任新凱半固態(tài)課件01

半固態(tài)合金加工技術(shù)及其應(yīng)用專業(yè)名稱：材料加工工程學(xué)生：任新凱學(xué)號：20090507指導(dǎo)教師：譚建波課程名稱一、緒論

半固態(tài)加工的概念與特點(diǎn)半固態(tài)加工的基本工藝方法半固態(tài)加工的研究及發(fā)展

半固態(tài)加工的概念半固態(tài)加工--在金屬凝固過程中，充分破碎初生枝晶，得到液態(tài)金屬母液中懸浮一定球狀初生相的固-液混合漿料，并使用其成形的方法。分為流變成形和觸變成形。簡稱SSM流變成形：將制備出的固相分?jǐn)?shù)一定的半固態(tài)漿料經(jīng)過保溫后直接送往成形設(shè)備進(jìn)行鑄造或鍛造成形。觸變成形：將流變漿料先凝固成鑄錠，然后根據(jù)需要將此金屬鑄錠分切成一定大小，并對其重新加熱至金屬的半固態(tài)區(qū)，利用金屬的觸變特性進(jìn)行成形加工而獲得鑄件。半固態(tài)金屬的特點(diǎn)固液共存，有活躍的擴(kuò)散現(xiàn)象2.固相間有液相，固相間幾乎沒有結(jié)合力，宏觀流動(dòng)變形抗力顯著降低3.隨固相率降低呈現(xiàn)黏性流體特性，微小外力下即可流動(dòng)變形4.固相率75%以下時(shí)，可以攪拌，并容易混入異種材料5.由于液相存在，可以與一般固態(tài)金屬材料很好的結(jié)合6.可以加入陶瓷顆粒，纖維等難加工材料7.施加外力時(shí)，液相和固相分別流動(dòng)上述現(xiàn)象在中間固相率范圍或低加工速度情況下顯著半固態(tài)金屬加工的優(yōu)點(diǎn)1.黏度比液態(tài)金屬高，易控制：模具夾氣少，減少氧化，改善加工性，減少模具黏結(jié)，可進(jìn)行更高速的部件成形，改善表面光潔度，易形成自動(dòng)化和實(shí)現(xiàn)新工藝。2.流動(dòng)應(yīng)力比固態(tài)金屬低，半固態(tài)漿料具流變性和觸變性，變形抗力很小，能以更高的速度成形部件，可進(jìn)行復(fù)雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，利于節(jié)能節(jié)材，可進(jìn)行連續(xù)形狀的高速成形（如擠壓），加工成本低。3.應(yīng)用范圍廣，具有固液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)，可適用多種加工工藝，如鑄造，軋制，擠壓和鍛壓等，并可進(jìn)行材料的復(fù)合及成形。半固態(tài)加工的基本工藝方法可分為流變成形和觸變成形合金原料設(shè)計(jì)、配制—加熱、熔煉—攪拌（機(jī)械或電磁等）--半固態(tài)漿料-----《-----半固態(tài)坯料制備----二次加熱---觸變成型-》《----------流變壓鑄成形或其他流變成形--------》-------部件毛坯半固態(tài)加工的研究及發(fā)展1.國外研究現(xiàn)狀1.1有色金屬及其合金的低熔點(diǎn)材料半固態(tài)成形研究20世紀(jì)70年代以來，美國、日本，重點(diǎn)在成形工藝的開發(fā)上。在發(fā)達(dá)國家，鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)（觸變成形）已經(jīng)成熟并進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)，主要用于汽車、電器、航空航天等領(lǐng)域。鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)發(fā)展較晚，目前成熟的只有觸變成形技術(shù)。實(shí)驗(yàn)方面主要集中在漿料的制備（機(jī)械攪拌法、單輥旋轉(zhuǎn)法、電磁攪拌法、超聲振動(dòng)法、直流脈沖法）和半固態(tài)加工材料的成形（壓鑄成形、模鍛成形、注射成形、連鑄成形）。理論研究主要圍繞工藝實(shí)現(xiàn)和試樣組織、性能等。1.2高熔點(diǎn)黑色金屬的半固態(tài)成形研究存在困難：液固線溫度區(qū)間小，漿料難以連續(xù)穩(wěn)定制備，熔體溫度、固相比率和分布難以準(zhǔn)確控制，漿料在高溫下輸送和保溫困難，成形溫度高使工具材料的高溫性能難以保證等。2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代后期開始研究，大都利用機(jī)械攪拌法。中國科學(xué)院金屬研究所最早開展研究。80年代中期，研究者大多轉(zhuǎn)向半固態(tài)制備復(fù)合材料和個(gè)別通用牌號材料的流變性能研究。近幾年，我國研究者在國家自然科學(xué)基金、國家“863”，“973”計(jì)劃等的支持下，已經(jīng)在鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用方面具備了較好的基礎(chǔ)。二、半固態(tài)金屬的物理特性與流變理論

2.1半固態(tài)金屬的流變性與觸變性當(dāng)對半固態(tài)漿料施加的切應(yīng)力小于其屈服極限時(shí)，漿料如同固體，無流動(dòng)性，可用于搬運(yùn)；施加的切應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度時(shí)，半固態(tài)漿料會表現(xiàn)出較好的流動(dòng)性。半固態(tài)金屬的表觀黏度在一定剪切速率下，隨著時(shí)間的延長而逐步下降，具有可逆性，半固態(tài)漿料具有滯后回線現(xiàn)象，滯后回線面積越大，觸變性越強(qiáng)。滯后回線的面積隨固相率、初始黏度、最大剪切速度和靜止時(shí)間等參數(shù)的增加而增加；隨最初剪切率和半固態(tài)漿料剪切率增大至最大時(shí)所需時(shí)間的增加而減小。2.2表觀黏度定義式半固態(tài)金屬表達(dá)式------半固態(tài)金屬動(dòng)力黏度系數(shù)，表示物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生切應(yīng)力或內(nèi)摩擦的特性，即為物體的粘性；------剪切屈服極限；------剪切速率。在穩(wěn)態(tài)條件下，半固態(tài)金屬的表觀黏度隨剪切速率的增加而降低，但在瞬態(tài)條件下，表觀黏度卻隨剪切速率的增加而增加。這一結(jié)果說明，在半固態(tài)金屬成形過程中，即使在較高的成形速度下，半固態(tài)金屬也能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)充型。合金成分、半固態(tài)金屬的制備條件、固相的形狀和大小等因素對半固態(tài)金屬的表觀黏度都有影響（表2-1有數(shù)學(xué)模型）。表觀黏度和剪切速率成反比，在非常寬的剪切速率范圍內(nèi)，計(jì)算黏度的經(jīng)驗(yàn)公式：式中：------剪切速率；------冪指數(shù)系數(shù)；------稠密度。當(dāng)剪切速率一定時(shí)，漿料中的固相率越大，則其表觀黏度也越大。其增長速度與剪切速率有關(guān)，剪切速率越小，表觀黏度的增長速度越快。表觀黏度隨固相率的增加而增加，特別是當(dāng)固相率超過某一臨界值時(shí)，表觀黏度開始迅速上升，此時(shí)控制黏度很難。實(shí)際操作中，固相率（）與溫度的函數(shù)關(guān)系式為：式中：------純?nèi)軇┑娜埸c(diǎn)；------合金的液相線溫度；------平衡分配比值。通過對溫度的控制就可以調(diào)節(jié)固相率的大小，通常固相率達(dá)到0.4左右時(shí)，表觀黏度將急劇增加，可表示為：其中A，B為系數(shù)。研究表明，冷卻速度越小，半固態(tài)金屬的表觀黏度越低，冷卻速度小時(shí)，最后得到的固相顆粒比冷卻速度大時(shí)的晶粒尺寸大。初生固相顆粒的尺寸越小，金屬的表觀黏度越大。半固態(tài)金屬的表觀黏度隨溫度的升高而下降。2.3半固態(tài)金屬的黏性行為半固態(tài)金屬表現(xiàn)出彈性、黏性和黏塑性行為，剪切強(qiáng)度隨溫度（固相率）的變化趨勢相同。與通常凝固過程相比，半固態(tài)金屬的強(qiáng)烈攪拌消除了“成分過冷”。1.變溫非穩(wěn)態(tài)的黏性行為剪切速率一定時(shí)，隨著固相率的增加，半固態(tài)金屬的流動(dòng)行為從牛頓流體向偽塑性流體，賓漢體轉(zhuǎn)變。當(dāng)固相率小于0.2時(shí)，呈牛頓流體特征；大于0.25小于0.4時(shí)呈偽塑性體特征；隨著固相率增加，當(dāng)固相聚集團(tuán)形成不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，流體呈賓漢體型。固相率一定時(shí)，表觀黏度隨剪切速率上升而下降；隨冷卻速度上升而上升（引起球狀顆粒密度增加）。2.等溫穩(wěn)態(tài)的黏性行為當(dāng)固相率一定時(shí)，則表觀黏度隨剪切速率和冷卻速度的降低而下降，呈偽塑性體特征，而當(dāng)剪切速率一定時(shí)，固相率增加，相應(yīng)剪切應(yīng)力增加。3.等溫動(dòng)態(tài)的黏性行為在不同的固相率下，合金的表觀黏度均隨等溫?cái)嚢钑r(shí)間的增加而下降。