（材料加工工程专业论文）6063合金半固态触变挤压及数值模拟.pdf

f at h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g 删删 y18ealr|r4r l e f t ；1 ；r l “8 i i i t | 。 一 _ 一 l 1r - n n r e s e a r c ho nt h es e m i - s o l l d 。1n i x 0 - e x t r u s l o no t 6 0 6 3 a l l o y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b yl ih e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l ug u i m i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y 2 0 0 8 鹭 j 土 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位敝作者签名谚孙 日 期：h 莎j ? 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： j 东北大学硕士学位论文摘要 6 0 6 3 合金半固态触变挤压及数值模拟 摘要 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院d s s p e n c e r 等研究人员发现了金属在凝固 过程中的特殊力学行为。随后，在f l e m i n g s 教授的领导下，对具有球状初生固相的半 固态合金形成机制、半固态浆料的力学行为和成形特点进行了深入研究，创立了金属半 固态成形的概念、理论和技术。随着半固态金属成形技术的日趋成熟，其成本将大幅度 下降，质量不断提高，被专家们称为2 1 世纪新一代的金属成形技术。 本文以6 0 6 3 合金为研究对象，系统地研究了半固态坯料的制备、二次加热、触变 挤压成形；另外对6 0 6 3 合金固态挤压成形和半固态触变挤压成形进行了数值模拟，并 取得了以下研究成果： 采用近液相线半连续铸造技术制备的6 0 6 3 合金半固态坯料微观组织均匀细小。 重熔加热温度和保温时间共同影响着重熔加热组织的演变过程，在固液两相区内， 随着加热温度的升高，a 相的生长和球化速度变快。本实验中，二次加热的合适工艺制 度为6 3 0 下保温3 0 m i n ，或者6 4 0 下保温2 5 m i n 。此时液相体积分数为2 3 左右， 晶粒平均等级圆直径为1 6 0 z m 左右。 半固态触变挤压成形所用的挤压力小，挤压速度快。挤压制品经t 6 热处理后，其 抗拉强度达到2 9 7 m p a ，延伸率达到1 9 8 7 ，远远超过固态挤压的力学性能。 利用三维有限元模拟软件d e f o r m 3 d 对6 0 6 3 铝合金半固态触变挤压和固态挤压 工艺过程进行模拟。模拟结果显示：在相同挤压条件下，半固态触变挤压成形过程中模 具所受载荷较固态挤压成形工艺小1 0 余倍，挤压过程中稳定时间短，并且稳定期间等 效应力的波动也很小。通过此次研究，半固态触变挤压的优势更加直观。 关键词：半固态，6 0 6 3 合金，近液相线半连续铸造，二次加热，触变挤压，固溶 时效处理，数值模拟 l i t i 厶 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 h1j1n l 1r _ n l 4o k e s e a r c n0 nt n e3 e m l - s o l i l l1i l l x 0 - e x t r u s i o no l 6 0 6 3 a l l o ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t a tt h eb e g i n n i n go f2 0 t hc e n t u r y7 0 s ，a m e r i c am a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y r e s e a r c h e rd s s p e n c e ra n do t h e rr e s e a r c h e rf i n dm e t a ls p e c i a ld y n a m i c a lp e r f o r m a n c e d u r i n gs o l i d i f i c a t i o n a f t e r w a r d s ，u n d e rd i r e c t i o no fp r o f e s s o rf l e m i n g s ，f o r m e dm e c h a n i s m 名o fs e m i s o l i da l l o yw i t hs p h e r i cp r i m a r yp h a s e ，d y n a m i c a lp e r f o r m a n c eo fs e m i s o l i ds l u r r y a n di t sf o r m e dc h a r a c t e r i s t i cw e r ed e e pr e s e a r c h e d ，f o u n dc o n c e p t 、t h e o r ya n dt e c h n i q u eo f s e m i - s o l i df o r m a t i o n a l o n gw i t hs e m i - s o l i df o r m i n gt e c h n i q u ec o m em a t u r ed a yb yd a y , c o s t d e c l i n er e m a r k a b l y , p r o d u c tq u a l i t yi m p r o v ec o n s t a n t l y , s oc a l l e dn e wg e n e r a t i o nm e t a l f o r m i n gt e c h n i q u eo f 2 1 s tc e n t u r yb ye x p e r t s t h i sp a p e rb a s e do n6 0 6 3a l l o y , m a n u f a c t u r eo fs e m i s o l i d i n g o t 、r e h e a t i n g 、 t h i x o e x t r u s i o n ，i na d d i t i o n ，t h ep r o c e s so fs e m i s o l i dt h i x o e x t r u s i o na n dt r a d i t i o ne x t r u s i o n o f6 0 6 3a l u m i n u ma l l o yw e r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d t h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r eo b t a i n e d t h es t r u c t u r eo f6 0 6 3s l u r r yb yn e a r - l i q u i d u sc a s t i n gt e c h n o l o g yi se v e na n ds m a l l t h er e h e a t i n gm i c r o s t u c t u r ee v o l u t i o ni sa f f e c t e db yr e h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n g t i m e t h eg r o w t ha n dg l o b er a t eo fap h a s ew e r ei n c r e a s e dw i t ht h er e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei n s o l i d l i q u i dp h a s ez o n e t h eb e s tt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fr e h e a t i n gi s6 3 0 。c a t3 0m i n u t e so r 6 4 0 ca t2 5m i n u t e s u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，i t sv o l u m ef r a c t i o no fl i q u i di sa b o u t2 3 ，a n d t h ea v e r a g ee q u a l - a r e a c i r c l eg r a i nd i a m e t e ri sa b o u t1 6 0 比m t h ep o w e ro ft h ee x t r u s i o nw a ss m a l l e r , b u tt h ev e l o c i t yw a sb i g g e ri nt h ep r o c e s so f s e m i - s o l i dt h i x o - e x t r u s i o n t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hi s2 9 7m p a ，a n dt h es p e c i f i ce l o n g a t i o n i s1 9 8 7 t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r em u c hb e t t e rt h a nn o r m a le x t r u s i o n s t h e3 df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ed e f o r m - 3 dw a se m p l o y e dt os i m u l a t et h e p r o c e s so fs e m i s o l i dt h i x o e x t r u s i o na n dt r a d i t i o ne x t r u s i o no f6 0 6 3a l u m i n u ma l l o y t h e r e s u l t ss h o w ：u n d e rt h es a m ee x t r u s i o nc o n d i t i o n ，t h ef o r c el o a d e do nt h ed i ei nt h ep r o c e s so f s e m i s o l i dt h i x o - e x t r u s i o nw a so v e r1 0t i m e ss m a l l e r ，t h es t a b i l i t yt i m ew a ss h o r t e r , a n dt h e f l u c t u a t i o no fe f f e c t i v es t r e s st h r o u g ht h es t e a d yp e r i o dw a sa l s os m a l l e r ，c o m p a r e dw i t ht h e i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t r a d i t i o n a le x t r u s i o n p r o c e s s t h r o u g h t h i s r e s e a r c h ，t h ea d v a n t a g eo fs e m i - s o l i d t h i x o e x t r u s i o nw a sm o r eo b v i o u s k e y w o r d s ：s e m i - s o l i d ，6 0 6 3 ，n e a r - l i q u i d u sc a s t i n g ，t h i x o - e x t r u s i o n ，s o l u t i o na n da g i n g ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 目录 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 16 0 6 3 铝合金1 1 2 半固态金属成形技术概述2 1 2 1 半固态金属成形技术2 1 2 2 金属半固态金属成形数值模拟5 1 2 2 1 半固态金属流场的数值模拟5 1 2 2 2 半固态金属温度场及应力场的数值模拟6 1 2 2 3 半固态金属微观组织的数值模拟7 1 3 传统挤压成形技术9 1 4 半固态挤压成形技术1 1 1 5 本课题的目的及研究内容1 2 1 5 1 本课题研究的目的。1 2 1 5 2 本课题研究的主要内容1 3 1 5 3 本课题研究的目标。1 3 第2 章6 0 6 3 合金半固态坯料的制备1 5 2 1 近液相线半连续铸造6 0 6 3 合金坯料1 5 2 2 铸态组织观察及分析1 6 2 3 小结1 9 第3 章6 0 6 3 合金的半固态二次加热2 1 3 1 实验2 1 3 2 实验结果及分析2 1 3 2 小结2 7 第4 章6 0 6 3 合金半固态触变挤压2 9 4 1 半固态触变挤压工艺2 9 v 东北大学硕士学位论文目录 4 1 1 坯料的加热温度及保温时间。2 9 4 1 2 挤压比。3 0 4 1 3 挤压力3 0 4 1 4 模具及料筒温度。3 0 4 2 实验设备3 0 4 3 挤压成形3 1 4 4 半固态变形机制3 2 4 5 实验结果3 3 4 6 小结3 6 第5 章6 0 6 3 合金半固态触变挤压数值模拟3 7 5 1d e f o r m 3 d 软件介绍3 7 5 1 1 d e f o r m 的产品类型3 7 5 1 2d e f o r m 3 d 的功能。3 7 5 2 几何建模3 8 5 3 材料模型3 9 5 4 物理性能参数4 0 z 1 1 4 1 4 1 4 3 z l ! ； 4 6 4 8 ! ；( ) ! ；o 5 】【 5 3 5 7 5 9 6 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着半固态加工技术理论的日趋成熟，这项技术已经被很好的应用于金属的铸造、 锻造、挤压及轧制等成形加工工艺，并可进行材料的复合及成形。尤其是近些年来，半 固态加工相关的基础研究、应用基础研究和应用研究等方面得到国家自然科学基金和国 家“8 6 3 、“9 7 3 、“十一五 重大基础研究规划等项目的支持，取得了较大的进展和 一大批成果。半固态金属成形技术不但综合了铸造成形和锻压成形的优点，而且部分产 品的性能接近甚至于达到锻压产品的性能，同时拓展了成形合金的范围，适合生产非铁 合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍基合金，铁基合金有不锈钢、低合金钢等。2 0 世纪9 0 年代开始，半固态技术成形技术逐步在发达国家得到商业应用。目前半固态金属成形技 术正在不断扩大其应用范围和生产规模，将会取得越来越重要的地位，许多学者将半固 态金属成形技术称为2 1 世纪最有前途的金属材料成形加工技术之一【】。 1 16 0 6 3 合金 6 0 6 3 合金是一种国际通用变形铝合金，它以其良好的热塑性，优良的耐蚀性，良好 的可挤压和导电导热性能以及易氧化着色等优点，被广泛应用于工业生产。大到建筑业、 交通运输业，d , n 医疗卫生用品、家庭生活用品，6 0 6 3 合金都得到了很好的应用，还可 用于制造要求高耐蚀性和焊接性好，中等强度的结构件，如飞机、车辆、船艇、机械部 件等l 。 6 0 6 3 合金是一种最典型的挤压合金，也是一种用途最广泛的合金材料，主要产品为 挤棒材、型材、管材。6 0 6 3 合金，m g a s i 析出硬化型热处理可强化合金，耐蚀性良好， 具有较高强度，且热加工性优良，因而大量用作挤压。可以说，6 0 6 3 合金挤压技术的发 展带动了现代挤压技术的发展h - 1 0 l 。6 0 6 3 合金是a 1 m g s i 系锻铝型合金，其室温下密度 为2 6 9 k g m 3 ，比热容为9 0 0 j ( k g k ) ；溶化温度范围6 1 5 c - 6 5 5o c ；熔炼温度为7 2 0 c - - - , 7 6 0 ；铸造温度7 1 0 - 7 3 0 ；均匀化退火温度5 6 0 ；传统挤压工艺挤压温度4 8 0 。c 5 0 0 ：固溶处理温度5 1 5 - 5 2 5 - 2 0 ；人工时效规范：1 6 0 - 2 0 0 ，时间1 0 - l h ， 视具体要求而定【硝】。其化学成分【4 】见表1 。 6 0 6 3 合金主要相组成物为a ( a 1 ) 和m 9 2 s i ；可能的杂质相有a f e 2 s i a l 8 ，6 - f e s i a l 5 和 f e a l 3 【5 l o 6 0 6 3 合金的主要强化元素是m g 和s i ，强化相是m 9 2 s i 相。m g z s i 相含量越高，合金 的强度越大；强化数量减少，合金强度减小。强化相的相貌、密度和分布决定合金的力 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 16 0 6 3 合金的化学成分( 质量分数) ( ) t a b l e 1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f6 0 6 3a l l o y ( m a s s ) s if cc u m n m g c r z at i 其他砧 单个合计 学性能。强化相的密度越大分布越均匀，合金的强度越高。6 0 6 3 合金中的f e 很容易和过 剩的s i 形成脆性很强的硬质点杂质相a 1 f e s i ，这种化合物有较强的热缩性，容易使铸锭 产生裂纹，特别是当f e ( s i 时，容易在晶界上形成低熔点的三元共晶体，热脆性更大， 而当f e s i 时，则产生熔点较高的包晶反应，提高了脆性区的温度下限，能降低热烈倾 向。同时，f e 也是对氧化着色质量影响最大的元素，随着铁含量的升高，阳极氧化膜的 光泽变暗，透明度减弱，铝型材表面的光亮度显著降低，影响美观。c u 可提高合金的强 度，但对耐蚀性有不利影响。m n 和c r 对提高合金的耐蚀性有帮助。c r 主要以( c r 、f e ) a 1 7 和( c rm n ) a 1 1 2 等化合物存在，阻碍再结晶和晶粒长大过程，c r 还有抑$ l j m 9 2 s i 晶界析出， 延缓自然时效过程，提高人工时效后的强度作用。m n 固溶于铝及铝合金中可提高合金 强度和再结晶温度，阻碍再结晶晶粒长大，与f e 形成化合物从而减d , f e 的有害影响。t i 在铝合金中起细化晶粒、减少热裂倾向、提高伸长率的作用睁1 0 l 。 6 0 6 3 的工艺特点是高温塑性好，淬火温度范围宽，临界淬火速度小，可在挤压锻造 脱模后实现喷水或风淬【1 1 】。均匀化退火后宜快速冷却，以保证阳极氧化着色后色泽的均 匀性。对于质量高的小直径铸锭，挤压前可以不进行均匀化退火。淬火与人工时效之间 的停留时间，不应超过l d , 时，否则对强度有损害，特别是对屈服强度。6 0 6 3 合金固溶 处理时，可能伴随晶粒长大，其原因是锰的偏析所致。因此应保证铸锭成分均匀，如果 固溶处理与挤压过程相结合，晶粒长大可以避免。 6 0 6 3 合金在传统工艺熔铸时常出现粗大的粒状晶、羽毛组织、析出相物，并在凝固 时易出现铸造裂纹，严重影响了合金质量，即使通过均匀化处理后，还是有少量的粒状 晶且晶粒粗大，从而最终影响了合金的力学性能【1 2 】。所以，我们尝试用半固态液相线熔 铸方法制造的半固态6 0 6 3 合金铸锭，进行成形以期达到提高力学性能的目的。 1 2 半固态金属成形技术概述 1 2 1 半固态金属成形技术 自从上世纪7 0 年代半固态成形作为一种的新兴金属加工技术开发出来后，不久即 引起了世界各国的关心和重视。美国、德国、英国、法国、瑞士、意大利和日本都在积 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 极进行这项研究，使之得到了迅速发展，不仅在理论上，而且在推进其实用化方面也做 出了努力。目前，欧美国家用半固态成形技术生产的零件已进入市场，日本也初步具备 了商业化生产的能力i j 。 所谓半固态金属加工或成形技术( s e m i - s o l i dm a n u f a c t u r i n g ，f o r m i n go rp r o c e s s i n go f m e t a l ，简称s s m ，s s f 或s s p ) ，就是在液态金属凝固过程中，对其通过搅拌或者通过 温度控制，例如施以剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或 进行快速凝固，即通过改变初生固相的形核和长大过程得到一种液态金属母液中均匀地 悬浮着一定球状初生固相的固液混合浆料，这种浆料是将预先凝固的树枝状初生固相打 破而获得一种由细小、球形、均匀、非枝晶初生相与液态金属共同组成的液、固混合浆 料，该种金属浆料就是所谓的半固态浆料。利用这种固液混合浆料直接进行加工成形， 或先将这种固液混合浆料完全凝固成坯料，根据需要将坯料切分，将切分的坯料重新加 热至固液两相区，利用这种半固态坯料进行加工成形，这两种方法均称之为金属的半固 态加工。前者称为半固态金属的流变成形( r h e o f o r m i n g ) j j h i 技术，后者称为触变成形 ( t h i x f o r m i n g ) i j i 3 - 技术。流变成形和触变成形合称为半固态j j h i ( s e m i - s o l i dp r o c e s s i n g m e t h o d ) ，简称s s m 。在加工成形过程中，浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有 很好的流动性，可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形。流变成形是将半 固态浆料直接压入模具腔进而压铸成形，或对半固态浆料进行直接轧制、挤压等加工方 式成形【 】。故流变成形包括制浆和成形两个过程。触变成形是将制备好的半固态浆料 制成坯料，经过重新加热至半固态温度，形成半固态坯料再进行成形加工。故触变成形 包括制浆、二次重熔和成形三个过程。 半固态合金与固态合金的最大差别是其具有触变特性。当固相分数在0 0 5 - - 0 1 0 时， 合金浆料的行为表现为流体特性。若固相分数的变化范围从0 2 0 - 0 9 0 ，合金浆料的力 学行为特征强烈依赖固相分数。其中，当固相分数在0 5 0 0 6 0 时，浆料的行为则表现 为非线性塑性体，它可以进行诸如模锻、挤压和轧制等金属成形【1 3 】。 金属半固态成形具有许多独到的优点【l ： 第一，半固态合金材料机械性能高。半固态金属浆料或坯料不存在宏观偏析，因而 铸件也不存在宏观偏析，其性能更均匀。半固态成形制品结构细微，析出物均匀分散而 且细小，并受局部厚度的影响较小，没有普通铸件中存在的粗大枝晶，防止内部缺陷，制 品整体性能高。由于半固态浆料或坯料的黏度比液态金属高，所以在充型过程中模具夹 带的气体少，减少氧化、改善加工性，减少模具黏接，可进行更高速的部件成形，改善 表面光洁度，使成品零件表面光整，内部组织致密、晶粒细小、内部气孔和偏析等缺陷 虢、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 少、力学性能高，可接近或达到锻造材料的力学性能。 第二，由于半固态金属合金已释放了部分结晶潜热，并且半固态金属合金的温度较 液态金属低，故半固态金属成形工艺的模具温度比普通的金属成形工艺的温度要低，制 件留模时间短，充型平稳，减轻了对模具的热冲击，改善了模具工作条件，提高了模具寿 命，从而降低了生产成本。 第三，材料在半固态，变形抗力显著降低，流动性和变形性好，可以用较小的力加 工较大的零件，且成形速度快；即使是很复杂的零件也可以用很少的工序成形；并且， 半固态金属成形工艺凝固收缩小、尺寸精度高、对机械零件加工余量小，可以实现少或 无切削加工，可以制造出接近最终形状的制品，即进终成形，缩短了加工周期，提高了材 料利用率，有利于节能节材。 第四，因不直接接触液态金属，减少了污染和不安全因素，劳动条件和环境好。生产 率更高，成品率几乎是1 0 0 ，且成形温度低，比单位重量的普通铝合金铸件节能3 5 左右，节约能源。 第五，应用半固态加工工艺可改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以及金 属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备提供了有利条件。半固态金属的粘度较 高，可以方便地加入增强材料( 颗粒或纤维) ，为复合材料的廉价生产开辟了一条新途径。 第六，在重力下，重熔加热后的半固态金属坯料的粘度很高，可以方便地机械搬运， 也便于实现自动化操作。在高速剪切作用下，半固态金属坯料的粘度又可迅速降低，便 于成形。 半固态金属成形工艺的一个尤为重要的环节是半固态浆料的制备。搅拌是半固态浆 料制备的关键所在，强烈搅拌的过程中使在冷却中形成的枝晶破碎，同时也抑制树枝晶 的形成，可获得非枝晶的卵形或进球状结构。通常，半固态金属浆料的制备方法主要有 机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔化激活技术( s i m _ a ) 、喷射成形法、紊流效应法和 粉末法等等。值得一提的是液相线铸造法，这种方法主要采用控制铸造的温度、静置时 间、铸造速度及冷却强度等因素，将熔融金属在液相线温度以上或接近于液相线温度经 保温静置后，并在一定的冷却速度下浇注，从而获得细小、近球形、非枝晶半固态组织。 作为半固态金属制浆新工艺，液相线铸造法具有工艺简单，适用合金范围广，生产效率 高，尤其是对铝合金半固态浆料的制备具有极其重要的意义，对金属流变成形工艺的应 用及发展将起到积极的推动作用。 与全固态锻造相比，半固态加工最显著的优点就是变形抗力低，因此可通过半固态 加工用较小的压力、较低的成本快速生产形状更复杂的产品。并且半固态加工可一次成 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 形，减少了工序，提高了生产率。因此，半固态加工技术被认为是2 1 世纪最具发展前途 ， 的成形技术和新材料制备技术之一。 1 2 2 半固态金属成形数值模拟 作为一种近终形成形工艺，半固态成形具有成形温度低、模具寿命长、成形件表面 平整光滑、内部组织致密、缺陷少、力学性能好等一系列突出的优点。为了能够更加直 观地再现半固态合金的成形过程，国内外学者利用凝固原理对合金在浇注中的成形过程 进行了大量的数值模拟，并取得了很大的进展。一批较为成熟的商用软件，如德国的 m a g m a s o f t 软件、美国的f l o w 3 d 和p r o c a s t 软件、芬兰的c a s t c a e 软件、英国的s o l s t a r 软 件、韩国 拘a n y c a s t i n g 软件在金属凝固过程中的组织演变，成形过程中的流场、温度场 变化状况以及缺陷分析方面都取得了很好的模拟结果。目前，国内的中科院金属研究所、 清华大学、东北大学、华中科技大学、华北工学院等单位在金属凝固过程中的数值模拟 也开展了积极的研究工作【体1 s l 。 要获得一个性能优良的成品需要大量的实验和研究，而在实际生产中，浆料的制备 过程，比如如何施加磁场，施多大的磁场，不同成分的合金情况也不同；二次重熔过程， 加热到什么样的温度，保温多长时间；成形过程中，成形件的种类及形状也各不相同， 如果都进行充型工艺参数的选择实验，那么工作量是极其庞杂的，不可能对每个成形件 都做工艺参数的选择实验。随着计算机技术、金属凝固理论、计算传热传质学、计算流 体力学等学科的快速发展，用计算机模拟来进行半固态成形工艺的预测和分析已经是不 可缺少的研究手段。运用计算机数值模拟技术对半固态成形过程进行研究，可迅速、准 确地揭示金属凝固过程的规律和工艺参数之间的影响关系，达到最佳的优化效果，节约 时间，降低成本。 1 2 2 1 半固态金属流场的数值模拟 半固态金属是非牛顿流体，即流体的粘性与速度梯度不符合牛顿粘性定律。因此， 描述半固态浆料充填流动行为的数学模型仍然是以质量守恒的连续性方程、动量守恒的 n a v i e r - s t o k e s 方程为基础，而对浆料的表观粘度采用提书的数学模型来描述。能量方程 和n s 方程一般可以分开求解，即求出速度和压力分布，然后利用能量方程式求出温度 分布。充型过程流场数值模拟的算法有s i m p i e 算法、m a c 及s m a c 法、s o l a v o f 法 等，s i m p i e 法的最大特点是要求压力场与速度场同时迭代，广泛用于不可压缩流体的动 量方程的数值求解。m a c 法通过有限差分网格划分，对能量方程和动量方程进行离散， 并设置标识粒子追踪自由表面，但求解复杂，s m a c 法是m a c 法的一种简化，它引入了 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 势函数，避免了反复的迭代求解速度和压力，效率大大提高。s o l a - v o p 法是用体积函 数代替标识粒子来确定自由表面的位置，每个单元的校正压力有连续性方程直接给出， 计算速度较快，因此普遍应用于充型过程的流场模拟【1 4 1 8 1 。 澳大利亚的b e h z a dn i r o u m a n d 等人【1 9 1 研究了坩埚内部的流动方式对机械搅拌 a i - 4 5 c u 合金纤维组织的影响。得出了搅拌速度( 剪切速度) 不是影响流变铸造的显微结 构的唯一因素。其他流动关系参数如固态颗粒的流动方式和近坩埚壁的流体速率也是非 常重要的。 爱尔兰的a l is h a h 等人凹1 通过应用计算流体力学，设计了毛细粘度计。这种毛细粘 度计可以测量半固态浆料被搅拌时的剪切速率，帮助确定毛细管半锥角和压力传送器到 毛细管入口的距离。 波兰的k r z y s z t o fs o l e k 等人【2 l 】选用f o r g e 3 商业软件，应用n o e t o n - h o f f 模型描述了 半固态压铸法铸造a 3 5 6 铝合金过程中的材料的力学特点，其流变参数沿用了以往文献中 的实验研究，有关合金流变行为的本构方程通过g l e e b l e 热模拟实验机挤压实验来确 定，通过低温不完全铸件的成型模拟和实验结果相比，可以获得材料在触变铸造中真实 行为。 杨浩强等人僻l 利用流体分析软件f l o w 一3 d 对a z 9 1 d 镁合金在阻尼冷管中的制备 过程进行三维数值模拟，获得了制各半固态浆料过程中金属的流动规律，并得出了压 头高度、楔形形状及缝隙大小对合金熔体流动及制备出的半固态浆料均匀程度的影响规 律。 1 2 2 2 半固态金属温度场及应力场的数值模拟 半固态金属温度场的模拟主要是建立传热的数学模型，并通过数值方法进行求解， 达到预测成型件缺陷产生的可能性和位置。有限差分法是求解导热问题的有效方法，而 且比较简单易操作，只需给出初始条件和边界条件，以及求解导热问题的有限差分格式， 并保证此格式的稳定性，通过数值方法进行求解。预测缺陷的方法有温度梯度法、等温 度等固相率曲线法、压力梯度法等。 半固态金属应力场分析是以温度场的数值模拟为基础的，其目的是预测成型件的残 余应力和残余变形，通过计算结果的分析来优化成型工艺。目前相关的研究还很少。但 铸造应力计算的力学模型如热弹性模型、热弹塑性模型等以被广泛的采用，一般将热弹 塑性模型中材料的非线性问题处理成双线性模型，即屈服前后的弹性和塑性阶段的应力 一应变关系都为线性。通过有限元算法进行等效应力的求解【悼1 8 1 。 袁有录，闫洪等人田】利用所建立的流场、温度场耦合半固态表观粘度的三维数学模 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 型，分析了镁合金及半固态镁合金a z 9 1 b 在不同充型速度时的流变特性。结果表明： 具有伪塑性体及宾汉体特征的半固态流体，在相同充填条件下，具有充填过程平稳、卷 气少等特征，从而可减少液态金属充型时遇到的常见缺陷。半固态材料铸造技术为解决 铸件内部缺陷，调整成形工艺，提高产品质量提供了一种新方法。 温景林等人陋1 以半固态挤压扩展成形a 2 0 1 7 铝合金扁型材为研究对象，采用有限元 方法对半固态挤压扩展成形过程热流耦合场进行三维数值模拟，建立了热流耦合数学模 型，确定了计算模型的边界条件以及所研究合金的热物性参数，获得了不同工艺参数和 模具设计参数下合金动态凝固过程的温度场和速度场，特别是模具设计参数对模腔内合 金流动规律的影响，从而为合理设计成形模具，调整成形工艺，提高制品质量找到依据。 冯启高等人 2 5 1 依据工艺试验所得数据，采用有限元软件a n s y s 对半固态挤压成形 铝棒材过程的温度场进行了数值模拟，得出了反映该过程温度场分布和变化情况的云 图。 张恒华等人陋1 对a 3 5 6 铝合金非树枝晶坯料在不同感应加热条件下的温度场进行了 有限元模拟。发现频率、保温时间及试样尺寸等均对温度场有明显的影响。实验得出铝 合金半固态感应加热时最好采用中频( 6 4 0 - 1 0 0 0 h z ) 。应用有限元法对尺寸不同的铝合 金试样的实际感应加热温度及其分布进行模拟，结果与实测结果吻合较理想。 何贵，张质良等人【2 7 】运用c a e 技术模拟加热频率、加热时间、线圈电流强度、线 圈尺寸、加热后停留时间等参数对坯料温度场的影响，提出二次加热中获得均匀温度场 的工艺条件、参数与措施。模拟结果与感应加热的实测数据具有很好的吻合性。 刘静，董丽娜等人【勰1 利用a n s y s 软件，模拟计算了半固态a 3 5 6 铝合金的二次加热 温度场。结果表明：在给定铝合金二次加热温度的前提下，线圈电流密度与加热时间成反 比，与试样内、外温差大小成正比。本研究为a 3 5 6 合金半固态生产工业化提供理论指 导。 1 2 2 3 半固态金属微观组织的数值模拟 在第十届m c w a s p 国际学术会议发表了2 1 篇关于凝固组织模拟的文章，概括一下主 要有三种方法t 确定性模拟、元胞自动机( c a ) 法和相场( p f ) 法。确定性模拟可以把凝 固过程中的物质守恒方程和形核长大模型耦合，在考虑宏观偏析和固态传输时更接近于 实际凝固过程；而随机性模型只能把能量方程和形核长大模型耦合，它更适合于描述柱 状晶的形成及柱状晶等轴晶之间的转变，但二者在模拟晶粒生长时都需要跟踪固液界 面，因此在模拟晶粒的三维生长形态及内部结构时有一定的困难。而相场法在模拟晶粒 三维生长时有很大的优势。通过对半固态金属微观组织的模拟，加上与温度场流场的耦 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 合计算，在模拟枝晶的形貌演变的基础上，可以开发更先进的半固态非枝晶组织材料的 制备新工艺。 通过目前国内外对半固态成形过程的研究与开发进程来看，数值模拟技术已成为半 固态成形过程的有效辅助手段。采用计算机模拟技术来研究半固态金属的成形过程，不 仅灵活方便，可节省大量的人力物力，同时还具有结果直观、精确度高等优点，可为实 际成形过程提供参考，因此国内外不少学者对半固态成形过程的模拟进行了大量研究工 作。目前，国内在该项研究领域内基本可以跟踪世界先进水平，但依然可以看到在数学 模型的建立、数值计算方法的改进及实际生产应用等方面，尤其在软件开发方面与发达 国家相比还存在有较大的差距。在某些方面，例如采用有限元法计算半固态成形凝固过 程及物性参数和传热边界条件占有量等方面，依然缺乏相关的研究，仍然需要进行展开 大量深入细致地研究工作。 c g k a n g 等人【2 9 1 用m a g m a s o f t 软件对半固态压铸成型臂件在不同注射速率下的 成型过程进行了模拟和微观缩孔预测，并得出了最佳的注射速度。同时，通过模具设计 给出了最佳的工艺条件，得出不同的注射速度下臂件不同位置处的延伸率、应力和硬度 也不同，还分析了液相偏析的不同，得出有液相偏析和无液相偏析时的固相分数相差 1 5 2 0 。 法国的p i e r r ec e z a r d 等人例在v f a v i e re t a l 的研究基础上对恒稳态半固态行为的微 观宏观模型和有限元模拟进行了研究。他们用f o r g e 2 商业软件模拟了半固态微观宏 观有限元。压缩实验选用了两种构造方程：第一是用n o r t o n h o f f 定律描述的典型的粘 塑性行为；另一种是用微观宏观模型描述的强软化行为，并分析了本构方程对模拟结 果的影响。 t o y o s h i m a t 3 1 1 采用f e m 方法对等温条件下枝晶组织的半固态变形进行了数值模拟， 将半固态材料视为固相网络与间隙液相组成，固相采用粘塑性有限元模型，液相流变采 用d a r c y 定律进行分析，同时以挤压、锻造和轧制为例研究了不同材料和工艺参数对固 i 相密集化和液相流动的影响。 d i j k s t r a 等人【3 2 1 采用元胞自动机( c a ) 模型模拟了高固相半固态铝合金的凝固及液体 的充型过程，表明模拟结果偏离k o z e n y c a r m a n 关系的可能原因是液相的渗透性不同而 引起宏观偏析，同时估计了流速及对传热传质进行定量描述。 杨弋涛等人【3 3 】使用a d s t e f a n 商业软件进行计算机模拟技术预测了充型过程并预 防了缺陷，实现了充型工艺系统的优化设计。在模拟时，主要在较能反映半固态熔体特 性的粘度系数上采用了与固相率挂钩的分段函数来描述其特征。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 周志敏、白锐等人【3 4 l 进行的液相线铸造法凝固过程的相场模拟，描述纯物质凝固过 程和结晶形貌的相场模型由热力学一致性理论得到的相场方程及与其耦合的温度场方 程组成。结果表明，金属凝固组织形成枝晶的趋向随过冷度加大而增强，长大速度随之 显著加快。液相线铸造时结晶凝固过程在枝晶形成趋向很小、长大速度较慢的过冷度范 围完成，故应得到细小非枝晶组织；液相线铸造法浇注前熔体在液相线温度附近保温， 发生双相