半固態合金加工技術及其應用專業名稱：材料加工工程學生：任新凱學號：20090507指導教師：譚建波課程名稱一、緒論

半固態加工的概念與特點半固態加工的基本工藝方法半固態加工的研究及發展

半固態加工的概念半固態加工--在金屬凝固過程中，充分破碎初生枝晶，得到液態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：將制備出的固相分數一定的半固態漿料經過保溫后直接送往成形設備進行鑄造或鍛造成形。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區，利用金屬的觸變特性進行成形加工而獲得鑄件。半固態金屬的特點固液共存，有活躍的擴散現象2.固相間有液相，固相間幾乎沒有結合力，宏觀流動變形抗力顯著降低3.隨固相率降低呈現黏性流體特性，微小外力下即可流動變形4.固相率75%以下時，可以攪拌，并容易混入異種材料5.由于液相存在，可以與一般固態金屬材料很好的結合6.可以加入陶瓷顆粒，纖維等難加工材料7.施加外力時，液相和固相分別流動上述現象在中間固相率范圍或低加工速度情況下顯著半固態金屬加工的優點1.黏度比液態金屬高，易控制：模具夾氣少，減少氧化，改善加工性，減少模具黏結，可進行更高速的部件成形，改善表面光潔度，易形成自動化和實現新工藝。2.流動應力比固態金屬低，半固態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，可進行復雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，利于節能節材，可進行連續形狀的高速成形（如擠壓），加工成本低。3.應用范圍廣，具有固液兩相區的合金均可實現，可適用多種加工工藝，如鑄造，軋制，擠壓和鍛壓等，并可進行材料的復合及成形。半固態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計、配制—加熱、熔煉—攪拌（機械或電磁等）--半固態漿料-----《-----半固態坯料制備----二次加熱---觸變成型-》《----------流變壓鑄成形或其他流變成形--------》-------部件毛坯半固態加工的研究及發展1.國外研究現狀1.1有色金屬及其合金的低熔點材料半固態成形研究20世紀70年代以來，美國、日本，重點在成形工藝的開發上。在發達國家，鋁合金半固態加工技術（觸變成形）已經成熟并進入規模生產，主要用于汽車、電器、航空航天等領域。鎂合金的半固態成形技術發展較晚，目前成熟的只有觸變成形技術。實驗方面主要集中在漿料的制備（機械攪拌法、單輥旋轉法、電磁攪拌法、超聲振動法、直流脈沖法）和半固態加工材料的成形（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現和試樣組織、性能等。1.2高熔點黑色金屬的半固態成形研究存在困難：液固線溫度區間小，漿料難以連續穩定制備，熔體溫度、固相比率和分布難以準確控制，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.國內研究現狀20世紀70年代后期開始研究，大都利用機械攪拌法。中國科學院金屬研究所最早開展研究。80年代中期，研究者大多轉向半固態制備復合材料和個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基金、國家“863”，“973”計劃等的支持下，已經在鋁合金半固態加工技術開發和應用方面具備了較好的基礎。二、半固態金屬的物理特性與流變理論

2.1半固態金屬的流變性與觸變性當對半固態漿料施加的切應力小于其屈服極限時，漿料如同固體，無流動性，可用于搬運；施加的切應力超過其屈服強度時，半固態漿料會表現出較好的流動性。半固態金屬的表觀黏度在一定剪切速率下，隨著時間的延長而逐步下降，具有可逆性，半固態漿料具有滯后回線現象，滯后回線面積越大，觸變性越強。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間等參數的增加而增加；隨最初剪切率和半固態漿料剪切率增大至最大時所需時間的增加而減小。2.2表觀黏度定義式半固態金屬表達式------半固態金屬動力黏度系數，表示物體內質點之間發生相對運動時，質點間發生切應力或內摩擦的特性，即為物體的粘性；------剪切屈服極限；------剪切速率。在穩態條件下，半固態金屬的表觀黏度隨剪切速率的增加而降低，但在瞬態條件下，表觀黏度卻隨剪切速率的增加而增加。這一結果說明，在半固態金屬成形過程中，即使在較高的成形速度下，半固態金屬也能實現平穩充型。合金成分、半固態金屬的制備條件、固相的形狀和大小等因素對半固態金屬的表觀黏度都有影響（表2-1有數學模型）。表觀黏度和剪切速率成反比，在非常寬的剪切速率范圍內，計算黏度的經驗公式：式中：------剪切速率；------冪指數系數；------稠密度。當剪切速率一定時，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，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，特別是當固相率超過某一臨界值時，表觀黏度開始迅速上升，此時控制黏度很難。實際操作中，固相率（）與溫度的函數關系式為：式中：------純溶劑的熔點；------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節固相率的大小，通常固相率達到0.4左右時，表觀黏度將急劇增加，可表示為：其中A，B為系數。研究表明，冷卻速度越小，半固態金屬的表觀黏度越低，冷卻速度小時，最后得到的固相顆粒比冷卻速度大時的晶粒尺寸大。初生固相顆粒的尺寸越小，金屬的表觀黏度越大。半固態金屬的表觀黏度隨溫度的升高而下降。2.3半固態金屬的黏性行為半固態金屬表現出彈性、黏性和黏塑性行為，剪切強度隨溫度（固相率）的變化趨勢相同。與通常凝固過程相比，半固態金屬的強烈攪拌消除了“成分過冷”。1.變溫非穩態的黏性行為剪切速率一定時，隨著固相率的增加，半固態金屬的流動行為從牛頓流體向偽塑性流體，賓漢體轉變。當固相率小于0.2時，呈牛頓流體特征；大于0.25小于0.4時呈偽塑性體特征；隨著固相率增加，當固相聚集團形成不連續網絡結構時，流體呈賓漢體型。固相率一定時，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.等溫穩態的黏性行為當固相率一定時，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，而當剪切速率一定時，固相率增加，相應剪切應力增加。3.等溫動態的黏性行為在不同的固相率下，合金的表觀黏度均隨等溫攪拌時間的增加而下降。