金屬半固態(tài)流變規(guī)律

金屬半固態(tài)流變規(guī)律第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容3.1流變學(xué)基礎(chǔ)知識3.2力學(xué)模型及數(shù)學(xué)模型的建立3.3材料加工中得半固態(tài)流變規(guī)律第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1流變學(xué)基礎(chǔ)知識攪動鑄造制備的合金一般稱為非枝晶組織合金或稱部分凝固鑄造合金（PartiallySolidifiedCastingAlloys）。由于采用該技術(shù)的產(chǎn)品具有高質(zhì)量、高性能和高合金化的特點，因此具有強大的生命力。除軍事裝備上的應(yīng)用外，開始主要集中用于自動車的關(guān)鍵部件上，例如，用于汽車輪轂，可提高性能、減輕重量、降低廢品率。第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月此后，逐漸在其它領(lǐng)域獲得應(yīng)用，生產(chǎn)高性能和近凈成型的部件。半固態(tài)金屬鑄造工藝的成型機械也相繼推出。目前已研制生產(chǎn)出從600噸到2000噸的半固態(tài)鑄造用壓鑄機，成形件重量可達(dá)7kg以上。當(dāng)前，在美國和歐洲，該項工藝技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。半固態(tài)金屬鑄造工藝被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的近凈成型和新材料制備技術(shù)之一。第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月流變學(xué)是力學(xué)的一個新分支，它主要研究材料在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度、輻射等條件下與時間因素有關(guān)的變形和流動的規(guī)律。學(xué)者們在研究橡膠、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金屬等工業(yè)材料；巖石、土、石油、礦物等地質(zhì)材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性質(zhì)過程中，發(fā)現(xiàn)使用古典彈性理論、塑性理論和牛頓流體理論已不能說明這些材料的復(fù)雜特性，于是就產(chǎn)生了流變學(xué)的思想。英國物理學(xué)家麥克斯韋和開爾文很早就認(rèn)識到材料的變化與時間存在緊密聯(lián)系的時間效應(yīng)

第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月流變學(xué)研究內(nèi)容是各種材料的蠕變和應(yīng)力松弛的現(xiàn)象蠕變是指材料在恒定載荷作用下，變形隨時間而增大的過程。蠕變是由材料的分子和原子結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整引起的，這一過程可用延滯時間來表征。材料在恒定應(yīng)變下，應(yīng)力隨著時間的變化而減小至某個有限值，這一過程稱為應(yīng)力松弛。這是材料的結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的另一種現(xiàn)象。第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月蠕變和應(yīng)力松弛是物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的外部顯現(xiàn)。第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)作用在材料上的剪應(yīng)力小于某一數(shù)值時，材料僅產(chǎn)生彈性形變；而當(dāng)剪應(yīng)力大于該數(shù)值時，材料將產(chǎn)生部分或完全永久變形。則此數(shù)值就是這種材料的屈服值。屈服值標(biāo)志著材料有完全彈性進入具有流動現(xiàn)象的界限值，所以又稱彈性極限、屈服極限或流動極限。同一材料可能會存在幾種不同的屈服值，比如屈服極限、蠕變極限、斷裂極限等。在對材料的研究中一般都是先研究材料的各種屈服值。第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月在不同物理條件下(如溫度、壓力、濕度、輻射、電磁場等)，以應(yīng)力、應(yīng)變和時間的物理變量來定量描述材料的狀態(tài)的方程，叫作流變狀態(tài)方程或本構(gòu)方程。材料的流變特性一般可用兩種方法來模擬，即力學(xué)模型和物理模型：第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月在簡單情況下，應(yīng)力應(yīng)變特性可用力學(xué)流變模型描述。在評價蠕變或應(yīng)力松弛試驗結(jié)果時，利用力學(xué)流變模型有助于了解材料的流變性能。這種模型已用了幾十年，它們比較簡單，可用來預(yù)測在任意應(yīng)力歷史和溫度變化下的材料變形。第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月力學(xué)模型的流變模型沒有考慮材料的內(nèi)部物理特性，如分子運動、位錯運動、裂紋擴張等。當(dāng)前對材料質(zhì)量的要求越來越高，如高強度超韌性的金屬、高強度耐高溫的陶瓷、高強度聚合物等。對它們的研究就必須考慮材料的內(nèi)部物理特性，因此發(fā)展了高溫蠕變理論。這個理論通過考慮了固體晶體內(nèi)部和晶粒顆粒邊界存在的缺陷對材料流變性能的影響，表達(dá)出材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理常數(shù)，亦即材料的物理流變模型。第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念按材料實際流變行為，把粘性、彈性、和塑性結(jié)合起來研究物體的流動變形性能流變學(xué)是一門學(xué)科，專門研究固液混合物，膏狀物流動變形的工具流變學(xué)把物體分：粘性體、彈性體、塑性體現(xiàn)實中理想的物體有理想液體和剛體

第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月二、液態(tài)成型過程中的流變學(xué)問題1、型砂的緊實過程2、涂料的粘塑性3、合金在固液態(tài)時表現(xiàn)的特性金屬在液相線和固相線之間的溫度范圍內(nèi)處于液固兩相區(qū)，出于此區(qū)域的金屬叫半固態(tài)金屬。實驗表明金屬鑄造是很多缺陷都是在這個區(qū)域內(nèi)形成的，如熱裂紋、縮、孔縮松等第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4、流變鑄造：破碎的枝晶半固態(tài)壓力鑄造，枝晶達(dá)50%以上時，仍能保持流動性，其特點是在切應(yīng)力較小的情況下，它的流動性能接近固體，加壓超過一定值，保持較好流動性充滿行腔。其優(yōu)點很多，成型溫度低，流動無渦流，卷氣卷渣少，易制造符合材料。第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點：1、降低對模具的熱侵蝕，提高模具壽命2、減少缺陷（液態(tài)金屬流動帶來的缺陷）3、容易制造復(fù)合材料第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2力學(xué)模型及數(shù)學(xué)模型的建立第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月三、材料簡單流變性能1、虎克彈性體施加載荷----變形-----撤去載荷----變形消失模型：彈簧第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2、牛頓粘性體材料在很小力的作用下，即產(chǎn)生連續(xù)不可逆的變形當(dāng)力消失，粘性流體速度為0，流動停止模型：充滿粘性流體的活塞第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3、圣維南塑性體特點：載荷小于一定值時，物體不變形載荷大于一定值時，才生不可逆變型模型：摩擦塊第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月串聯(lián)模型串聯(lián)模型就是將各簡單模型通過串聯(lián)的方式連接起來由右圖可以看出，如果串聯(lián)模型兩端受力P，則每個子模型受到的力相等，都為P。即：P=P1=P2=P3相應(yīng)的變形量ε=ε1+ε2+ε3123PPP1P2P3第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月并聯(lián)模型并聯(lián)模型就是將各簡單模型通過并聯(lián)的方式連接起來由右圖可以看出，如果并聯(lián)模型兩端兩端變形量ε，則每個子模型變形量相等，都為ε。即：ε=ε1=ε2=ε3相應(yīng)的變形量P=P1+P2+P3123εεε1ε2ε3第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月開爾文體彈性后效：加載時由于粘性的作用，彈性緩慢達(dá)到最大，卸載時汗漫全部恢復(fù)第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變曲線第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月麥斯韋爾體施加力，彈簧立即產(chǎn)生變形，隨著時間的推移應(yīng)變不斷增加，應(yīng)力逐漸減小為0，此為應(yīng)力松弛。如果要保持應(yīng)力不變，其變形連續(xù)增加第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月卸載后的應(yīng)變曲線總應(yīng)變不變時的應(yīng)力曲線第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月賓漢體變型受力立即產(chǎn)生變形，當(dāng)力大于一定值時產(chǎn)生永久變形應(yīng)變曲線第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁硅合金流變模型第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3材料加工中得半固態(tài)流變規(guī)律工藝原理在普通鑄造過程中，初晶以枝晶方式長大，當(dāng)固相率達(dá)到0.2左右時，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進行強烈攪拌，則使普通鑄造成形時易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中。這種顆粒狀非枝晶的顯微組織，在固相率達(dá)0.5-0.6時仍具有一定的流變性，從而可利用常規(guī)的成形工藝如壓鑄、擠壓，模鍛等實現(xiàn)金屬的成形。第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.機械攪拌法

機械攪拌是制備半固態(tài)合金最早使用的方法。Flemings等人用一套由同心帶齒內(nèi)外筒組成的攪拌裝置（外筒旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒靜止），成功地制備了錫-鉛合金半固態(tài)漿液；H.Lehuy等人用攪拌槳制備了鋁-銅合金、鋅-鋁合金和鋁-硅合金半固態(tài)漿液。后人又對攪拌器進行了改進，采用螺旋式攪拌器制備了ZA-22合金半固態(tài)漿液。通過改進，改善了漿液的攪拌效果，強化了型內(nèi)金屬液的整體流動強度，并使金屬液產(chǎn)生向下壓力，促進澆注，提高了鑄錠的力學(xué)性能。

第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電磁攪拌法

電磁攪拌是利用旋轉(zhuǎn)電磁場在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛倫磁力的作用下產(chǎn)生運動，從而達(dá)到對金屬液攪拌的目的。目前，主要有兩種方法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場：一種是在感應(yīng)線圈內(nèi)通交變電流的傳統(tǒng)方法；另一種是1993年由法國的C.Vives推出的旋轉(zhuǎn)永磁體法，其優(yōu)點是電磁感應(yīng)器由高性能的永磁材料組成，其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強度高，通過改變永磁體的排列方式，可使金屬液產(chǎn)生明顯的三維流動，提高了攪拌效果，減少了攪拌時的氣體卷入。第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3.應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）

應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）是將常規(guī)鑄錠經(jīng)過預(yù)變形，如進行擠壓，滾壓等熱加工制成半成品棒料，這時的顯微組織具有強烈地拉長形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時間，被拉長的晶粒變成了細(xì)小的顆粒，隨后快速冷卻獲得非枝晶組織鑄錠。

第32頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月SIMA工藝效果主要取決于較低溫度的熱加工和重熔兩個階段，或者在兩者之間再加一個冷加工階段，工藝就更易控制。SIMA技術(shù)適用于各種高、低熔點的合金系列，尤其對制備較高熔點的非枝晶合金具有獨特的優(yōu)越性。已成功應(yīng)用于不銹鋼、工具鋼和銅合金、鋁合金系列，獲得了晶粒尺寸20um左右的非枝晶組織合金，正成為一種有競爭力的制備半固態(tài)成形原材料的方法。但是，它的最大缺點是制備的坯料尺寸較小。第33頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月工藝優(yōu)勢

1）不需加任何晶粒細(xì)化劑即可獲得細(xì)晶粒組織，消除了傳統(tǒng)鑄造中的柱狀晶和粗大樹枝晶。

2）成形溫度低（如鋁合金可降低1200℃以上），可節(jié)省能源。

3）模具壽命延長。固較低溫度的半固態(tài)漿料成形時的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個數(shù)量級，故充型平穩(wěn)、熱負(fù)荷小，熱疲勞強度下降。

4）減少污染和不安全因素。因作業(yè)時擺脫了高溫液態(tài)金屬環(huán)境。

5）變形阻力小，采用較小的力就可實現(xiàn)均質(zhì)加工，對難加工材料的成形容易。

6）凝固速度加快，生產(chǎn)率提高，工藝周期縮短。

7）適于采用計算機輔助設(shè)計和制造，提高了生產(chǎn)的自動化程度第34頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)品優(yōu)勢

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