从材料到构件：Al-Si合金疲劳机制、构件热疲劳实验装置及寿命模型研究进展

共晶Al-Si合金以其优异的铸造性能、高比强度、良好的耐磨性和低的热膨胀系数，在发动机活塞中得到了广泛的应用。活塞构件长期在高温、高压和高速的环境下服役，特别是柴油机频繁启停，导致活塞不同部位(顶部、头部、销座和裙部)承受循环机械和热载荷从而产生疲劳破坏。活塞材料服役可靠性提升、疲劳寿命精准预测及整体构件安全性评估，是制约活塞性能突破与发动机可靠性提升的关键难题。

近年来，轻质合金材料课题组王猛副研究员对AI-Si合金材料等温疲劳和热机械疲劳的裂纹萌生与扩展机制、位错演化行为、寿命预测等问题，进行了系统研究，特别是基于微观损伤机制，提出了的等温低周、高周和热机械疲劳寿命预测模型。

近日，防腐院联合上海交通大学、滨州渤海活塞有限公司等单位实现活塞构件热疲劳模拟实验装置开发，在从材料到构件疲劳性能演化研究取得新进展，为后续新材料设计提供进一步指引。具体内容包括：

1）Al-Si合金高温断裂损伤机制

基于不同温度下常规和原位拉伸损伤研究，明确了合金中的初生相和纳米沉淀相对Al-Si合金高温强度变化的重要影响，探明了析出相和载荷的交互作用以及相尺寸和抗拉强度之间的定量关系。《Adv. Eng. Mater., 20 (2018) 1700610》；《Adv. Eng. Mater. (2018)》 ; 《20:201700972；Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 42 (2019) 2372-2382》；《Materials 2022, 15, 7113》。

2）高温疲劳开裂机制和寿命演化关系

揭示了Al-Si合金不同微观组织在循环载荷条件下的损伤机制，明确宏观服役寿命和材料微观组织损伤之间的关系，揭示位错组态在高温疲劳中的演化机理和作用机制。提出塑性累积应变能作为控制材料使役寿命的关键参数，提出疲劳寿命预测能量模型，并成功运用于高温疲劳寿命预测中。相关研究结果如下：《Mater. Sci. Eng. A., 704 (2017) 480-492》；《Mater. Sci. Eng. A., 759 (2019) 797-803》；《Int. J. Fatigue., 127 (2019) 268-274》；《J. Mater. Res. Technol., 8 (2019) 4556-4568》。

图1 不同温度和应变速率下组织和疲劳寿命演变机制

3）循环温度范围和约束系数对热机械疲劳的影响

因强度和模量随温度升高而显著降低，热机械疲劳循环滞回环呈现非对称特征。综合考虑疲劳和蠕变耦合作用，提出了基于应变速率修正的热机械疲劳寿命预测模型，建立了等温低周疲劳和热机械疲劳寿命之间的关联。并结合服役工况，在传统的能量模型基础上，建立了约束条件下的热机械疲劳寿命预测模型，实现了从材料到构件的服役疲劳寿命预测。明确Al-Si合金在复杂工况载荷下的蠕变与疲劳耦合损伤行为，并建立合理的材料与构件服役寿命评估方法。在相关成果发表在：《Mater. Sci. Eng. A., 715 (2018) 62-72》；《Mater. Sci. Eng. A., 783 (2020) 139279》；《Mater. Sci. Eng. A., 698 (2017) 63-72》。

4）Al-Si活塞构件加速实验装置及寿命预测方法进展

为进一步解决从材料到构件疲劳演化关系，防腐院联合上海交通大学、滨州渤海活塞有限公司等单位开展合作研究，自主设计的活塞热疲劳试验装置原理和热疲劳试验装置实物图如图3所示，该装置由加热系统、冷却系统、数据采集系统、机械运动系统、测控系统组成。通过高频电磁感应对活塞进行加热，活塞头部采用压缩空气进行强制冷却，活塞下部采用恒温冷却水冷却。通过CCD (Charge-coupled Device)相机、TP560-8数据记录仪采集活塞顶面裂纹扩展过程图像，利用热电偶测试活塞加热、冷却循环的温度。通过加热功率和时间、冷却强度和时间来控制活塞的热负荷，使热疲劳试验时活塞的温度场与实际服役工况真实温度场接近（图4）。基于该装置团队研发了高频电磁感应加热+双回路冷却的活塞热疲劳加速试验及无损测试方法，系统探究热循环关键参数对活塞疲劳寿命的影响规律，阐明活塞构件热疲劳微观损伤机制，建立耦合多因子的热疲劳加速寿命预测模型，突破从材料到构件传统试验与预测方法的技术瓶颈（图5），为后续材料开发提供支撑。相关成果发表在《Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 2025;0:1-15》，研究工作得到国家自然科学基金、山东省重点研发计划、广州市基础与应用基础研究项目等资助。

未来，针对传统铸造 Al-Si 合金高温强度、热疲劳抗力不足的瓶颈，团队将持续开展多尺度强化Al-Si 新材料研发，通过稀土元素微合金化、搅拌摩擦加工、搅拌摩擦增材制造及超声振动加工等改性方案，实现晶粒细化、Si 相球化、纳米相析出与缺陷调控的多尺度协同强化，进一步提升合金高温服役性能与组织稳定性，推动新型材料与制备技术的发展。