2024铝合金半固态触变成型研究【无图】【研究类】
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2024铝合金
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2024铝合金半固态触变成型研究
44页 17000字数+说明书+开题报告+毕业答辩
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2024铝合金半固态触变成型研究中期报告.doc
2024铝合金半固态触变成型研究开题报告.doc
2024铝合金半固态触变成型研究毕业答辩.ppt
2024铝合金半固态触变成型研究毕业论文.doc
摘 要
铝及其合金是有色金属中用途较广的轻金属之一，具有高的比强度、比刚度、塑性好、导电与导热性好、且具有较好耐蚀性，是制造航天和航空装备的理想材料。近些年来，由于军工和民用工业现代化和轻量化的需要以及铝合金自身的特点，以铝代钢的要求日益迫切，铝合金已成了各个工业部门机械零件必不可少的材料，有关其成形的新工艺也不断出现，金属的半固态触变成形工艺就是其中之一。半固态触变成形可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形为零件，因此该工艺是一种具有潜在应用前景的新型金属加工工艺。2024铝合金为硬铝中的典型合金，其成分比较合理，综合性能较好，是硬铝中用量最大。本文以2024 铝合金为研究对象，通过再结晶与重熔法（RAP法）制造半固态坯料，研究不同的坯料加热温度、成形压力、成形速率对半固态组织的影响，制定出适用于2024铝合金半固态触变成形的最佳工艺参数，为2024铝合金的触变成形研究提供参考和依据。
在前期工作中，应用应变诱导法制备2024铝合金半固态坯料；第二阶段用模具使制备好的半固态坯料成形，在成型部件上的不同位置选取试样并进行初步的处理；第三阶段对处理好的试样进行观察和分析，最后选出对于2024铝合金最适宜的触变成型条件。
关键词 铝合金；半固态；触变成形
目 录
摘 要I
AbstractII
第1章 绪论1
1.1 课题背景1
1.2 半固态加工技术1
1.2.1 半固态成形技术的原理和工艺特点1
1.2.2 半固态加工的概念及主要工艺过程3
1.2.3 半固态加工技术特点7
1.2.4 半固态坯料的制备8
1.2.5 半固态模锻12
1.3半固态成形工艺的应用和发展13
1.3.1 半固态成形工艺在国外的应用与发展13
1.3.2 半固态成形工艺在国内的应用与发展14
1.3.3 半固态技术发展前景15
1.4 本课题主要研究的目的及内容17
第2章 再结晶与重熔法制备2024铝合金半固态坯料18
2.1 再结晶与重熔法18
2.2 试验材料18
2.3 制备过程19
2.4 试样的处理21
2.4.1式样的打磨、抛光21
2.4.2 试样的腐蚀处理22
2.4.3 观察金相组织23
2.4.4 实验中存在的困难与问题23
2.5 本章小结24
第3章 实验结果与分析25
3.1 不同试件相同位置的实验及分析25
3.2 相同试件不同位置的实验及分析32
3.3 本章小结36
结 论37
致 谢38
参考文献39
- 内容简介：
-
哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）中期报告题 目：2024铝合金半固态触变成型研究系 （部） 机电工程系 专 业 材料成型及控制工程 学 生 孙文龙 学 号 1089255107 班 号 0895221 指导教师 陈刚 中期报告日期 2011.11.25 哈工大华德学院说 明一、中期报告应包括下列主要内容：1论文工作是否按开题报告预定的内容及进度安排进行；2目前已完成的研究工作及结果；3后期拟完成的研究工作及进度安排；4存在的困难与问题；5如期完成全部论文工作的可能性。二、中期报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。指导教师评语： 指导教师签字： 检查日期： 一、论文工作是否按开题报告预定的内容及进度安排进行 1、论文工作按开题报告预定的内容及进度正常进行二、目前已完成的研究工作及成果 1、半固态坯料制备 本试验中采用应变诱导熔化激活法（简称SIMA）制备半固态浆料。应变诱导熔化激活的工艺要点是：利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯，将该金属锭坯在再结晶温度范围内进行大变形量的热变形，通过变形破碎铸态组织，然后再对热变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的组织中储存部分变形能量，最好按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，然后迅速将其加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的近球状半固态坯料，其工艺过程示意图见图1-1 。 图1-1 应变诱导熔化激活法工艺过程示意图 本次实验主要采用固相法中的应变诱化法制备棒料，用模具将棒料加工成试件呈阶梯状，如图所示：图1-2台阶型制件 2、对试件进行初步处理(1) 将试件按部位分成多个部分； 图1-3 分割后的试件(2)对已经分割完的试件进行打磨；(3)进行抛光；(4)腐蚀试件；(5)观察金相组织并照相； 图1-4 试件1照片 图1-5 试件2照片 图1-6 试件3照片 图1-7 试件4照片 图1-8 试件5照片三、后期拟完成的研究工作及进度安排1、11月26日-12月10日 进行试验的前期准备及进行试验； 2、12月12日-12月23日 撰写毕业设计论文及准备答辩； 3、12月28日-12月31日 毕业答辩；四、存在的困难与问题1、在打磨时会出现明显的划痕 解决方法：打磨过程中将试件旋转90度，是打磨痕迹交错，可是划痕明显减少2、 抛光是试件容易被打飞 解决方法：将试件的四条棱打磨出一定角度的倒角，可有效防止试件在抛光过程中被打飞 3、腐蚀试件后观察不到金相组织 解决方法：腐蚀时先腐蚀较短时间，观察是否有较为清晰的金相组织，如没有可在轻微腐蚀，直至可以观察为止，但总腐蚀时间不宜太长，太长会破坏金属结晶无法继续观察。五、如期完成全部论文工作的可能性 根据进度安排可如期完成全部论文工作哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）开题报告题 目：2024铝合金半固态触变成形研究系 （部） 材料工程系 专 业 材料成型及控制工程 学 生 孙文龙 学 号 1089522107 班 号 0985221 指导教师 陈刚 开题报告日期 2011.10.21 哈尔滨工业大学华德应用技术学院说 明一、开题报告应包括下列主要内容：1通过学生对文献论述和方案论证，判断是否已充分理解毕业设计（论文）的内容和要求2进度计划是否切实可行；3是否具备毕业设计所要求的基础条件。4预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；5主要参考文献。二、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。三、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在系（部）保存，以备检查。指导教师评语： 指导教师签字： 检查日期： 1 课题研究的目的和意义1.1研究目的 近些年来，由于军工和民用工业现代化和轻量化的需要以及铝合金自身的特点，以铝代钢的要求日益迫切，铝合金已成了各个工业部门机械零件必不可少的材料，有关其成形的新工艺也不断出现，金属的半固态触变成形工艺就是其中之一。半固态触变成形可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形为零件，因此该工艺是一种具有潜在应用前景的新型金属加工工艺。2024铝合金为硬铝中的典型合金，其成分比较合理，综合性能较好，是硬铝中用量最大。目前主要采用锻造加工方法，但材料利用率较低，成本较高；而采用铸造技术不能满足其高力学性能的使用要求。本课题拟采用半固态触变成型技术，进行2024铝合金的触变成型研究。1.2研究意义 铝合金的传统的加工方法一般为铸造方法和锻压方法。锻压能够保证零件的高强度，但是由于加工方法的限制，一般不能生产形状复杂的零件，特别是薄壁件；铸造可以生产形状复杂的零件，但力学性能较低。目前薄壁零件的生产方式尚为传统的锻坯-机械加工的生产方式，但由于机械加工生产复杂零件时材料利用率不高（只有10），产品质量不够好，生产效率低，生产成本高等缺点，因此该种工艺也不能满足现在大批量、低成本的生产要求；为了保证在高质量的前提下经济地生产出该零件，需要寻找新的生产工艺来生产。 半固态加工方法是一种新型材料成形方法，这种方法是当合金坯料处于液态与固态共存时，对其施加压力使之在模具中成形的工艺方法。半固态成形技术加工温度低（与铸造相比），变形抗力小（与锻压相比），因此可以说，铸造的成形性与锻件的机械性能在半固态金属成形技术中实现了完美的统一。因此，铝合金的半固态成形已成为近些年金属材料成形研究的热点之一。通过毕业设计，掌握半固态触变成形技术的基本成 型技术的基本原理，研究不同的成形工艺参数对制作微观组织和力学性能的影响，探索2024铝合金半固态触变成形的最佳工艺参数。2 半固态加工技术2.1半固态加工的概念半固态金属加工是金属在凝固过程中，进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，形成具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料，这种浆料在外力的作用下，即便固相率达到60%仍具有较好的流动性。可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形为零件。这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为半固态金属加工技术，简称SSM。半固态加工的主要成形手段有压铸和锻造，此外也有人试验用挤压和轧制等方法。其工艺路线主要有两条：一条是将搅拌获得的半固态浆料在保持其半固态温度的条件下直接成形，通常被称为流变铸造（Rheo-casting）；另一条是将半固态浆料制备成坯料，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度成形，通常被称为触变成形（Thixoforming）图2-1半固态金属加工的两种工艺流程2.2半固态加工的主要工艺过程2.2.1 流变成形（Rheocasting） 流变成形又称流变铸造（Rheocasting）是将经过搅拌等特殊工艺获得的半固态浆料直接进行半固态成形。由于半固态金属浆料的保存和传输很不方便，因而这种成形方法投入实际使用的较少，但流变成形工艺流程短、设备简单、节省能源，仍然是未来金属半固态成形的一个重要发展方向。与普通铸造相比，流变铸造有许多优点：晶粒细小、偏析减少、结构分布均匀、减小了收缩、微缩孔和裂纹、改善了铸件的机械性能。日本学者最近在此方向进行了有益的探索，该工艺的半固态金属浆料是利用电磁搅拌直接在射室中制备，然后将其挤入模具型腔成形，Al-7%Si-0.3%Mg半固态成形件的性能比液态挤压铸件的性能高，而与半固态金属触变成形件的性能相当。 机械搅拌是实现流变铸造的简单有效方法，但有其不足之处，如在剪切速率低的死区中，悬浮液粘度大，容易得到粗大的晶粒而使结构不均匀；另外，作为搅拌器的金属直接接触半固态金属，会使其受到污染，如果采用电磁搅拌技术则可以避开这些缺点。Winter等设计了能生产直径从38mm到152mm铝合金锭的电磁流变铸造系统，由一个两极多相的电机定子在半固态金属中生产旋转磁场实现搅拌的目的。电磁搅拌器直接安装在普通连铸的模子上，得到平均晶粒直径为30m数量级的铝合金铸锭。对于铸速大于2m/min，当铸锭的断面尺寸较大时，细化效果也不是很明显2.2.2触变成形（Thixoforming） 触变成形是将经搅拌等特殊工艺获得的半固态坯料冷却凝固后，按照所需要的尺寸下料，再重新加热至半固态温度，然后放入模具型腔中进行成形的方法。由于在触变成形时，半固态金属坯料的加热、传输很方便，成形过程容易控制，便于实现自动化的生产。因此，此方法在实际生产中应用比较广泛。半固态金属的触变成形可以分为几种：一是触变铸造(Thixoforming)，其成形设备是压力机；二是触变锻造(Thixoforging),其成形设备是压力机；三是触变轧制，其成形设备是轧机；四是触变挤压，其成形设备是挤压机。以上成形方法的前两种工艺是目前实际生产中已经成熟的工艺，而后两种工艺尚不成熟。(1) 触变铸造(Thixocasting) 触变铸造是指把经在固-液温度间搅拌的金属先制成非枝晶锭料，然后根据所作零件的大小截成小的坯料，再将坯料重新加热到半固态温度后压入模具的方法。用该方法可以将非枝晶锭料的制备和成形完全分开，便于组织生产，而且容易实现自动化操作，因而触变铸造是目前半固态成形技术中应用最多的方法。(2) 触变锻造(Thixoforging) 触变锻造和触变铸造相似，不同之处在于：触变铸造是将半固态坯料由压力机的压头压入已合型的模具中，触变锻造是将半固态金属先置于一半开型的模具中，另一半模具有压力机带动完成合型，坯料主要发生压缩变形而形成所需形状。触变锻造可以成形变形抗力较大的高固相分数的半固态材料，并能生产一般锻造难以达到的复杂形状零件，适合于高熔点金属的半固态成形。并且显著减少了工艺环节，降低了加工成本，耗能少、切削量小、材料的利用率高。(3) 触变轧制(Semi-Solid rolling) 半固态轧制的主要目的是生产高质量的板材。其方法可分为流变轧制和触变轧制。流变轧制是指将经搅拌的半固态浆料直接送入轧辊中进行轧制，而触变轧制是将预先制好的非枝晶锭料重新加热到半固态温度后，再送入轧辊中。与触变铸造和流变铸造相似，触变轧制的优点是坯料的生产和轧制可以独立进行；流变轧制省去了锭料的凝固和再加热过程，缩短了生产周期，减少了能耗，可以连续的生产板材。目前，半固态轧制存在的主要问题是当固相分数小于0.7时，因液-固相流动会引起组织不均匀。触变挤压(Thixo-extrusion) 触变挤压是将半固态金属坯料移入挤压模腔内，然后通过模具挤出成形。触变挤压的优点有：扩大了复杂件的成形范围，改善了产品的成形性，无锻压效应（无织构），Al、Mg轻质高强合金、MMC及钢等都可以挤压成形（如复杂的几何形状、薄壁构件等）。2.3半固态加工技术特点半固态金属(合金)的内部特征是固液相混合共存，在晶粒边界存在金属液体。半固态金属的金属和力学性能主要有以下几个特点。 (1) 由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。因此溶质元素的局部浓度不断变化； (2) 由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分。固相粒子间几乎没有结合力，因此，其宏观流动变形抗力很低； (3) 随着固相分数的降低，呈现黏性流体特性，在微小外力作用下即可很容易变形流动； (4) 当固相分数在极限值(约75)以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维等，如图2-2所示： 图2-2半固态金属和强化粒子的搅拌混合(5) 由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体化，特别是液相成分很活跃，不仅半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合，如图2-3所示： (6) 即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料，也可通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工；(7) 当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况。虽然施加外力的方法和当时的边界约束条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先行流动的倾向或可能性，如图2-4所示； 图2-3半固态金属的分离（a）结合（b）示意图 图2-4半固态金属变形时液相和固相成分的流动(8) 上述现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生，主要是在中间固相分数范围或低加工速度情况下显著。 2.4半固态坯料的制备半固态坯料制备方法可分两大类，液相法和固相法。2.4.1液相法 液相法又包括机械搅拌法、电磁搅拌法、喷射沉积法、斜坡冷却法、液相线凝固法和剪切-冷却-滚动法等几种方法。 （1）机械搅拌法 机械搅拌法是最早用于制备半固态金属浆料的方法。该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中的金属初晶的生长和演化，获得球状或近球状的初生固相的半固态金属浆料。该方法结构简单、造价低、操作方便。但金属浆料易受污染、产量小，适用于小规模实验室试验研究工作。 （2）电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦兹力的作用下产生激烈搅动，使传统凝固的枝晶组织转变为类球状的非枝晶初生固相,从而达到对金属液搅拌的目的。电磁搅拌方式生产半固态金属浆料不会卷入气体，金属浆料纯净，工艺参数控制方便灵活，与连续铸造技术相结合，可以生产“无限长”的坯料，其产量大，效率高，适用于工业化的规模生产。 （3）喷射沉积法 喷射沉积是20世纪70年代初由英国Swansea大学的A.R.E.Singer提出的，该技术是利用惰性气体将液态金属雾化，这些极细小的金属熔滴高速飞行，在尚未完全凝固前被喷射到激冷沉积板上，快速凝固成一定的几何形状。其晶粒组织较均匀，在小的晶粒尺寸在550um，大的在50150um。这种方法生产出的金属棒材可以直接加热到该金属的半固态区间进行触变成形。 （4）斜坡冷却法 该方法是日本学者Toshio haga,Shinsuke Suzuki在2001年提出的，是将金属液体通过坩锅倾倒在内部具有水冷装置的冷却板上，冷却到模具中获得半固态坯料。这种方法得到的半固态坯料固相分数在1020。固相分数的大小取决于金属熔体与冷却板接触的时间。接触时间越长，固相分数越高。接触时间的随冷却板的长度和倾斜角的减小而增加。 （5）液相线凝固法 东北大学崔建忠、路贵民、刘丹等人采用液相线法制备半固态坯料，其原理是：使熔体在保温包内缓慢冷至液相线温度+3，然后快速冷却。使其整个熔体在从保温包进人结晶器时，同时进人过冷状态，因而也同时成核，来不及长大，就被周围晶核阻止，以晶界连接而终止。这里关键是+3的过热度，结晶潜热如何散失。这和结晶器的结构和冷却强度以及坯料直径、坯料下移速度等有关。 （6）剪切-冷却-滚动法 制备装置是由一旋转的剪切、冷却滚筒，固定在支撑架上的弯曲模块和一个出料导板组成。滚筒和导板的间隙可调,温度亦可调。金属液由顶部进入滚筒与弯曲模板的间隙中，由旋转的滚筒所产生的，摩擦力将其卷入间隙内部，此时金属液冷却、凝固并出现树枝晶，但随即又被旋转滚筒和固定弯曲模板所产生的剪切力冲刷成细小颗粒分散在剩余中，最终成为具有非枝晶组织的半固态浆料，从下方的出料导板排出。该装置简单且操作维修方便,滚筒表面与金属液周期性接触，温度不会升得很高，可以降低滚筒材料的高温强度要求，滚筒和模板的冷却也较易实现，达到高的冷速可以使用空心滚筒。目前此法已经制备出铝合金半固态坯料,该工艺方法适合于大批量生产。 （7）其它方法 最近几年各国学者还开发一些制备半固态坯料的新方法，如双螺旋机械搅拌，不同合金成分的混合法等。2.4.2固相法 固相法包括粉末法和应变诱化法。 （1）粉末法 将金属粉末混合、压块、 加热使一种粉末熔化或多种粉末相互扩散形成的合金熔化得到固液混合金属浆料。该方法适用于金属基复合材料半固态坯料制备。 （2）应变诱化法 该技木是把常规铸锭经过20%左石的塑性变形或将挤压棒材镦粗后，加热到半固态，在加热过程中，首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散在液相基体中，得到SSM成形所需的原材料。该方法对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特的优越性，已成功地应用于不锈钢、工具钢、铜合金系列。也可通过等弯道角挤压进行大变形，然后加热到半固态区间进行触变成形，该方法适用于镁合金等易于氧化材料的半固态坯料制备。2.5半固态成形工艺的应用和发展半固态金属加工技术自20世纪70年代MIT的Flemings提出以来，其工业应用已取得了很大进展。近年来，半固态金属加工技术已经在制造业中发挥重要的作用。世界上有许多国家都已开始了半固态金属加工技术的研究和开发应用，目前，美国、意大利、瑞士、法国、日本等国家处于领先地位，并已进入工业应用阶段。目前半固态应用最成功和最广泛的是在铝合金的制备中。其原因不仅是因铝合金的熔点较低和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区的合金体系。为此成为人们首先深入研究的对象，至今为止，有关研究半固态成形的论文至少60都与铝合金有关。在铝合金工业中，包括A1Cu合金、ALSi合金、A1Pb合金和A1Nt合金等，特别值得一提的是半固态成形技术已开始应用于制备铝合金制品。3 本课题主要研究的内容3.1本课题主要研究内容：（1） 了解半固态加工技术，掌握半固态触变成形技术基本原理；（2） 研究不同坯料的成形加热温度、成形压力、成形速率对半固态组织的影响；（3） 制定出适用于2024铝合金半固态触变成形的最佳工艺参数。图3-1台阶型制件3.2本课题主要研究方法：（1） 查阅相关文献资料，了解掌握课堂相关基本原理；（2） 采用RAP法制备2024铝合金半固态坯料；（3） 进行一种模拟的半固态触变成形试验；（4） 在成形件去金相式样，将式样打磨、抛光、腐蚀后，进行微观组织观察；取拉伸试样进行T6热处理后，进行力学性能测试；（5） 分析不同的成形工艺参数对制件微观组织及力学性能的影响，从而制定出适用于2024铝合金半固态触变成形的最佳工艺参数。4、 实验进度安排（1） 第一阶段：开题 10月9日10月21日（2周），10月21日开题报告；（2） 第二阶段：试验工作阶段 10月24日12月9日（7周）；（3） 第三阶段：撰写毕业设计论文与准备答辩，12月12日12月23日；（4） 毕业答辩：12月28日12月30日。5、 预期目标本课题的研究目标锁定在：通过研究不同的坯料加热温度、成形压力、成型速率对半固态组织的影响，从而制定出适合于2024触变成形的最佳工艺参数。参考文献1. 刘静安, 谢水生.铝合金材料的应用与技术开发.冶金工业出版社, 2004 2. 谢水生, 黄生宏.半固态金属加工技术及其应用.冶金工业出版社, 1999 3. 吴秀铭.二十一世纪最有发展前景的现代加工新技术.有色金属工业.2000 4. Bahdapeb B.N等. 变形铝合金的细化处理.王永海等译. 冶金工业出版社, 19885. 康永林, 毛卫民等.金属材料半固态加工理论与技术.科学出版社, 20046. 杨晓婵, 半固态金属成形技术在国外的研究与应用. 矿冶. 20007. 祖丽君. SiCp/2024复合材料半固态触变成形研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.20018. 高志强, 王云华, 苏华钦.半固态合金触变铸造数值模拟方法的研究.特种铸造及有色合金.19979. 丁志勇.半固态AlSi7Mg合金触变成形的成形特性及数学模型的研究.北京有色金属研究总院博士学位论文.200210. 吴炳尧.半固态金属铸造工艺的研究现状及发展前景.铸造.199911. 姜巨福.新SIMA法制备AZ91D半固态坯及其触变模锻研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.200512. 路贵民, 董杰, 崔建忠.半固态浆料制备新技术液相线铸造.特种铸造及有色合金2001年中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会论文集.200113. 崔忠圻，刘北兴主编.金属学与热处理原理.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，200414. 毛卫民，赵爱民，钟雪友.半固态金属成形应用的新进展和前景张望.特种铸造及有色和金.199815. 谢建新等编著.材料加工新技术与新工艺.北京：冶金工业出版社.200416. 杨湘杰，郭洪民.非枝晶铝合金（A356）半固态感应加热模式及中国压铸、挤压压铸、半固态加工学术年会论文集，200117. 张莹，黎和昌.半固态金属成型技术的发展现状.江西科学.200418. 李明茂，杨斌，王智祥.半固态金属加工技术.铝合金.200419. 张奎，刘国军等.半固态金属制备原理与应用.稀有金属.19982024铝合金半固态触变成型研究 材料工程系孙文龙 第一章绪论 一 课题背景铝及其合金是有色金属中用途较广的轻金属之一 它具有密度小 重量轻 比强度高 塑性好 导电与导热性好且具有较好耐蚀性 随着近代机械制造工业如航空 航海 汽车工业的发展 石油化工 电信和原子能及空间技术等新型工业的崛起 铝合金的使用量在日益增加 因而在国民经济中占有重要的地位 半固态成形技术是一种很有前景的加工方法 可以降低成本 而且加工出高质量的产品 半固态成形可以消除铸造时产生的气孔和缩松等缺陷 降低锻造时所需的成形载荷 并且改善材料的填充性能 而且 该方法可以加工出形状复杂而机械性能接近锻件的产品 二 半固态成形技术原理及工艺特点铝合金的传统的加工方法一般为铸造方法和锻压方法 锻压能够保证零件的高强度 但是由于加工方法的限制 一般不能生产形状复杂的零件 特别是这种薄壁件 铸造可以生产形状复杂的零件 但力学性能较低 半固态加工方法是一种新型材料成形方法 这种方法是当合金坯料处于液态与固态共存时 对其施加压力使之在模具中成形的工艺方法 半固态成形技术加工温度低 与铸造相比 变形抗力小 与锻压相比 因此可以说 铸造的成形性与锻件的机械性能在半固态金属成形技术中实现了完美的统一 因此 铝合金的半固态成形已成为近些年金属材料成形研究的热点之一 三 半固态加工概念及工艺流程半固态金属加工是金属在凝固过程中 进行强烈搅拌或通过控制凝固条件 抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶 形成具有等轴 均匀 细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料 这种浆料在外力的作用下仍具有较好的流动性 可以利用压铸 挤压 模锻等常规工艺进行加工成形 也可以用其他特殊的加工方法成形为零件 这种既非完全液态 又非完全固态的金属浆料加工成形的方法 称为半固态金属加工技术 简称SSM 其工艺路线有两条 一条是将搅拌获得的半固态浆料在保持半固态温度条件下直接成形 通常被称为流变铸造 另一条是将半固态浆料制备成坯料 根据产品尺寸下料 再重新加热到半固态温度成形 通常被称为触变成形 图1 1半固态金属加工的两种工艺流程 流变成形又称流变铸造是将经过搅拌等特殊工艺获得的半固态浆料直接进行半固态成形 由于半固态金属浆料的保存和传输很不方便 因而这种成形方法投入实际使用的较少 但流变成形工艺流程短 设备简单 节省能源 仍然是未来金属半固态成形的一个重要发展方向 与普通铸造相比 流变铸造有许多优点 晶粒细小 偏析减少 结构分布均匀 减小了收缩 微缩孔和裂纹 改善了铸件的机械性能 触变成形是将经搅拌等特殊工艺获得的半固态坯料冷却凝固后 按照所需要的尺寸下料 再重新加热至半固态温度 然后放入模具型腔中进行成形的方法 由于在触变成形时 半固态金属坯料的加热 传输很方便 成形过程容易控制 便于实现自动化的生产 因此 此方法在实际生产中应用比较广泛 第二章再结晶与重熔法制备坯料 一 再结晶与重熔法本试验中采用再结晶与重熔法 RecrystallizationandPartlyremelting 简称RAP 制备半固态浆料 再结晶与重熔法的工艺要点是 首先将坯料在再结晶温度以下范围内进行大变形量的热变形加工处理 在坯料的组织中储存部分变形能量 然后待坯料冷却后 将其加热到半固态温度进行保温 坯料内部发生再结晶 再结晶晶粒的长大和球化从而获得具有触变性的球晶组织的半固态坯料 RAP法是半固态坯料制备技术的一种 是适用于变形铝合金半固态触变成形的最经济有效的坯料制备技术 二 制备过程将挤压棒料加工成直径 40mm的圆柱形坯料 然后对坯料进行热处理 以提高其塑形变形能力 防止镦粗后坯料产生开裂 热处理完成之后将油脂石墨涂在坯料两端作为润滑剂 在室温下镦粗 使之镦粗后高度为48mm 镦粗所用设备为100t液压式万能试验机 将墩粗后的棒料放入模具中 使之成为阶梯状 并在阶梯状试件的不同位置取试样 半固态模锻过程中重要的工艺参数包括二次加热的条件 即加热温度 保温时间 加热速度等 模具的温度 润滑条件 加载速度 保压时间等 图2 1成形模具总装示意图 图2 2阶梯状试件 图2 3试样取样位置 三 试样的处理1 试样的打磨和抛光经重熔后的试样 分别由280 300 500 600 800 砂纸打磨 然后经抛光机抛光 2 试样的腐蚀处理实验室自配腐蚀铝合金三酸溶液20ml 配制腐蚀液所需要的各种酸的量分别为 HF 20 1 10 0 5ml 图2 4P 1开型金相试样抛光机 HCl 20 1 5 37 0 81mlHNO3 20 2 5 65 0 77mlH2O 20 0 77 0 81 0 5 17 92ml将抛光后的试样 用自配的腐蚀液作腐蚀处理 腐蚀时间在13 15秒 四 观察金相组织将经过打磨 抛光 腐蚀后的试样 在金相显微镜下观察其显微组织 图2 5金相显微镜 五 实验中存在的困难与问题1 在打磨时会出现明显的划痕解决方法 打磨过程中将试件旋转90度 是打磨痕迹交错 可是划痕明显减少2 抛光时试件容易被打飞解决方法 将试件的四条棱打磨出一定角度的倒角 可有效防止试件在抛光过程中被打飞3 腐蚀试件后观察不到金相组织解决方法 腐蚀时先腐蚀较短时间 观察是否有较为清晰的金相组织 如没有可在轻微腐蚀 直至可以观察为止 但总腐蚀时间不宜太长 太长会破坏金属结晶无法有效观察 第三章实验结果与分析 一 不同试件相同位置的实验及分析本次实验共分三组 根据不同的实验条件和工艺参数 来观察试样的金相组织的的变化 并根据金相组织的不同分析出最合理的工艺参数 第一组实验参数如右表 表3 1底部厚度为5mm 突起高度不同 1 12 13 14 15 试件相同部分的金像照片如图 图3 11 试件金相图 图3 212 试件金相图 图3 313 试样金相图 图3 414 试样金相图 图3 515 试样金相图 通过比较 我们不难发现在底部厚度为5mm 温度615 比压120MPa 速度15mm s的相同条件下 从试件的金相组织照片可以发现 凸起高度低的 晶粒细小 空洞少 凸起高度高的 晶粒大 空洞多 这说明在其他条件相同时 试件的高度越低其金属性能和半固态性能越好 第2组实验数据如下表 表3 2突起高度为30mm 底部厚度不同 2 3 4 8 试样相同部分的金相图如下图 图3 62 试样金相图 图3 73 试样金相图 图3 84 试件金相图 图3 98 试件金相图 通过比较 我们不难发现在突起高度为30mm 温度651 比压120MPa 速度15mm s的相同条件下 试件的底部厚度越高试件的晶粒越小 空洞少 这说明在其他条件相同时 试件的底部厚度越厚其金属性能和半固态性能越好 第3组实验实验数据图下表 表3 3底部厚度和凸起高度均相同 压力相同 成形速度不同 8 11 试件相同部分的金相图如下图 图3 108 试件金相图 图3 1111 试件金相图 通过比较 我们不难发现在底部厚度为7mm 突起高度为30mm 温度651 比压120MPa的相同条件下 试件的成形速度越慢试件的金相组织越明显 其固相和液相越均匀 这说明在其他条件相同时 试件的成形速度越厚慢其金属性能和半固态性能越好 二 相同试件不同位置的实验及分析现以15 试样为例 观察和分析在实验参数相同的情况下同一试件不同位置的金相组织情况 15 试件的不同位置的金相图如下图 表3 415 试样的实验参数 图3 1215 试件左侧顶部金相图 图3 1315 试件左侧中上部金相图 图3 1415 试件左侧中下部金相图 图3 1515 试件左侧底部金相图 图3 1615 试件右侧金相图 通过观察后 位置 处晶粒球化程度最好 位置 处居中 位置 处晶粒球化程度最差 位置 处晶粒呈近球状 固相没有发生明显的塑性变形 固相基本保持着重熔后的晶粒形态 而位置 处局部晶粒被拉长 说明模锻过程中固相发生了明显的塑性变形 制件在位置 处的局部尺寸比位置 处的小 故坯料较位置 处先接触模具型腔 冷却速度也较其快一些 所以固相率升高较 处快 所以固相塑性变形机制较早的显现出来 并且其晶粒的球化程度没有 处的好 位置 处的晶粒尺寸有波动 各处晶粒大小不均匀 造成这种情况的原因可能是 各处固 液相分布不均匀 成形过程受中的力不均匀以及液相凝固的不均匀 谢谢诸位老师 敬请批评指正 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）摘 要铝及其合金是有色金属中用途较广的轻金属之一，具有高的比强度、比刚度、塑性好、导电与导热性好、且具有较好耐蚀性，是制造航天和航空装备的理想材料。近些年来，由于军工和民用工业现代化和轻量化的需要以及铝合金自身的特点，以铝代钢的要求日益迫切，铝合金已成了各个工业部门机械零件必不可少的材料，有关其成形的新工艺也不断出现，金属的半固态触变成形工艺就是其中之一。半固态触变成形可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形为零件，因此该工艺是一种具有潜在应用前景的新型金属加工工艺。2024铝合金为硬铝中的典型合金，其成分比较合理，综合性能较好，是硬铝中用量最大。本文以2024 铝合金为研究对象，通过再结晶与重熔法（RAP法）制造半固态坯料，研究不同的坯料加热温度、成形压力、成形速率对半固态组织的影响，制定出适用于2024铝合金半固态触变成形的最佳工艺参数，为2024铝合金的触变成形研究提供参考和依据。 在前期工作中，应用应变诱导法制备2024铝合金半固态坯料；第二阶段用模具使制备好的半固态坯料成形，在成型部件上的不同位置选取试样并进行初步的处理；第三阶段对处理好的试样进行观察和分析，最后选出对于2024铝合金最适宜的触变成型条件。 关键词铝合金；半固态；触变成形AbstractAluminum and aluminum alloy non-ferrous metal widely used in one of the light metals, high specific strength and specific stiffness, good ductility, good electrical and thermal conductivity, and has good corrosion resistance, is the manufacture of aerospace and aviation equipment ideal material. In recent years, as a result of military and civilian industrial modernization and lightweight aluminum alloy needs and its own characteristics, in order to aluminum steel requirements of increasingly urgent, aluminum alloy has become various industries machinery parts essential material, relating to its new forming process also appears ceaselessly, metal semi-solid forming is one of them. The semi-solid die casting, extrusion, forging can use conventional technology for processing, can also use other special processing method for forming parts, so the process is a kind of new potential of metal processing technology. 2024 aluminum alloy for aluminum in the typical alloy, its composition is more reasonable, better overall performance, is widely used in aluminum alloy. Article 2024 in aluminum alloy as the research object, through the strain induced method ( RAP method) manufacturing semi solid billets, on different blank heating temperature, forming pressure, forming rate in semi solid tissue effects, develop suitable for 2024 aluminum alloy semi solid thixotropic forming optimum technological parameters, 2024 aluminum alloy thixotropic forming research provide the reference and basis. In previous work, the applied strain induced crystallization of 2024 aluminum alloy in semi solid blank; second stage with the mold so that the prepared semi-solid blank forming, in forming part of a different position on the sample selection and initial processing; third stage of processing good specimens were observed and analyzed, finally selected for 2024 aluminum alloy the most suitable thixotropic forming conditions.Key words aluminum alloy；semi-solid；thixoforming目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 半固态加工技术11.2.1 半固态成形技术的原理和工艺特点11.2.2 半固态加工的概念及主要工艺过程31.2.3 半固态加工技术特点71.2.4 半固态坯料的制备81.2.5 半固态模锻121.3半固态成形工艺的应用和发展131.3.1 半固态成形工艺在国外的应用与发展131.3.2 半固态成形工艺在国内的应用与发展141.3.3 半固态技术发展前景151.4 本课题主要研究的目的及内容17第2章 再结晶与重熔法制备2024铝合金半固态坯料182.1 再结晶与重熔法182.2 试验材料182.3 制备过程192.4 试样的处理212.4.1式样的打磨、抛光212.4.2 试样的腐蚀处理222.4.3 观察金相组织232.4.4 实验中存在的困难与问题232.5 本章小结24第3章 实验结果与分析253.1 不同试件相同位置的实验及分析253.2 相同试件不同位置的实验及分析323.3 本章小结36结 论37致 谢38参考文献39 39哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）第1章 绪论 1.1 课题背景 铝及其合金是有色金属中用途较广的轻金属之一。它具有密度小、重量轻、比强度高、塑性好、导电与导热性好且具有较好耐蚀性。随着近代机械制造工业如航空、航海、汽车工业的发展，石油化工、电信和原子能及空间技术等新型工业的崛起，铝合金的使用量在日益增加，因而在国民经济中占有重要的地位。 近年来，随着航空航天，交通运输业以及超导技术等的迅速发展，航天器，武器和轿车等对轻量化的要求越来越高。在这种背景下，轻质材料铝合金结构件被越来越广泛的使用以替换之前的钢质零件1。比如在宇航工业中，液氮燃料贮箱的主要材料就是铝合金；为了提高汽车的舒适性和安全性，汽车上增加了越来越多的辅助装置，这就需要汽车的轻量化来补偿这些装置增加的质量，像宝马以及日本产的一些汽车的悬架系统就改用了许多铝质锻件。铁道车辆方面，随着大型挤压铝材技术的发展，以及焊接技术的逐渐完善，铝合金在客车车体、货车和转向架上的应用已经得到了越来越多的应用，如德国的一种规格的动车组的制动盘采用铝合金以后，比常规材料的制动盘的重量减轻了一半左右，对于整车而言，能够节省很大的能量，同时可以减轻磨损。自从20世纪初作为飞机主体的结构材料开始使用，铝合金在战斗机、客机等各类机型中都得到了大量的应用。半固态成形技术是一种很有前景的加工方法，可以降低成本，而且加工出高质量的产品。半固态成形可以消除铸造时产生的气孔和缩松等缺陷，降低锻造时所需的成形载荷，并且改善材料的填充性能。而且，该方法可以加工出形状复杂而机械性能接近锻件的产品。 1.2 半固态加工技术 1.2.1 半固态成形技术的原理和工艺特点铝合金的传统的加工方法一般为铸造方法和锻压方法。锻压能够保证零件的高强度，但是由于加工方法的限制，一般不能生产形状复杂的零件，特别是这种薄壁件；铸造可以生产形状复杂的零件，但力学性能较低。目前该零件的生产方式尚为传统的锻坯-机械加工的生产方式，但由于机械加工生产复杂零件时材料利用率不高（只有10），产品质量不够好，生产效率低，生产成本高等缺点，因此该种工艺也不能满足现在大批量、低成本的生产要求；为了保证在高质量的前提下经济地生产出该零件，需要寻找新的生产工艺来生产。半固态加工方法是一种新型材料成形方法，这种方法是当合金坯料处于液态与固态共存时，对其施加压力使之在模具中成形的工艺方法。半固态成形技术加工温度低（与铸造相比），变形抗力小（与锻压相比），因此可以说，铸造的成形性与锻件的机械性能在半固态金属成形技术中实现了完美的统一。因此，铝合金的半固态成形已成为近些年金属材料成形研究的热点之一。在常规的铸造技术中，熔融状态的金属被注入模具并凝固，同时热量通过模具传递。枝晶结构容易导致许多缺陷，例如氧化，缩孔，以及机械性能较差。一直以来研究人员都在努力寻找改进枝晶凝固的方法，终于在上个世纪七十年代，麻省理工学院的研究人员发现了一种新方法，用该方法得到的球状晶体比枝晶的性能更好。半固态成形（SSM）是介于液态成形和固态成形之间的一种成形工艺，是指利用金属在固态和液态之间转换的过程中具有的半固态特性而实现的加工，具体说来，主要方法是在金属凝固过程中，用剧烈的扰动或搅拌等方法，改变初生固相的形核与长大的过程，得到液态金属母液中均匀地悬浮着等轴、细小的球状初生固相的固液混合浆料，随后用这种浆料进行成形加工。这种方法结合了铸造和锻造，具有自己独特的优势。与传统的热加工方法相比，加工温度较低，充型时金属不易发生喷溅，使裹气等缺陷的发生几率得到减小，进而提高了制件的致密性。与锻造相比，成形过程中制件的变形抗力比较小，比较容易加工形状比较复杂而且性能要求高的零件，减少后续的机加工。非枝晶球状结构的坯料是在金属熔液结晶的过程中形成的。结晶开始时，主要是快速形核并长大，温度下降的过程中，伴随搅拌等处理方式的作用，枝晶臂断下并形成更多晶粒，结构也逐渐演化成球形。熔融金属在糊状时受剪应力的作用，晶体形状由枝晶变成球状结构。有许多机制被用于解释这种结构的变化，根据Fleming等人的研究，球化机制可能与枝晶臂根部断裂机制，枝晶根部熔断机制，以及枝晶弯曲机制有关。其中，Vogel认为，在剪应力的作用下，枝晶臂弯曲并且破碎以降低其表面能。而在另一种机制中，Hellawel认为在剪应力的作用下，枝晶根部熔化并变为球状。1.2.1.1 枝晶球化机制 球状初生组织主要通过搅动、强制对流、热处理加变形、控制凝固等途径得到。初生球状组织的形成是异常复杂的，涉及到组织表征、熔体过冷、强迫对流等等许多复杂的凝固行为和流变特性。尽管不少研究者对其进行了大量的研究，但是人们对半固态组织的形成机理问题仍然存在众多分歧，目前尚未形成统一和确定的理论。研究人员基于不同的试验条件或制备工艺，获得了一些研究结果，试图说明或解释初生球状组织在搅拌过程中的转变机制的假说主要有以下几种：(1)枝晶臂折断破碎机制(2)正常熟化引起的枝晶根部熔断(3)溶质扩散引起的枝晶根部重熔(4)枝晶臂塑性弯曲和晶界浸润熔断机制(5)高剪切速率下的球状晶形成机制(6)重结晶机制(7)瞬态形核理论由此可见,对半固态坯料球状组织形成机制及初生相形貌与工艺条件之间关系的研究远远滞后于半固态加工技术发展的需要。目前,对于球状组织的形成机制还处于探讨阶段,所提出的机制也仅限于解释由熔体冷却至半固态过程,且集中在搅拌作用下球状组织的形成规律。 1.2.2 半固态加工的概念及主要工艺过程 半固态金属加工是金属在凝固过程中，进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，形成具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料，这种浆料在外力的作用下，即便固相率达到60%仍具有较好的流动性。可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形为零件。这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为半固态金属加工技术，简称SSM。半固态加工的主要成形手段有压铸和锻造，此外也有人试验用挤压和轧制等方法。其工艺路线主要有两条：一条是将搅拌获得的半固态浆料在保持其半固态温度的条件下直接成形，通常被称为流变铸造（Rheo-casting）；另一条是将半固态浆料制备成坯料，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度成形，通常被称为触变成形（Thixoforming），如图1-1所示。对触变成形，由于半固态坯料便于输送，易于实现自动化，因而在工业中较早得到了广泛应用。对于流变铸造，由于将搅拌后的半固态浆料直接成形，具有高效、节能、短流程的特点，近年来发展很快。图1-1 半固态金属加工的两种工艺流程 1.2.2.1 流变成形（Rheocasting） 流变成形又称流变铸（Rheocasting）是将经过搅拌等特殊工艺获得的半固态浆料直接进行半固态成形。由于半固态金属浆料的保存和传输很不方便，因而这种成形方法投入实际使用的较少，但流变成形工艺流程短、设备简单、节省能源，仍然是未来金属半固态成形的一个重要发展方向。与普通铸造相比，流变铸造有许多优点：晶粒细小、偏析减少、结构分布均匀、减小了收缩、微缩孔和裂纹、改善了铸件的机械性能。日本学者最近在此方向进行了有益的探索，该工艺的半固态金属浆料是利用电磁搅拌直接在射室中制备，然后将其挤入模具型腔成形，Al-7%Si-0.3%Mg半固态成形件的性能比液态挤压铸件的性能高，而与半固态金属触变成形件的性能相当。图1-2 流变铸造法工艺过程示意图 机械搅拌是实现流变铸造的简单有效方法，但有其不足之处，如在剪切速率低的死区中，悬浮液粘度大，容易得到粗大的晶粒而使结构不均匀；另外，作为搅拌器的金属直接接触半固态金属，会使其受到污染，如果采用电磁搅拌技术则可以避开这些缺点。Winter等设计了能生产直径从38mm到152mm铝合金锭的电磁流变铸造系统，由一个两极多相的电机定子在半固态金属中生产旋转磁场实现搅拌的目的。电磁搅拌器直接安装在普通连铸的模子上，得到平均晶粒直径为30m数量级的铝合金铸锭。对于铸速大于2m/min，当铸锭的断面尺寸较大时，细化效果也不是很明显。 1.2.2.2 触变成形（Thixoforming） 触变成形是将经搅拌等特殊工艺获得的半固态坯料冷却凝固后，按照所需要的尺寸下料，再重新加热至半固态温度，然后放入模具型腔中进行成形的方法。由于在触变成形时，半固态金属坯料的加热、传输很方便，成形过程容易控制，便于实现自动化的生产。因此，此方法在实际生产中应用比较广泛。半固态金属的触变成形可以分为几种：一是触变铸造(Thixoforming)，其成形设备是压力机；二是触变锻造(Thixoforging),其成形设备是压力机；三是触变轧制，其成形设备是轧机；四是触变挤压，其成形设备是挤压机。以上成形方法的前两种工艺是目前实际生产中已经成熟的工艺，而后两种工艺尚不成熟。(1) 触变铸造(Thixocasting) 触变铸造是指把经在固-液温度间搅拌的金属先制成非枝晶锭料，然后根据所作零件的大小截成小的坯料，再将坯料重新加热到半固态温度后压入模具的方法。用该方法可以将非枝晶锭料的制备和成形完全分开，便于组织生产，而且容易实现自动化操作，因而触变铸造是目前半固态成形技术中应用最多的方法。图1-3 EFU公司触变铸造设备示意图(2) 触变锻造(Thixoforging) 触变锻造和触变铸造相似，不同之处在于：触变铸造是将半固态坯料由压力机的压头压入已合型的模具中，触变锻造是将半固态金属先置于一半开型的模具中，另一半模具有压力机带动完成合型，坯料主要发生压缩变形而形成所需形状。触变锻造可以成形变形抗力较大的高固相分数的半固态材料，并能生产一般锻造难以达到的复杂形状零件，适合于高熔点金属的半固态成形。并且显著减少了工艺环节，降低了加工成本，耗能少、切削量小、材料的利用率高。(3) 触变轧制(Semi-Solid rolling) 半固态轧制的主要目的是生产高质量的板材。其方法可分为流变轧制和触变轧制。流变轧制是指将经搅拌的半固态浆料直接送入轧辊中进行轧制，而触变轧制是将预先制好的非枝晶锭料重新加热到半固态温度后，再送入轧辊中。与触变铸造和流变铸造相似，触变轧制的优点是坯料的生产和轧制可以独立进行；流变轧制省去了锭料的凝固和再加热过程，缩短了生产周期，减少了能耗，可以连续的生产板材。目前，半固态轧制存在的主要问题是当固相分数小于0.7时，因液-固相流动会引起组织不均匀。(4) 触变挤压(Thixo-extrusion) 触变挤压是将半固态金属坯料移入挤压模腔内，然后通过模具挤出成形。触变挤压的优点有：扩大了复杂件的成形范围，改善了产品的成形性，无锻压效应（无织构），Al、Mg轻质高强合金、MMC及钢等都可以挤压成形（如复杂的几何形状、薄壁构件等）。 1.2.3 半固态加工技术特点半固态金属(合金)的内部特征是固液相混合共存，在晶粒边界存在金属液体。半固态金属的金属和力学性能主要有以下几个特点。 (1) 由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。因此溶质元素的局部浓度不断变化； (2) 由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分。固相粒子间几乎没有结合力，因此，其宏观流动变形抗力很低； (3) 随着固相分数的降低，呈现黏性流体特性，在微小外力作用下即可很容易变形流动； (4) 当固相分数在极限值(约75)以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维等，如图1-4所示： 图1-4半固态金属和强化粒子的搅拌混合(5) 由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体化，特别是液相成分很活跃，不仅半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合，如图1-5所示： (6) 即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料，也可通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工；(7) 当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况。虽然施加外力的方法和当时的边界约束条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先行流动的倾向或可能性，如图1-6所示； 图1-5半固态金属的分离（a）结合（b）示意图 图1-6半固态金属变形时液相和固相 成分的流动(8) 上述现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生，主要是在中间固相分数范围或低加工速度情况下显著。 1.2.4 半固态坯料的制备半固态坯料制备方法可分两大类，液相法和固相法。 1.2.4.1 液相法 液相法又包括机械搅拌法、电磁搅拌法、喷射沉积法、斜坡冷却法、液相线凝固法和剪切-冷却-滚动法等几种方法。(1) 机械搅拌法 机械搅拌法是最早用于制备半固态金属浆料的方法。该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中的金属初晶的生长和演化，获得球状或近球状的初生固相的半固态金属浆料。该方法结构简单、造价低、操作方便。但金属浆料易受污染、产量小，适用于小规模实验室试验研究工作。图1-7 机械搅拌基本原理示意图a) 低注式 b) 倾转式 c) 棒式 d) 螺旋式图1-8 间歇式与连续式机械搅拌示意图作为机械搅拌的特例,剪切冷却轧制技术(SCR)可以在高冷却速度条件下制备高固相率的半固态金属浆料。其示意图见图1-9。对于常规机械或电磁搅拌技术,在固相率很高时,由于浆料粘度激增,将会导致流动性下降以致于连续排出困难。剪断冷却辊装置的回转辊可以将高固相率的半固态金属浆料强制排出,而且辊子转速与浆料排出速度成正比;在水冷辊的冷却作用下,可获得微细结构的半固态金属。 a)整体式SCR半固态薄带材生产技术 b)分体式SCR半固态薄带材生产技术图1-9 SCR半固态薄带材生产技术(2) 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦兹力的作用下产生激烈搅动，使传统凝固的枝晶组织转变为类球状的非枝晶初生固相,从而达到对金属液搅拌的目的。电磁搅拌方式生产半固态金属浆料不会卷入气体，金属浆料纯净，工艺参数控制方便灵活，与连续铸造技术相结合，可以生产“无限长”的坯料，其产量大，效率高，适用于工业化的规模生产。a) 垂直式 b) 水平式图1-10 电磁搅拌示意图 (3) 喷射沉积法 喷射沉积是20世纪70年代初由英国Swansea大学的A.R.E.Singer提出的，该技术是利用惰性气体将液态金属雾化，这些极细小的金属熔滴高速飞行，在尚未完全凝固前被喷射到激冷沉积板上，快速凝固成一定的几何形状。其晶粒组织较均匀，在小的晶粒尺寸在550um，大的在50150um。这种方法生产出的金属棒材可以直接加热到该金属的半固态区间进行触变成形。(4) 斜坡冷却法 该方法是日本学者Toshio haga,Shinsuke Suzuki在2001年提出的，是将金属液体通过坩锅倾倒在内部具有水冷装置的冷却板上，冷却到模具中获得半固态坯料。这种方法得到的半固态坯料固相分数在1020。固相分数的大小取决于金属熔体与冷却板接触的时间。接触时间越长，固相分数越高。接触时间的随冷却板的长度和倾斜角的减小而增加。(5) 液相线凝固法 东北大学崔建忠、路贵民、刘丹等人采用液相线法制备半固态坯料，其原理是：使熔体在保温包内缓慢冷至液相线温度+3，然后快速冷却。使其整个熔体在从保温包进人结晶器时，同时进人过冷状态，因而也同时成核，来不及长大，就被周围晶核阻止，以晶界连接而终止。这里关键是+3的过热度，结晶潜热如何散失。这和结晶器的结构和冷却强度以及坯料直径、坯料下移速度等有关。(6) 剪切-冷却-滚动法 制备装置是由一旋转的剪切、冷却滚筒，固定在支撑架上的弯曲模块和一个出料导板组成。滚筒和导板的间隙可调,温度亦可调。金属液由顶部进入滚筒与弯曲模板的间隙中，由旋转的滚筒所产生的，摩擦力将其卷入间隙内部，此时金属液冷却、凝固并出现树枝晶，但随即又被旋转滚筒和固定弯曲模板所产生的剪切力冲刷成细小颗粒分散在剩余中，最终成为具有非枝晶组织的半固态浆料，从下方的出料导板排出。该装置简单且操作维修方便,滚筒表面与金属液周期性接触，温度不会升得很高，可以降低滚筒材料的高温强度要求，滚筒和模板的冷却也较易实现，达到高的冷速可以使用空心滚筒。目前此法已经制备出铝合金半固态坯料,该工艺方法适合于大批量生产。(7) 其它方法 最近几年各国学者还开发一些制备半固态坯料的新方法，如双螺旋机械搅拌，不同合金成分的混合法等。 1.2.4.2固相法 固相法包括粉末法和应变诱化法。(1) 粉末法 将金属粉末混合、压块、 加热使一种粉末熔化或多种粉末相互扩散形成的合金熔化得到固液混合金属浆料。该方法适用于金属基复合材料半固态坯料制备。(2) 应变诱化法 该技木是把常规铸锭经过20%左石的塑性变形或将挤压棒材镦粗后，加热到半固态，在加热过程中，首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散在液相基体中，得到SSM成形所需的原材料。该方法对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特的优越性，已成功地应用于不锈钢、工具钢、铜合金系列。也可通过等弯道角挤压进行大变形，然后加热到半固态区间进行触变成形，该方法适用于镁合金等易于氧化材料的半固态坯料制备。 1.2.5 半固态模锻半固态模锻是指将既非全呈液态，又非全呈固态的固态-液态金属混合浆料进行模锻成形的一种工艺方法，就是将坯料加热到有50%左右体积液相的半固状态的材料，然后在已预热的模具型腔内进行加压成形，获得所需的接近成品尺寸零件的最经济的工艺。与传统塑性加工工艺相比，半固态金属屈服强度相当低，且流动性极好，可在相对较小的成形压力作用下充填模具型腔，从而达到制件的最终形状，且其表面粗糙度较小，并可一次成型具有复杂形状的制件。半固态模锻成形工艺是一种高效、低耗的新兴金属加工工艺。 1.3半固态成形工艺的应用和发展半固态金属加工技术自20世纪70年代MIT的Flemings提出以来，其工业应用已取得了很大进展。近年来，半固态金属加工技术已经在制造业中发挥重要的作用。世界上有许多国家都已开始了半固态金属加工技术的研究和开发应用，目前，美国、意大利、瑞士、法国、日本等国家处于领先地位，并已进入工业应用阶段。目前半固态应用最成功和最广泛的是在铝合金的制备中。其原因不仅是因铝合金的熔点较低和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区的合金体系。为此成为人们首先深入研究的对象，至今为止，有关研究半固态成形的论文至少60都与铝合金有关。在铝合金工业中，包括A1Cu合金、ALSi合金、A1Pb合金和A1Nt合金等，特别值得一提的是半固态成形技术已开始应用于制备铝合金制品。 1.3.1 半固态成形工艺在国外的应用与发展在美国，Alumax公司的Engineered Metal Process分部率先将此技术转化为生产力。1978年，该公司使用电磁搅拌技术生产出供触变成形用的圆锭，并建成了世界上第一条高度自动化的生产线，用于生产汽车零部件。1985年，Alumax公司将有关触变成形的专利技术向欧洲转让，生产Volvo、BMW和Audi等小轿车的铝合金零件。从1988年到1998年，Alumax公司为Bendix牌小轿车生产了200万件铝合金主汽缸，为福特汽车公司生产了1500万件铝合金压缩机活塞，其成品率几乎为100%。1992年，Alumax公司与Superior工业公司合资新建了一家工厂，采用半固态触变成形工艺生产大尺寸汽车零件。1997年其生产能力达到230吨/年，零件可达250万件/年。在欧洲，意大利是最早将半固态金属加工技术商业化的国家之一。意大利的Stampal公司是一家从事铝合金触变成形的欧洲厂商，能生产直径为90mm至110mm、长度可达4000mm的圆锭坯。它采用该技术为福特汽车公司生产Zeta发动机油料注射挡块、齿轮箱盖和摇臂等零件。瑞士的Buhler公司于1993年初设计制造了第一台SC卧式半固态压铸机，其典型产品是汽车主制动缸。另外，瑞士的Alusuisse公司和几个欧洲汽车制造商合作开发生产汽车零件，19971998年开始全面投产，产品主要是汽车悬挂系统，如控制臂和操纵转向节。法国Pechiney公司是主要生产坯的厂商，目前能生产直径为76.2mm、127mm、152.4mm的A356和6061系列铝合金棒料。英国Sheffield大学的Kapranos等在1000KN压力机上进行半固态模锻成形，成功地制出尺寸精度极高的6061铝合金锻件和M2工具钢齿轮等零件。德国从1996年开始，由德国研究协会资助，在亚琛工业大学加紧进行全面系统的基础研究和工业开发。日本于80年代后期成立了一家由18个成员组成的Rheotech公司，其成员包括三菱重工、神户制钢、川崎制铁、古河电器等14家钢铁企业和4家有色金属公司。该公司对半固态金属加工技术进行系统的研究，同时加强与欧美著名大学和公司联系。1988年3月至1994年6月期间共投资30亿日元进行研究开发，并正向工业应用转化。 1.3.2 半固态成形工艺在国内的应用与发展 我国从20世纪80年代后期开始，在国家自然科学基金和“863”等计划的支持下，先后有不少高校和科研单位开展了这方面的研究，如东南大学、北京有色金属研究总院、北京科技大学、哈尔滨工业大学、东北大学、清华大学、沈阳金属研究所、南昌大学、重庆大学等单位，在半固态加工成形技术的基础理论研究方面，取得了可喜进展，并自行设计和开发了不同类型的试验设备，如自行设计建成了100 t/a铝合金半固态材料生产试验线，研制成功6工位中频感应二次加热设备。他们在半固态连续流变铸造，半固态金属基复合材料，以及一些高熔点合金的半固态加工方面都取得了阶段性的成功。对半固态金属材料组织和性能的研究是一个研究重点，许多学者对不同工艺条件对制件组织和性能的影响规律进行了大量的研究。如华中科技大学的吴树森等在超声振动条件对铝合金半固态组织和制件性能的影响进行了规律的研究；北京科技大学的杨柳青等将AZ91D镁合金作为试验材料，通过把锥桶形流变成形和高压压铸相结合的方法来完成流变成形，并在试验过程中改变零件的工艺参数进行比较。研究并讨论了流变成形过程中显微结构的演变以及半固态浆料的凝固行为。研究发现，与传统的压铸工艺相比，流变压铸工艺提高了零件的拉伸性能，特别是将拉伸率提高了80%。可用于半固态成形的合金的开发一直都受到很多人的关注，东北大学的管仁国等采用连续半固态挤压成形的一种新技术来加工AZ31镁合金结构材料，研究了不同工艺参数下AZ31镁合金的组织结构。研究发现，在合适的工艺参数下，可以获得具有光滑的表面并且晶粒结构一致呈带状均匀分布的的AZ31镁合金制件。在热处理之后零件的平均强度可以达到270MPa，延伸率为16%。在数值模拟方面，不断有人尝试用新的模型或方法来模拟成形过程，以期预知成形过程，得到最优工艺参数。闫观海等人研究用HPb59-1合金采用半固态压铸的方法加工用于空调的四道阀零件，并且用Flow-3D软件模拟了半固态压铸成形过程。通过模拟得到了合适的坯料温度、加载速度以及模具的预热温度。模拟结果显示坯料可以很顺利并且完整地填充模具型腔，表面缺陷很小，温度场和应力场均匀，并且制件的质量符合要求。 1.3.3 半固态技术发展前景基于我国半固态技术研究和应用的发展现状，我们需要从以下几个方面对半固态金属加工技术做更加深入的研究：加强半固态成形技术的基础研究和开发，寻求技术创新；降低半固态坯料制备时的成本；扩大半固态成形技术的应用范围；为半固态技术开发合适的合金体系；加强适用于半固态工艺的设备的专业实际和加工制造；发展学术交流，加强高校，研究院和制造企业之间的联系，以共同推动半固态技术的应用。在工业应用方面，虽然半固态技术已经成功地用于加工一些结构复杂的零件，一些研究者也致力于新型合金及工艺的研究，但是需要更多努力研究来满足工业应用的需要。这包括以下几个方面：（1）研究更多可应用的合金实际的工业应用对合金有各种不同的要求，有的需要高强度，有的需要高热能，很强的抗疲劳强度，抗腐蚀能力，抗磨损能力。这些都需要不同的合金体系来满足工业应用的需要。（2）加强高熔点合金的研究和应用一直以来，研究者对半固态工艺的研究重心都在熔点相对较低的合金，如铝合金、镁合金等。虽然在高熔点合金的研究方面取得了一些成绩，但是需要更深入地研究铸铁、钢和镍基复合材料等材料体系。这些材料比铝合金及镁合金的密度大，因而与轻合金相比，可以节省更多的零件重量，节约更多的燃料，也可以通过半固态工艺来改进质量和性能，进而提高零件寿命。（3）复杂结构的零件的研究对于一些具有复杂结构的零件，如发动机的汽缸盖，使用铸造方法难以满足性能要求，而使用机械加工锻件的方法在效率和成本方面难以满足要求。因此，半固态技术在加工复杂形状零件方面有很大的潜力。合金在半固态时剪切强度低而耐压强度相对较高，这样当浇注系统和模具结构设计合适的时候就可以加工结构复杂的零件。（4）降低现有半固态制件的成本用半固态工艺加工的零件比锻造工艺加工的零件成本要低，但是由于机械加工原材料，工艺成本较高等原因，半固态工艺加工零件的成本要比铸造工艺的高。因此，需要进行更多的努力来降低用于坯料加工和浇注系统等方面的支出。 任何一个新技术的出现都有它的优越性,也不可避免地存在局限性,半固态金属加工技术也不例外,具体到半固态触变成形和流变成形更是如此。半固态触变成形技术存在流程较长、坯料制造成本高等问题,但它的适用范围广阔,可以用于各种难铸造、难变形铝合金以及复合材料的加工成形;而流变成形具有的流程短、成本低的优势,使这项工艺技术在解决现有小型铸件的质量方面具有明显的优势,但是在实现工业规模化应用之前,还需要解决浆料质量过程控制所涉及的许多问题。因此,在开拓流变成形技术的同时,应该更加重视触变成形技术的推广应用,尽快将这项极具潜力的工艺技术应用到实际生产中将具有更为现实的意义。为了实现这一目标,当前还需要尽快解决以下几个问题: 半固态坯料质量及其稳定性是保证后续工艺稳定和最终产品质量的关键,因此需要尽快开发制备高质量大直径半固态坯料的制备技术,满足工业生产的需要; 进一步降低半固态坯料的生产制造成本,研究和开发多流半固态连续铸造技术,使半固态坯料的制造成本接近或达到普通连铸的水平; 研究开发适合不同零件需要的系列化二次加热设备,提高二次加热设备的自适应能力,解决坯料加热不均匀问题,提高二次加热设备的自动化程度,以提高生产效率; 研究开发半固态触变锻造成形技术,研究不同铝合金材料的触变锻造成形工艺,促进高Si 铝合金、变形铝合金在半固态加工中的应用,以满足汽车工业对高强、高耐磨零部件的需求;研究开发适合半固态触变压铸成形的专用压铸机,特别是专用压铸模具,以提高半固态材料的有效利用率； 1.4 本课题主要研究的目的及内容通过毕业设计，掌握半固态触变成形技术的基本成 型技术的基本原理，研究不同的成形工艺参数对制作微观组织和力学性能的影响，探索2024铝合金半固态触变成形的最佳工艺参数。（1）了解半固态加工技术，掌握半固态触变成形技术基本原理；（2）研究不同坯料的成形加热温度、成形压力、成形速率对半固态组织的影响； （3）制定出适用于2024铝合金半固态触变成形的最佳工艺参数。第2章 再结晶与重熔法制备2024铝合金半固态坯料 2.1 再结晶与重熔法 本试验中采用再结晶与重熔法（Recrystallization and Partly remelting，简称RAP）制备半固态浆料。再结晶与重熔法的工艺要点是：首先将坯料在再结晶温度以下范围内进行大变形量的热变形加工处理，在坯料的组织中储存部分变形能量，然后待坯料冷却后，将其加热到半固态温度进行保温，坯料内部发生再结晶、再结晶晶粒的长大和球化从而获得具有触变性的球晶组织的半固态坯料。 RAP法是半固态坯料制备技术的一种，是适用于变形铝合金半固态触变成形的最经济有效的坯料制备技术。 2.2 试验材料 本试验所用材料为2024铝合金挤压棒料，其主要成分如表2-1所示：表2-1 2024铝合金化学成分(wt%)元素SiCuMgZnMnTiNiFeAl含量0.503.851.620.300.600.150.100.50余量 2024铝合金又被称为高强度硬铝，是用途最为广泛的结构铝合金，主要用于制作各种高负荷的零件和构件（但不包括冲压件锻件）如飞机上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，铆钉等150以下工作零件，许多重要的受力结构特别是飞机的机身、机翼与连接件等都是用此合金制造的，硬铝型合金(特别是2024合金)的特点是在高温下软化的倾向比其他许多变形铝合金都小。2024合金与其他硬铝型合金所不同的是它的强度更高；在新淬火状态下具有中等塑性，点焊焊接良好，用气焊时有形成晶间裂纹的倾向，合金在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好，退火后可切削性低，2024合金的抗蚀性较低，因此它的板材主要在包铝状态下应用，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。2024合金的热强性是最好的，这一点对于在高温下工作的材料很重要。所有的硬铝型合金，包括2024合金在内，其主要强化相是CuAl2和Al2CuMg，S（Al2CuMg）相对2024型合金强化所起的作用比其他相(CuAl2或Mg2Si)的大。2024合金的Mg2Si数量完全取决于含硅量。要形成S(Al2CuMg)相，就必须使合金铜与镁之比接近于2.61：1。在这种情况下，合金的强度最大，如果合金中的铜量大于形成S(Al2CuMg)相所需要的量，则还会形成CuAl2相。 2.3 制备过程 挤压棒料相当于铸态坯料已经经历了热挤压变形，棒料中储存了一定的储存能，但是其变形程度比较小即储存能比较小，若直接二次加热到半固态温度区间，再结晶的驱动力不足，获得的晶粒的球化程度和细化程度不太理想，无法满足半固态模锻成形的需要。所以接下来对热挤压棒料再进行一次冷镦粗，以获得足够大储存能并进一步细化晶粒，使二次加热后得到的半固态浆料有理想的晶粒度和球化程度。经研究，当采用冷变形增加坯料的变形程度时，冷变形程度必须达到极限变形程度才可明显改善半固态材料的流动性，当变形程度低于30%时，晶粒的细化程度较快，而当变形程度高于30%时，晶粒尺寸缓慢减小，即30%为冷变形的极限变形程度，故本试验将材料的变形程度控制在30%。将挤压棒料加工成直径40mm，高度h分别为60mm、66mm、72mm、80mm的圆柱形坯料。然后将坯料放入箱式加热炉中对其进行退火处理，在490下保温两个小时然后随炉冷却，以提高其冷塑性变形能力，防止镦粗后坯料产生开裂。热处理完成之后将油脂石墨涂在坯料两端作为润滑剂，在室温下镦粗，使之镦粗后高度为48mm。镦粗所用设备为100t液压式万能试验机。将墩粗后的棒料放入模具中，使之成为阶梯状，并在阶梯状试件的不同位置取试样。半固态模锻过程中重要的工艺参数包括二次加热的条件（即加热温度、保温时间、加热速度等）、模具的温度、润滑条件、加载速度、保压时间等。2024铝合金的固相线为536，液相线为646，本试验中二次加热温度定为605615，保温时间为3540min，这时坯料的固相率在60%左右，流动性和夹持强度都较好；模具预热温度300350，润滑剂为油脂石墨，在模具温度预热到150200之间时喷涂在冲头及模腔表面；模锻加载速度取为15mm/s，保压时间1020s。1上模板 2上模垫板 3上模外套 4冲头 5下模压板6下模套 7下模 8下模 9下模板10连杆11圆柱销 12六角螺钉图2-1 成形模具总装示意图图2-2 阶梯状试件图2-3 试样取样位置 2.4 试样的处理 2.4.1式样的打磨、抛光经重熔后的试样，分别由280#、300#、500#、600#、800#砂纸打磨，然后经抛光机抛光。 图2-4 P-1开型金相试样抛光机2.4.2 试样的腐蚀处理 腐蚀所用溶液为三酸溶液，成分为2.5%HNO3，1%HF，1.5%HCl。 表2-2 实验室配制腐蚀液的三酸氢氟酸（HF）天津市恒兴化学试剂制造不少于40%盐酸（HCl）哈尔滨新青化工产品3.6%3.8%硝酸（HNO3）哈尔滨市化工试剂厂65.0%68.0% 实验室自配腐蚀铝合金三酸溶液20ml。 配制腐蚀液所需要的各种酸的量分别为：HF=（201%）10% =0.5mlHCl=（201.5%）37% 0.81mlHNO3=（202.5%）65% 0.77mlH2O=200.770.810.5=17.92ml将抛光后的试样，用自配的腐蚀液作腐蚀处理，腐蚀时间在1315秒。 2.4.3 观察金相组织 将经过打磨、抛光、腐蚀后的试样，在金相显微镜（如下图）下观察其显微组织。图2-5 金相显微镜 2.4.4 实验中存在的困难与问题 1、在打磨时会出现明显的划痕 解决方法：打磨过程中将试件旋转90度，是打磨痕迹交错，可是划痕明显减少 2、抛光是试件容易被打飞 解决方法：将试件的四条棱打磨出一定角度的倒角，可有效防止试件在抛光过程中被打飞 3、腐蚀试件后观察不到金相组织 解决方法：腐蚀时先腐蚀较短时间，观察是否有较为清晰的金相组织，如没有可在轻微腐蚀，直至可以观察为止，但总腐蚀时间不宜太长，太长会破坏金属结晶无法继续观察。 2.5 本章小结 利用应变诱导熔化激活法制备出了半固态模锻的坯料，其中“应变诱导”采用的是冷镦粗法，变形程度为30%。利用差热分析方法测定了2024铝合金固、液相线，其固相线为536，液相线为646。对制备出的坯料进行二次加热，然后利用金相显微镜观察其微观组织，并且发现，经应变诱导熔化激活法制得的坯料晶粒较细小，大小较均匀，球化效果较好。第3章 实验结果与分析 3.1 不同试件相同位置的实验及分析 本次实验共分三组，根据不同的实验条件和工艺参数，来观察试样的金相组织的的变化，并根据金相组织的不同分析出最合理的工艺参数。 第一组实验参数如下表表3.1 底部厚度为5mm，突起高度不同标号底部厚度/mm凸起高度/mm温度/比压/MPa速度（mm/s）11213141555555102030405061561561561561512012012012012015151515151#、12#、13#、14#、15#试件相同部分的金像照片如图：图3-1 1#试件金相图图3-2 12#试件金相图图3-3 13#试样金相图图3-4 14#试样金相图图3-5 15#试样金相图通过比较，我们不难发现在底部厚度为5mm，温度651，比压120MPa，速度15mm/s的相同条件下，从试件的金相组织照片可以发现，凸起高度低的，晶粒细小，空洞少；凸起高度高的，晶粒大，空洞多，这说明在其他条件相同时，试件的高度越低其金属性能和半固态性能越好。第2组实验数据如下表表3.2 底部厚度不同，突起高度为30mm标号底部厚度/mm凸起高度/mm温度/比压/MPa速度（mm/s）2348101830730303030615615615615120120120120151515152#、3#、4#、8#试样相同部分的金相图如下图：图3-6 2#试样金相图图3-7 3#试样金相图图3-8 4#试件金相图图3-9 8#试件金相图通过比较，我们不难发现在突起高度为30mm，温度651，比压120MPa，速度15mm/s的相同条件下，试件的底部厚度越高试件的晶粒越小，空洞少，这说明在其他条件相同时，试件的底部厚度越厚其金属性能和半固态性能越好。第3组实验实验数据图下表表3.3 底部厚度和凸起高度均相同，压力相同，成形速度不同。标号底部厚度/mm凸起高度/mm温度/比压/MPa速度（mm/s）8117730306156151201
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