铝合金作为用量仅次于钢材的第二大金属结构材料，具有密度小、成本低、易加工等特点，在航空航天、交通运输、电子电器、印刷包装等领域有着十分广泛的应用^[1].DC铸造是目前广泛应用的铝合金半连续铸造技术，但在铸造过程中产生的热应力能够使铸锭中产生微裂纹，甚至能够使铸锭完全开裂.高温条件下热应力导致的热裂纹会出现在铝合金铸锭的表面和芯部，是铸造过程中最重要的缺陷，对于任何铸造过程都是致命的灾难^[2].

迄今为止，在大量研究钢和铝合金的基础上，总结得到的一致看法是：热裂纹是在凝固温度范围内、临近固相线时形成的.目前较为成熟并被人们认可的热裂纹形成机理主要有：液膜理论^[3]、强度理论^[4]、晶间搭桥理论^[5]和凝固收缩补偿理论^[6].

关于合金热裂倾向性的理论评定方法主要有Clyne和Davies^[5]提出的CSC判据和Suyitno等^[7]提出的HCS判据.热裂倾向性的实验评定方法主要有热裂环法^[8]、临界尺寸法(临界长度法^[9]和临界直径法^[10])、临界载荷法^[11].理论判据虽可以判断合金热裂倾向性的大小，但由于其计算过程的复杂性，导致其在实际应用中存在很多局限性；实验评定方法多采用定性指标，部分方法重复性差，且多针对二元合金，对多元合金的研究较少.

本文自行设计了适用于研究铝合金热裂行为的装置及测试系统，精确记录合金凝固过程中的温度、自由收缩位移及受阻收缩应力变化，并结合热力学计算对合金凝固收缩过程中的热裂行为进行研究，提出了评价合金热裂倾向性大小的指标，探索出研究铝合金热裂行为和热裂机理的新途径.

本实验为了研究不同铝合金的热裂倾向性，选取5083,6061,7075三种商业铝合金为实验合金.

熔炼在井式电阻炉中进行，每种合金取约300 g，在黏土-石墨坩埚中熔化，熔化过程中对熔体进行3次充分搅拌并用六氯乙烷除气剂(占熔体质量的1%)对熔体进行简单的除气处理，当熔体温度达到720 ℃时做扒渣处理，静止15到20 min后出炉浇注.刚开始浇注时坩埚倾角不能过大，否则合金液易在型腔中流动过快而将滑块冲出.

本文采用的热裂实验装置由自由收缩位移测试模块和受阻收缩应力测试模块两部分组成.实验装置与之前的报道相同^[12].铸型浇槽上下覆盖保温材料，两侧为金属材料，并在中间区域加入保温材料，保证其与连铸过程凝固方式对应.本实验采用Schavitz DC-SE-250位移传感器及NTS LRK-5KN应力传感器.实验过程中的数据通过高灵敏度高精度的HIOKI数据采集器采集并记录.

本实验利用热力学计算软件JMatPro计算实验合金的固相率，结果如图 1所示，下文对凝固过程的分析中将用到固相率数据.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 合金温度-固相率曲线 Fig. 1 Temperature-solid fractioncurve of tested alloys

根据自由收缩模块记录的数据作出合金凝固过程中的时间-温度/位移曲线如图 2所示(以7075铝合金为例).根据曲线可将合金的凝固过程分为4个阶段，各阶段凝固过程示意图如图 3所示^[13].

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 7075铝合金自由收缩时间-温度/位移曲线 Fig. 2 Free contraction time-temperature/displacement curve of 7075 aluminum alloy

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 合金凝固过程示意图 Fig. 3 Schematic diagram of solidfication process

第1阶段(Ⅰ固相形核阶段)：这个阶段固相率低于0.4，液相和固相均可自由运动.图 2中Ⅰ段表示此阶段已凝固的合金中不存在热应力.

第2阶段(Ⅱ板晶填充阶段)：这一阶段固相率为0.4~0.9，生长的枝晶相互接触而形成固相骨架，剩余的液相在枝晶骨架间流动，两相区体积的热收缩伴随着液相的填充，合金继续收缩但收缩速率变小.

第3阶段(Ⅲ晶间隔裂阶段)：在这一阶段固相率大于0.9，金属骨架将金属液分隔开，液体被隔离在一些小区域或者被表面张力作用而固定不动.当固相骨架的可渗透性小到不允许液体流动，进一步的收缩会导致孔洞或微裂纹产生.

第4阶段(Ⅳ枝晶搭桥阶段)：在这一阶段接近凝固末期，铸件具有一定的强度，并且固态蠕变可以补偿进一步的收缩.处于高固相率阶段的合金凝固形成的枝晶会互相搭接、交错，与上一阶段不同，这时候已凝固的合金铸件内部有应力产生.如果这个搭接的区域比较完整，那么铸件的强度应该远高于阻止枝晶分离所要求的强度，晶界间的结合力很高，凝固收缩所产生的应力不会对晶界造成影响，从而阻止晶间微裂纹的产生.

合金的收缩总是在液相线以下某一温度开始，这一温度标志着连续固相骨架的形成，此后合金对外表现出收缩现象.从图 2可以看出，曲线在第一阶段A点处切线aa′的斜率明显大于第三阶段B点处切线bb′的斜率，位移量的斜率代表的是合金铸件的平均热收缩系数n.斜率越大则收缩系数越大，收缩越快.因此可以看出第一阶段的热收缩系数大于第三阶段的热收缩系数n.合金的平均热收缩系数可以通过JMatPro软件计算获得，如图 4所示.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 实验合金平均热收缩系数曲线 Fig. 4 Average thermal contract coefficient of tested alloys

从图 4可看出，合金的平均热收缩系数大小顺序为n(5083)＞n(7075)＞n(6061)，即在相同的温度区间内，平均热收缩系数大的其热应力积累也较大，则发生热裂的几率越大.

Clyne和Davies^[5]认为，当固相率在0.4到0.9之间时，由于存在较多的液相，枝晶间的凝固收缩和补缩随时都可能出现，此阶段属于应力松弛阶段，将在此范围内的凝固时间定义为t_R.随着凝固时间的增加，凝固温度逐渐降低，固相率逐渐增大，合金对裂纹的敏感性也随之加大.将固相率在0.9到0.99之间的区域称为易脆弱区域，将此范围所对应的凝固时间定义为t_V.热裂敏感系数CSC(cracking susceptibility coefficient)定义为不可补缩区凝固时间分数(t_V)和可补缩区凝固时间分数(t_R)的比值.其表达式为

由图 1合金凝固过程中的温度-固相率曲线和图 2合金凝固的温度变化曲线的数据按式(1)可以计算得出3种合金的CSC参数.图 5所示为根据Clyne-Davies模型，以CSC参数评定的3种铝合金的热裂敏感性.3种合金的CSC参数从大到小的顺序为：CSC(5083)>CSC(7075)>CSC(6061)，即通过CSC参数评定，预测5083铝合金热裂倾向最大，6061铝合金热裂倾向最小.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 铝合金的热裂敏感性CSC值 Fig. 5 Hot tearing susceptibility of aluminium alloys

图 6为受阻收缩应力测试模块记录的数据做出的7075铝合金热分析曲线.由图可见7075铝合金在温度冷却至553 ℃时实验装置开始测得收缩应力，此时处于凝固过程的枝晶隔裂阶段，固相骨架基本成形，但是强度很低，收缩应力很小；继续凝固当温度降至482 ℃时收缩应力突然上升，对应的固相率为97.03%，此时合金铸件内部处于凝固过程的枝晶搭桥阶段，晶间结合力提高，晶界处出现不连续的微裂纹；同时相邻枝晶的迅速搭接使得铸件急剧收缩，应力增加速率很大，应力的迅速累积易导致铸件内部出现应力集中，由于合金铸件内部的液相很少且被搭接的枝晶隔离成小区域，进一步收缩便形成孔洞或微裂纹，无法对因凝固受阻被拉断的枝晶形成有效的补缩，在应力集中的作用下孔洞或微裂纹扩展成宏观热裂纹.因此在枝晶搭桥阶段的应力增加速率越大，孔洞或微裂纹扩展的倾向性就越大，热裂越容易发生.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 7075铝合金受阻收缩时间-温度/应力曲线 Fig. 6 Blocked contraction time-temperature/stress curve of 7075 aluminium alloy

由图 6中的应力值对时间求微分，可得图 7所示的温度-应力/应力变化速率曲线.在应力急剧上升过程中，应力增加速率出现一个明显的波峰.此波峰上升阶段的斜率可以表征这段时间内应力累积的程度，其值越大，表明合金的热裂倾向性就越大，其表达式为

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图 7 7075铝合金受阻收缩温度-应力/应力变化速率曲线 Fig. 7 Blocked contraction temperature-stress/stress change rate curve of 7075 aluminium alloy

根据实验数据做出的合金受阻收缩过程中的热分析曲线按式(2)求出3种实验合金在枝晶搭桥阶段的应力累积系数k值，如图 8所示.可以看出3种实验合金的k值明显不同，其中5083合金的k值最大，约为10.75×10^-3 MPa/(s·℃)，7075合金次之约为5.57×10^-3 MPa/(s·℃)，6061合金的k值最小约为2.60×10^-3 MPa/(s·℃).

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图 8 实验合金的应力累积系数k值 Fig. 8 Accumulating stress coefficient (k) of tested alloys

由此可知，6061合金在合金凝固的枝晶搭桥阶段应力迅速累积的程度最小，因此其铸件在凝固末期内部孔洞或微裂纹扩展成为宏观热裂纹的倾向性最小；而7075合金与5083合金在此阶段应力的累积程度较大，铸件内部的应力集中很容易超过此状态下枝晶间的结合力，使得铸件出现宏观可见的热裂纹.

综上所述，热裂纹形成的原因在于晶间收缩得不到补偿.在凝固末期，晶间液相收缩形成孔洞或微裂纹，外力作用如果造成枝晶搭桥的破断，这些孔洞或微裂纹将连接而扩展为热裂纹.相比于Clyne-Davies模型的热裂敏感性系数(CSC)，合金凝固末期的k值可以综合反映出此时合金铸件内部的应力累积及液相补缩的情况，从而比较不同合金的热烈倾向性大小，且k值计算所用数据均为实验装置在实际凝固过程中测得，能够客观准确地反映合金的凝固过程.

1) 相比于现有的铝合金热裂研究方法，本实验装置可以记录铝合金凝固过程中温度、收缩位移和收缩应力的细微变化，总结出铝合金凝固过程不同阶段的特征，为深入研究铝合金的热裂行为和热裂形成机理创造了条件.

2) 利用热力学软件JMatPro计算得到了实验合金凝固过程中的固相率和平均热收缩系数，利用固相率数据结合实验装置测得的合金凝固温度变化曲线按Clyne-Davies模型计算出合金的热裂敏感性系数(CSC)，预测铝合金的热裂敏感性大小为CSC (5083)＞CSC (7075)＞CSC (6061).

3) 提出了衡量合金热裂倾向性大小的应力累积系数(k)，得出3种铝合金的热裂倾向性大小顺序为k(5083)＞k(7075)＞k(6061)，实验结果与实际铸造过程及CSC值预测的结果相符，表明采用k值衡量合金的热裂倾向性具有可行性，且相比于CSC值更客观准确.