任新凯半固态课件01

半固态合金加工技术及其应用专业名称：材料加工工程学生：任新凯学号：20090507指导教师：谭建波课程名称一、绪论

半固态加工的概念与特点半固态加工的基本工艺方法半固态加工的研究及发展

半固态加工的概念半固态加工--在金属凝固过程中，充分破碎初生枝晶，得到液态金属母液中悬浮一定球状初生相的固-液混合浆料，并使用其成形的方法。分为流变成形和触变成形。简称SSM流变成形：将制备出的固相分数一定的半固态浆料经过保温后直接送往成形设备进行铸造或锻造成形。触变成形：将流变浆料先凝固成铸锭，然后根据需要将此金属铸锭分切成一定大小，并对其重新加热至金属的半固态区，利用金属的触变特性进行成形加工而获得铸件。半固态金属的特点固液共存，有活跃的扩散现象2.固相间有液相，固相间几乎没有结合力，宏观流动变形抗力显著降低3.随固相率降低呈现黏性流体特性，微小外力下即可流动变形4.固相率75%以下时，可以搅拌，并容易混入异种材料5.由于液相存在，可以与一般固态金属材料很好的结合6.可以加入陶瓷颗粒，纤维等难加工材料7.施加外力时，液相和固相分别流动上述现象在中间固相率范围或低加工速度情况下显著半固态金属加工的优点1.黏度比液态金属高，易控制：模具夹气少，减少氧化，改善加工性，减少模具黏结，可进行更高速的部件成形，改善表面光洁度，易形成自动化和实现新工艺。2.流动应力比固态金属低，半固态浆料具流变性和触变性，变形抗力很小，能以更高的速度成形部件，可进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率，利于节能节材，可进行连续形状的高速成形（如挤压），加工成本低。3.应用范围广，具有固液两相区的合金均可实现，可适用多种加工工艺，如铸造，轧制，挤压和锻压等，并可进行材料的复合及成形。半固态加工的基本工艺方法可分为流变成形和触变成形合金原料设计、配制—加热、熔炼—搅拌（机械或电磁等）--半固态浆料-----《-----半固态坯料制备----二次加热---触变成型-》《----------流变压铸成形或其他流变成形--------》-------部件毛坯半固态加工的研究及发展1.国外研究现状1.1有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究20世纪70年代以来，美国、日本，重点在成形工艺的开发上。在发达国家，铝合金半固态加工技术（触变成形）已经成熟并进入规模生产，主要用于汽车、电器、航空航天等领域。镁合金的半固态成形技术发展较晚，目前成熟的只有触变成形技术。实验方面主要集中在浆料的制备（机械搅拌法、单辊旋转法、电磁搅拌法、超声振动法、直流脉冲法）和半固态加工材料的成形（压铸成形、模锻成形、注射成形、连铸成形）。理论研究主要围绕工艺实现和试样组织、性能等。1.2高熔点黑色金属的半固态成形研究存在困难：液固线温度区间小，浆料难以连续稳定制备，熔体温度、固相比率和分布难以准确控制，浆料在高温下输送和保温困难，成形温度高使工具材料的高温性能难以保证等。2.国内研究现状20世纪70年代后期开始研究，大都利用机械搅拌法。中国科学院金属研究所最早开展研究。80年代中期，研究者大多转向半固态制备复合材料和个别通用牌号材料的流变性能研究。近几年，我国研究者在国家自然科学基金、国家“863”，“973”计划等的支持下，已经在铝合金半固态加工技术开发和应用方面具备了较好的基础。二、半固态金属的物理特性与流变理论

2.1半固态金属的流变性与触变性当对半固态浆料施加的切应力小于其屈服极限时，浆料如同固体，无流动性，可用于搬运；施加的切应力超过其屈服强度时，半固态浆料会表现出较好的流动性。半固态金属的表观黏度在一定剪切速率下，随着时间的延长而逐步下降，具有可逆性，半固态浆料具有滞后回线现象，滞后回线面积越大，触变性越强。滞后回线的面积随固相率、初始黏度、最大剪切速度和静止时间等参数的增加而增加；随最初剪切率和半固态浆料剪切率增大至最大时所需时间的增加而减小。2.2表观黏度定义式半固态金属表达式------半固态金属动力黏度系数，表示物体内质点之间发生相对运动时，质点间发生切应力或内摩擦的特性，即为物体的粘性；------剪切屈服极限；------剪切速率。在稳态条件下，半固态金属的表观黏度随剪切速率的增加而降低，但在瞬态条件下，表观黏度却随剪切速率的增加而增加。这一结果说明，在半固态金属成形过程中，即使在较高的成形速度下，半固态金属也能实现平稳充型。合金成分、半固态金属的制备条件、固相的形状和大小等因素对半固态金属的表观黏度都有影响（表2-1有数学模型）。表观黏度和剪切速率成反比，在非常宽的剪切速率范围内，计算黏度的经验公式：式中：------剪切速率；------幂指数系数；------稠密度。当剪切速率一定时，浆料中的固相率越大，则其表观黏度也越大。其增长速度与剪切速率有关，剪切速率越小，表观黏度的增长速度越快。表观黏度随固相率的增加而增加，特别是当固相率超过某一临界值时，表观黏度开始迅速上升，此时控制黏度很难。实际操作中，固相率（）与温度的函数关系式为：式中：------纯溶剂的熔点；------合金的液相线温度；------平衡分配比值。通过对温度的控制就可以调节固相率的大小，通常固相率达到0.4左右时，表观黏度将急剧增加，可表示为：其中A，B为系数。研究表明，冷却速度越小，半固态金属的表观黏度越低，冷却速度小时，最后得到的固相颗粒比冷却速度大时的晶粒尺寸大。初生固相颗粒的尺寸越小，金属的表观黏度越大。半固态金属的表观黏度随温度的升高而下降。2.3半固态金属的黏性行为半固态金属表现出弹性、黏性和黏塑性行为，剪切强度随温度（固相率）的变化趋势相同。与通常凝固过程相比，半固态金属的强烈搅拌消除了“成分过冷”。1.变温非稳态的黏性行为剪切速率一定时，随着固相率的增加，半固态金属的流动行为从牛顿流体向伪塑性流体，宾汉体转变。当固相率小于0.2时，呈牛顿流体特征；大于0.25小于0.4时呈伪塑性体特征；随着固相率增加，当固相聚集团形成不连续网络结构时，流体呈宾汉体型。固相率一定时，表观黏度随剪切速率上升而下降；随冷却速度上升而上升（引起球状颗粒密度增加）。2.等温稳态的黏性行为当固相率一定时，则表观黏度随剪切速率和冷却速度的降低而下降，呈伪塑性体特征，而当剪切速率一定时，固相率增加，相应剪切应力增加。3.等温动态的黏性行为在不同的固相率下，合金的表观黏度均随等温搅拌时间的增加而下降。