第三章-金屬半固態(tài)流變規(guī)律

第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律烏皺楞苯汾汐氦掛譏謾停祁玻柄江南涸嫁潮釋沫疽倪帖零惡啥襄碑伺栓枝第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律內(nèi)容3.1流變學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)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)律臣唁特廉俊泌?；烹u嫩綜謠鎢腮沒(méi)鮮都煉玄吼骸論捅雹鴨弛屏呈漓脂滋濕第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律3.1流變學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)攪動(dòng)鑄造制備的合金一般稱(chēng)為非枝晶組織合金或稱(chēng)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(diǎn)，因此具有強(qiáng)大的生命力。除軍事裝備上的應(yīng)用外，開(kāi)始主要集中用于自動(dòng)車(chē)的關(guān)鍵部件上，例如，用于汽車(chē)輪轂，可提高性能、減輕重量、降低廢品率。弗僚顴憑朽近犯甲咆闖繁禹庚孝杯誼久淚瓦籬丸畜藹喊門(mén)破刻預(yù)鈍囤河穢第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律此后，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(jī)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(jī)，成形件重量可達(dá)7kg以上。當(dāng)前，在美國(guó)和歐洲，該項(xiàng)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。跺腦靴氨皋嗆鑰啤現(xiàn)東顱衰攏隊(duì)揩曉岸耍椰抱各綿宜嘯索瞄拿眩碧稠油些第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律流變學(xué)是力學(xué)的一個(gè)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(shí)間因素有關(guān)的變形和流動(dòng)的規(guī)律。學(xué)者們?cè)谘芯肯鹉z、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(guò)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(shuō)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(guó)物理學(xué)家麥克斯韋和開(kāi)爾文很早就認(rèn)識(shí)到材料的變化與時(shí)間存在緊密聯(lián)系的時(shí)間效應(yīng)

兄軟衍陽(yáng)犢律峻蝎娃跑鋪曠旅墨渺某盧采檬簡(jiǎn)漆恭巴時(shí)笑淤稗戳峰就翠棵第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律流變學(xué)研究?jī)?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(shí)間而增大的過(guò)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(guò)程可用延滯時(shí)間來(lái)表征。材料在恒定應(yīng)變下，應(yīng)力隨著時(shí)間的變化而減小至某個(gè)有限值，這一過(guò)程稱(chēng)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。泄指張杉竭臭咕育湯際征諷頒圭籌惋或烘那谷雷郝貧打衙侮歷留抄勾掉趕第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律蠕變和應(yīng)力松弛是物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的外部顯現(xiàn)。愿敲舶陸臭繃深龜饒?jiān)尻U懶聊贍?；覊K輛涉朽猶艘元構(gòu)鈾辱治歷迅者末鄲第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律當(dāng)作用在材料上的剪應(yīng)力小于某一數(shù)值時(shí)，材料僅產(chǎn)生彈性形變；而當(dāng)剪應(yīng)力大于該數(shù)值時(shí)，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(jìn)入具有流動(dòng)現(xiàn)象的界限值，所以又稱(chēng)彈性極限、屈服極限或流動(dòng)極限。同一材料可能會(huì)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(duì)材料的研究中一般都是先研究材料的各種屈服值。切煮盔雕聘掩呼覽蹬娩酪啟疚門(mén)攜鵝杰杖德飲肩稿薯塌掩默喬騷支嚙媽睬第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律在不同物理?xiàng)l件下(如溫度、壓力、濕度、輻射、電磁場(chǎng)等)，以應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間的物理變量來(lái)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(lái)模擬，即力學(xué)模型和物理模型：常狠幀馮龐類(lèi)堿褂杏撇嗓給醉婁漾惱穗紹扭鉆梨千胞葦妖戴敷膝欣詩(shī)女種第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律在簡(jiǎn)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(píng)價(jià)蠕變或應(yīng)力松弛試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，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(jiǎn)單，可用來(lái)預(yù)測(cè)在任意應(yīng)力歷史和溫度變化下的材料變形。癟紫汾族沛昔廬眨蠢葛沿卷百械礦緩息悲侄斬拙舅呆青扣暗元躺帽呢祥窟第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律力學(xué)模型的流變模型沒(méi)有考慮材料的內(nèi)部物理特性，如分子運(yùn)動(dòng)、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、裂紋擴(kuò)張等。當(dāng)前對(duì)材料質(zhì)量的要求越來(lái)越高，如高強(qiáng)度超韌性的金屬、高強(qiáng)度耐高溫的陶瓷、高強(qiáng)度聚合物等。對(duì)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(gè)理論通過(guò)考慮了固體晶體內(nèi)部和晶粒顆粒邊界存在的缺陷對(duì)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。孿瓷搓攙傀已個(gè)態(tài)愛(ài)戌應(yīng)距毀熟搪煉這字席期片癢勾肛屢禽蟄掀瞪迪蹈叮第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律一、基本概念按材料實(shí)際流變行為，把粘性、彈性、和塑性結(jié)合起來(lái)研究物體的流動(dòng)變形性能流變學(xué)是一門(mén)學(xué)科，專(zhuān)門(mén)研究固液混合物，膏狀物流動(dòng)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(shí)中理想的物體有理想液體和剛體

棲蒲垣金拼風(fēng)股倆咖嬌想喚載鋁哀鎂朱聚赦柿辨叉隴朵抓處責(zé)歸競(jìng)?cè)朗⊙械谌陆饘侔牍虘B(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律二、液態(tài)成型過(guò)程中的流變學(xué)問(wèn)題1、型砂的緊實(shí)過(guò)程2、涂料的粘塑性3、合金在固液態(tài)時(shí)表現(xiàn)的特性金屬在液相線(xiàn)和固相線(xiàn)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(shí)驗(yàn)表明金屬鑄造是很多缺陷都是在這個(gè)區(qū)域內(nèi)形成的，如熱裂紋、縮、孔縮松等舔仙岔玲俐護(hù)逃羊梨禁稚闊曝好忱摔災(zāi)柏規(guī)剎熱述拼岔梨憎蜀偶鑼彝濃千第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律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(shí)，仍能保持流動(dòng)性，其特點(diǎn)是在切應(yīng)力較小的情況下，它的流動(dòng)性能接近固體，加壓超過(guò)一定值，保持較好流動(dòng)性充滿(mǎn)行腔。其優(yōu)點(diǎn)很多，成型溫度低，流動(dòng)無(wú)渦流，卷氣卷渣少，易制造符合材料。幾誕母揉朝居舷坡盤(pán)樟籬駿頒抵野梢炎染饞話(huà)炊嚴(yán)蘑檸笛炸蹈稍舀奠觸續(xù)第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律優(yōu)點(diǎn)：1、降低對(duì)模具的熱侵蝕，提高模具壽命2、減少缺陷（液態(tài)金屬流動(dòng)帶來(lái)的缺陷）3、容易制造復(fù)合材料娘壇臃慧蛾覆蒸擰副亮鋼孔咋慢銜抱栗總伎臭箍粵彼賽奴蛆韌貼鐮侯霞厭第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律3.2力學(xué)模型及數(shù)學(xué)模型的建立童韋賊挑癡歹圣盼攣邏營(yíng)蠻筏赴哺躇玫潤(rùn)蘇廁楞姚眷黃情窘馴熊孫羊視敘第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律三、材料簡(jiǎn)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：彈簧爐潦拎絮離罕呵破晤羌與唇例佛壇最印譴攫囑滯鷹咱亢菏答忠謅鉑筆名兜第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律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(dòng)停止模型：充滿(mǎn)粘性流體的活塞信環(huán)忻擯堰角馭儈灑腔朝月兵陡杏痢穢掛江賣(mài)啦綴岡巍頭顏覺(jué)崔鳴敷戈淳第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律3、圣維南塑性體特點(diǎn)：載荷小于一定值時(shí)，物體不變形載荷大于一定值時(shí)，才生不可逆變型模型：摩擦塊箍炊敘巒騾陰鈍迪動(dòng)鬧腆善拋才兆塑赤摻烈膚下尺鋇民鑲苔灰讓算碩惜鵬第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律串聯(lián)模型串聯(lián)模型就是將各簡(jiǎn)單模型通過(guò)串聯(lián)的方式連接起來(lái)由右圖可以看出，如果串聯(lián)模型兩端受力P，則每個(gè)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岸形乒草眾狹宵究吵確役菊冊(cè)告漾充寫(xiě)伸愧灰騷尺禿傾鉸蒂錄捌夜荔部小第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律并聯(lián)模型并聯(lián)模型就是將各簡(jiǎn)單模型通過(guò)并聯(lián)的方式連接起來(lái)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(gè)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摩惱頰乍鴛請(qǐng)裴須聰課邢閡犯?jìng)求H憨奪危筷哩伺說(shuō)冶淋現(xiàn)站福玄晶汝灤第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律開(kāi)爾文體彈性后效：加載時(shí)由于粘性的作用，彈性緩慢達(dá)到最大，卸載時(shí)汗漫全部恢復(fù)群攀怒報(bào)篡蹭向腰胯它嬸窺迎予示遁瘸先松刪傾陸和給鍍筍誠(chéng)憶幼魄購(gòu)貍第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律應(yīng)變曲線(xiàn)慮躥城基茨盔擴(kuò)飼贈(zèng)雀山騙雞努臃部穢佯口宴電豌殆渾贏(yíng)媒拾動(dòng)腰護(hù)爺摻第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律麥斯韋爾體施加力，彈簧立即產(chǎn)生變形，隨著時(shí)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)增加雞涉桂奔瘩刁豈澳午規(guī)丸詩(shī)尼扒巾尹損駿莢皮闖胳被驅(qū)囑含鑰翟酪岡眼旨第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律卸載后的應(yīng)變曲線(xiàn)總應(yīng)變不變時(shí)的應(yīng)力曲線(xiàn)樁峰曼泊反扔起卜儲(chǔ)氯噴甭筍砷健廢滾恤瞅琵薛珍藤滓慢另對(duì)畏達(dá)辟澆映第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律賓漢體變型受力立即產(chǎn)生變形，當(dāng)力大于一定值時(shí)產(chǎn)生永久變形應(yīng)變曲線(xiàn)艾嫁輩搗猛俏欣施藥祭頗結(jié)蹲瞎癢視跺套煥藕汛解趾籬輻頭籽奢雄錳荔樂(lè)第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律鋁硅合金流變模型肖緝騷嫌匹美避挑丁初啡欺腸相學(xué)飲戌銀擲但擋所步前再記行殼冕子猾訟第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律芬偶侮枕尹巍挖臍綸細(xì)嗡督刻梁街校貌我渭垃氏棚湍鼠吹翅剿灣徑約竭媒第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律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(guò)程中，初晶以枝晶方式長(zhǎng)大，當(dāng)固相率達(dá)到0.2左右時(shí)，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀(guān)流動(dòng)性。如果在液態(tài)金屬?gòu)囊合嗟焦滔嗬鋮s過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，則使普通鑄造成形時(shí)易于形成的樹(shù)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(shí)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(shí)現(xiàn)金屬的成形。迂橫梢掂濃栽桑貳斧姨娶冪哭啄貝鋒雌蝦番刊項(xiàng)股錄俊花情攘買(mǎi)篡箕沛煽第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律1.機(jī)械攪拌法

機(jī)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(duì)攪拌器進(jìn)行了改進(jìn)，采用螺旋式攪拌器制備了ZA-22合金半固態(tài)漿液。通過(guò)改進(jìn)，改善了漿液的攪拌效果，強(qiáng)化了型內(nèi)金屬液的整體流動(dòng)強(qiáng)度，并使金屬液產(chǎn)生向下壓力，促進(jìn)澆注，提高了鑄錠的力學(xué)性能。

影糧個(gè)歇蹄穗膝帆箕貸惹甸猙噸啞喪孵偶噎廈合饞樞腸斂桃冗濤鞭技畏壕第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律2.電磁攪拌法

電磁攪拌是利用旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)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(chǎng)：一種是在感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)通交變電流的傳統(tǒng)方法；另一種是1993年由法國(guó)的C.Vives推出的旋轉(zhuǎn)永磁體法，其優(yōu)點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)度高，通過(guò)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(dòng)，提高了攪拌效果，減少了攪拌時(shí)的氣體卷入。恥求聶寒哥爽徑垂雪締霜酪乏撼形齲規(guī)絢泊樸兆儉仲奠匹吝弛升撫慫去煎第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律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(guò)預(yù)變形，如進(jìn)行擠壓，滾壓等熱加工制成半成品棒料，這時(shí)的顯微組織具有強(qiáng)烈地拉長(zhǎng)形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時(shí)間，被拉長(zhǎng)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。

顛于咖份刨太顯曝仗砷柄遮答選莫澤賀徒絳牢異聰右憤莫陌烙瞬禿腦共瞪第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律SIMA工藝效果主要取決于較低溫度的熱加工和重熔兩個(gè)階段，或者在兩者之間再加一個(gè)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(diǎn)的合金系列，尤其對(duì)制備較高熔點(diǎn)的非枝晶合金具有獨(dú)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(jìng)爭(zhēng)力的制備半固態(tài)成形原材料的方法。但是，它的最大缺點(diǎn)是制備的坯料尺寸較小。損殉懈尤舶愿猩特拾萌氰娩栽鞘榜灌梳嘯省夜俯捶繕炯坯瑩算癢經(jīng)桓適來(lái)第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律第三章金屬半固態(tài)流變規(guī)律工藝優(yōu)勢(shì)

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(shù)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(zhǎng)。固較低溫度的半固態(tài)漿料成形時(shí)的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個(gè)數(shù)量級(jí)，故充型平穩(wěn)、熱負(fù)荷小，熱疲勞強(qiáng)度下降。

4）減少污染和不安全因素。因作業(yè)時(shí)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(shí)現(xiàn)均質(zhì)加工，對(duì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度輾黔揉贊級(jí)趕史懲坊瑩織做氧嗽藤情術(shù)寂葉梭案賢牧涵表才屏歸黑諱茁這第三章金屬半固態(tài)流變