镁合金铸件在铸造过程中开裂是由已凝固部分热收缩引起的局部拉伸应力大于合金此时能承受的最大应力导致的，提出根据镁合金的抗铸造开裂性能与其高温下的最大强度成正比，故可以用最大强度的倒数对镁合金的开裂倾向进行预测的方法，可以简单、高效的进行镁合金的开裂倾向的预测。
95.2、本发明通过普通的高温拉伸机即可以实现对镁合金铸造开裂倾向的预测，实现了简单、经济的目的。
96.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法子模块m进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
97.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。