（材料加工工程专业论文）SiCltpgtAZ61复合材料触变塑性成形本构关系及数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 与传统的金属材料相比，颗粒增强金属基复合材料具有比强度和比刚度高、 耐高温、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数小、化学稳定性和尺寸稳定性好等优点。 半固态加工技术的发展，为颗粒增强金属基复合材料的制备及其成形工艺的发 展提供了广阔的前景。 本文利用t h e r m e c m a s t o r - z 热模机对通过搅熔铸造一半固态等温热处理的方 法制备出i 拘s i c 幽忆6 l 复合材料半固态坯料进行触变压缩实验。分析了应变速率、 变形温度以及s i c 颗粒体积分数对压缩应力的影响。研究了其在半固态下的变 形机制。研究表明，s i c 以忆6 l 复合材料在半固态条件下的流动应力对变形温度 和应变速率敏感，且s i c 颗粒体积分数越大，流动应力越大。触变压缩时材料的 变形机制以晶粒的塑性变形和晶粒的相对滑移为主。 深入研究了半固态金属材料和复合材料的本构模型，提出了半固态复合材 料触变塑性变形的一种新型本构模型，并将半固态s i c p ，a z 6 1 复合材料触变压缩 实验数据带入本构模型，确定出了模型中的参数，建_ 立t s i c p a z 6 1 复合材料触 变塑性成形本构关系： 盯= 麟邸扔1 5 昕- 2 9 6 5 5 5 f 7 + 1 4 2 5 3 3 5 9 d 一旧俨【1 一脱产1 6 + 严 通过验证，由本构方程得出的计算曲线和实验曲线拟合良好，证明本构方程有 良好的精度。本构方程的建立为s i c 忆6 l 复合材料触变塑形成形数值模拟和加 工过程中热力参数的合理制订与控制奠定了基础。 基于限元分析软件d e f o r m - 2 d 和建立的本构关系，对s i c a z 6 1 复合材料的 触变塑性挤压过程进行了数值模拟，分析了挤压速度对成形过程的影响。进行 了相关的触变塑性挤压实验。结果表明，挤压速度对s i c 。，a z 6 l 复合材料的触变 塑性挤压过程存在很大的影响。挤压速度越大，成形后材料的温度越高，模具 的载荷越大。触变塑性挤压实验数据与数值模拟数据吻合良好，证明推导的本 构关系可用于触变塑性成形的数值模拟，并可用来指导复合材料的触变塑性成 形工程实践。 关键词：金属基复合材料；半固态；触变压缩；本构关系；触变塑性成形 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t a lm a t e r i a l s ，p a r t i c u l a t er e i n f o r e e dm e t a lm a t r i x c o m p o s i t e s ( p m m c s ) p o s s e s s e sl o t so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs p e c i f i cs t i f f n e s s ， 1 1 i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，g o o dr e s i s t a n c et oh i g ht e m p e r a t u r e ，w e a ra n df a t i g u ea n dg o o d s t e a d i n e s st oc h e m i c a la n dd i m e n s i o n t h ed e v e l o p m e n to ft h es e m i s o l i dt e c h n o l o g y i sp r o v i d i n gb r i g h tf u t u r e sf o rt h ef a b r i c a t i o np r o c e s sa n dt h es h a p i n gp r o c e s so f m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s i nt h i sp a p e r , e x c e l l e n ts e m i s o l i ds i c p a z 61c o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e db yt h e m e t h o do fs t i r - c a s t i n ga n di s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n t t h e nt h eb i l l e t s 埘t l ld i f f e r e n t s i cv o l u m e sw e r ec o m p r e s s e db yt h e r m e c m a s t o r - zd y n a m i cm a t e r i a l t e s t i n g m a c h i n ea td i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n td e f o r m a t i o nr a t e s t h e r e l a t i o n - s h i p sb e t w e e ns t r e s sa n ds t r a i nw e r ea n a l y z e di nd i f f e r e n td e f o r m a t i o n c o n d i t i o n s t h ei n f l u e n c e so ft h ed i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e s ，d i f f e r e n t d e f o r m a t i o nr a t e sa n dt h ev o l u m eo fs i cp a r t i c u l a t ew e r ea n y a l y s i s e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h et r u es t r e s so fs e m i s o l i ds i c p a z 61c o m p o s i t e sw a ss e n s i t i v et o t e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t e s t h el u r es t r e s si sh i g h e r 、析t 1 1t h ei n c r e a s i n go ft h e v o l u m eo fs i cp a r t i c u l a t e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e f o r m a t i o nf o r c ew a sr e q u i r e d m a i n l yt oo v e r c o m ep a r t i c l es l i d i n ga n dp a r t i c l ep l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt h i x o t r o p i c c o m p r e s s i o np r o c e s so fh i g h s o l i d p h a s e f r a c t i o nf o rs e m i s o l i d s i c p a z 6 1 c o m p o s i t e s ，i nw h i c ht h es l i d i n gb e t w e e ns o l i dp a r t i c l e sa n dp l a s t i cd e f o r m a t i o no f s o l i dp a r t i c l e sm e c h a n i s m sw e r ed o m i n a n t an e wc o n s t i t u t i v em o d e lf o rs e m i - s o l i dc o m p o s i t e sw a sd e t i v e db ya n a l y z i n g c o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p so fs e m i s o l i dm e t a la n dc o m p o s i t e s p a r a m e t e r si nt h e c o n s t i t u t i v em o d e lw e r er e s o v e db a s e do ns e m i - s o l i d s i c p a z 6 1c o m p o s i t e s t h i x o t r o p i cc o m p r e s s i o nd a t a t h e t o t a ls e m i - s o l i d s i c p a z 6 1 c o m p o s i t e s t h i x o t r o p i cp l a s t i cf c ，mi n gc o n s t i t u t i v em o d e li s o = e x p ( 8 2 7 3 6 6 + 5 0 1 5 8 f v - 2 9 6 5 5 5 f , 2 + 1 4 2 5 3 3 5 9 3 一扩一 1 - p f , j 1 6 【1 + ( a 詹) n 地】n 螂 t h es h a p eo fc a l c u l a t e dc u r v e sa n de x p e r i m e n t a lc u r v e sr e s e m b l e dv e r yw e l l t h ei n s t r u c t i o no ft h ec o n s t i t u t i v em o d e l p r o v i d e s c o n v e n i e n c e sf o rt h e i i i 。舢1 7 h 如锄m 伦e l e m e n tc a l c u l a t i o nb yd e f o r m 2 ds o 矗啪h a sb e e n ? e 哟衄e d t os l m u l a t et h et h i x o - e x t m s i 。n n l ei n f l u e n c e o fe x t m s i 。ns p e e d sf o rt h e f o r m li 。n g ，p r o c e s sw a s 觚a l y z e d a n d s 。m ee x t r u s i o ne x p e r i m e n t sw e r ep r o c e s s e d t h e ! s u l t s s h o w m a t 也“。a d s0 ft h em o l da r em 。r e 晰t ht 1 1 e 1 1 i g h e rs p e e d s 觚dh i g h e r e m p ? ? 已e x p 研m e n t a l r e s u l t st a l l yw i m s i m u l a t i 。nr e s u l t s t h e s ep r o v et h ：t h e ? 蛐v e 蹦撕0 n 出i p 嘶r t h e s e m i - s 。l i d s i c p a z 6 1 c o m p o s i t e sc 觚b eu s e d t 0 k e yw b r d s ；m e t a lm a t r i x c 。m p 。s i t e s ；s e m i s 。l i d ；t l l i x 。t r o p i c c o n s t i t u t i v er e l a t i 。n s h i p ；t h i x o t r o p i cp l a s t i c f 。姗i n g i v c o m p r e s s i o n ； 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名( 手写) ： 记建鸯 签字日期：m 年占月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权直昌太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：也连幺 签字日期：如蠕年月易日 导师签名( 手写) ： 签字日期：姚6 月厶日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 金属基复合材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ，m m c s ) 是以金属及其合金为 基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料【l 】。金属基复合材 料的发展始于本世纪6 0 年代。与传统的金属材料相比，金属基复合材料( m m c s ) 具有高的比强度、比刚度，耐高温、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数小、化学稳 定性和尺寸稳定性好等优点 2 1 。目前金属基复合材料己成为发达国家之间争夺高 技术优势的热点之一，并作为先进复合材料将逐步取代部分传统的金属材料而 广泛用于航空航天、汽车工业等领域。然而，金属基复合材料的发展应用缓慢， 其主要原因是金属基复合材料存在界面以及制备方法较复杂、制备成本高、成 形性差等问题，因此，完善材料制备和成形技术是亟待解决的问题。 2 0 世纪7 0 年代初期，美国麻省理工学院的m c f l e m i n g s 教授和d a v i d s p e n c e r 博士提出了半固态加工技术 3 1 。所谓金属半固态成形i 删( s e m i s o l i d f o r m i n go f m e t a l s ) 或半固态加工( s e m i s o l i dp r o c e s s i n go f m e t a l s ) ，就是在金属 凝固过程中，对其施加剧烈的搅拌或者扰动，或改变金属的热状态、或加入晶 粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大过程，以得到一种 液态金属母液中均匀的悬浮着一定球状初生固相的固一液混合浆料。半固态加 工一般有两种方法：一种方法是利用固一液混合浆料直接进行成形加工。另一 种方法是先将固一液混合浆料完全凝固成坯料，根据需要将坯料切分，再将切 分的坯料重新加热至固液两相区，最后利用这种半固态坯料进行成形加工。 半固态金属在液固两相区有很好的粘性和流动性，可以比较容易地加入非 金属填料，而且只要选择好适当的加热温度和搅拌工艺，就有利于提高非金属 填料和半固态金属之间的界面结合强度。非金属材料的加入可以有效地组织球 形微粒的簇集，并对后续的部分重熔和触变成形非常有利。 1 2 颗粒增强金属基复合材料的制备方法 金属基复合材料的增强体主要有长纤维、短纤维、颗粒和晶须等，其中颗 粒增强金属基复合材料由于制备工艺简单、成本较低、微观组织均匀、材料性 能各向异性且可以采用传统的金属加工工艺进行二次加工等优点，已经成为金 第1 章绪论 属基复合材料领域最重要的研究方向，正在向工业规模化生产和应用发展。 颗粒增强金属基复合材料【j7 8 】的主要基体有铝、镁、钛、铜和铁等。铝基复 合材料在当代已经进行了相当的研究。镁基复合材料是继铝基复合材料之后又 一具有竞争力的轻金属基复合材料。其主要特点是密度低，比强度和比刚度高， 具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性能及良好的尺寸稳定 性和铸造性能；此外，还具有电磁屏蔽和储氢特性等，是一类优秀的结构和功 能材料，也是当今高新技术领域中最有希望采用的复合材料之一。 颗粒增强金属基复合材料的性能、特点、应用和制造成本等在很大的程度 上取决于其制备工艺和方法。目前关于颗粒增强金属基复合材料的研究主要集 中在材料的制备及性能方面。 1 2 1 搅拌铸造法 图1 1 搅拌铸造的工艺流程 f i g 1 1t h ef l o wc h a r to fs t i rc a s t i n g 搅拌铸造( s t i rc a s t i n g ) 是s r a y1 9 1 在1 9 6 8 年开发的一种制造金属基复合 材料的技术，其工艺是通过机械搅拌将a 1 2 0 3 颗粒引入到铝熔体中。搅拌铸造的 2 第1 章绪论 原理是通过机械或电磁搅拌等方法，使增强体充分弥散分布到金属基体中，最 终浇注或挤压成型的一种工艺方法。其工艺流程如图1 1 所示。根据铸造时金属 形态的不同可分为全液态搅拌铸造( 在液态金属中加入增强体，搅拌一定时间 后冷却) 、半固态搅拌铸造( 在半固态金属熔体中加入增强体搅拌一定时间后 冷却) 和搅熔铸造( 在半固态金属中加入增强体，搅拌一定时间后再升温至基 体合金液相线温度以上，并保持搅拌一定时间后冷却) 三种。研究者发现搅熔 铸造法制备的复合材料在颗粒分布和气孔率方面优于全液态铸造和半固态铸造 方法。 1 2 2 挤压铸造法 挤压铸造法【l o 】的流程如图1 2 所示。该工艺分为预制块制备和压力浸渗两个 阶段，使镁合金液在压力下渗入预制块中凝固后形成复合材料。预制块制备的 过程是首先将增强体分散均匀，然后模压成型，最后经烘干或烧结处理使之具 有一定的耐压强度。大部分晶须或短纤维增强体的预制块中需要添加粘结剂来 承受预制块压制过程中的较大应力，从而避免预制块的开裂。粘结剂的含量为 3 5 ，多为含s i 0 2 的硅胶粘结剂，或硅胶粘结剂和有机胶的混合粘结剂。压 力浸渗前模具和预制块需预热到约5 0 0 ，m g 合金液浇铸前也需过热到一定温 度( 约8 0 0 ) 。基体合金浇铸到模具中的预制块上时，需施加一定压力并保压 一段时间以便合金液充分浸渗到预制块中。为避免预制块在加压过程中受损开 裂产生铸造缺陷以及减少增强体纤维在压力下的损伤，有研究者探讨了两步加 压挤压铸造工艺，该法的加压过程是在浸渗阶段压力较低，为0 4 - 0 5 m p a ，保 压1 2 1 5 s 。在凝固阶段的压力较大，为i o o m p a ，保压6 0 s 。 c e m - n i cp r e 南嘲国b r c a t o n i p r e h e a t i n gp r e f o r m i m e l l i a gm a g m s i u m i s q u e e z ec a s t i n g 图1 2 挤压铸造的工艺流程 f i g i 2t h ef l o wc h a r to f e x t r u s i o n - c a s t i n g 3 第1 章绪论 1 2 3 粉末冶金法 粉末冶金法( 如图1 3 ) 是指将基体金属合金与增强体粉末混合均匀后在模 中冷压，除气后在真空中加热至固液两相区进行热压，最后烧结制得金属基复 合材料的方法【1 1 l 。粉末冶金法的特点：可以制备出增强相体积分数非常高的金 属基复合材料，并且不受基体合金种类与增强体类型的限制，通过粉末混合工 艺可以使增强相在金属基体中达到分布均匀。但此工艺设备复杂、成本偏高， 不易制备形状复杂的零件，而且在生产过程中存在粉末燃烧和爆炸等危险，不 易进行大规模工业化生产。特别是对于制备体积偏大的金属基复合材料，粉末 冶金法不是一种理想的制备方法。因此粉末冶金法主要应用于实验室研究，工 业中没有得到推广。郗雨林【1 2 l 研究认为采用合适的烘粉处理后，m g 粉的新旧程 度对复合材料的性能无明显影响；热压工序可以使镁基复合材料的性能更趋稳 定。并且采用粉末冶金法制备了s i c 颗粒及晶须增强m b l 5 镁基复合材料的试 样【1 3 1 ，结果表明：s i c 颗粒和晶须能显著提高m b l 5 镁合金的室温强度和弹性模 量，且s i c 晶须的作用比s i c 颗粒更明显。 回一回一圈 图1 3 粉末冶金法流程图 f i g 1 3t h ef l o wc h a r to fp o w d e rm e t a l l u r g y 1 2 4 原位生成法 原位生成法【1 4 】指在复合材料制造过程中增强材料在基体中自己生成和生长 的方法。增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出，也可由加入的相应元素发 生反应、或者合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间的反应生成。 前者得到定向凝固共晶复合材料，后者得到反应自生成复合材料。原位生成复 合材料的特点：增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此， 增强体表面无污染，界面结合强度高。而且，原位反应产生的增强相颗粒尺寸 细小、分布均匀，基体与增强材料间相容性好，界面润湿性好，不生成有害的 反应物，不须对增强体进行合成、预处理和加入等工序，因此，采用该技术制 备的复合材料的综合性能比较高，生产工艺简单，成本较低。从液态金属基体 4 第1 章绪论 中原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的净近成形 零件。牛玉超【1 5 】等研究认为采用石墨坩埚、电磁搅拌和铝熔体中加入镁的工艺 流程，可实现a 1 2 0 3 颗粒和铝熔体的有效复合，进而制备出a 1 2 0 3 。p ，z a 3 5 锌基 复合材料。与基体合金z a 3 5 相比，复合材料的耐磨性能有了明显的提高。黄赞 军【1 6 】等研究了原位反应中反应物配比中随着稀释剂铝量的增多，熔体内的自蔓 燃反应启动变慢，剧烈程度降低，但是反应产物的分布朝不均匀方向变化；熔 体温度越高，反应启动得越快，而且越剧烈；稀释剂镁粉的添加可以极大地缩 短反应诱导时间，而且随着添加量的增加诱导时间缩短更多。 1 2 5 喷射沉积法 喷射沉积技术( 图1 4 ) 是英国斯旺西大学a r e s i n g e r 教授于1 9 6 8 年首先提 出的，其目的是在于从熔融金属直接制得固态成品或半成品【1 7 】。其工艺的实质 是：将液体金属在高压惰性气体喷射作用下雾化成微细颗粒，然后喷射沉积在 一定形状的收集基板上并快速凝固，从而获得致密的金属半成品。喷射沉积法 的特点：得到的组织细小、致密、成分均匀，生产工序简单，生产成本较低， 适用于生产各种形状的预成形金属制品。 图1 4 喷射沉积制备方法示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ed i s i n t e g r a t e dm e l td e p o s i t i o np r o c e s s k f h o 等人【1 明采用喷射沉积技术制备了3 5 9 铜金属颗粒( 平均粒度8 岬 l l g m ) 增强a z 9 1 a c u 复合材料。室温下性能测试表明，相比a z 9 1 1 0 ( 体积 分数) s i c ，该材料的屈服强度、抗拉强度分别提高了约1 2 1 ，1 5 1 左右。 5 第l 章绪论 1 3 半固态成形技术 1 3 1 半固态成形技术原理与特点 半固态加工原理是在液态金属凝固过程中施以剧烈搅拌，破碎所生成的树 枝晶，形成近球形初晶晶粒和残余液相共同构成的具有非枝晶组织特征的合金 浆料。此种浆料在力的作用下即使固相率达到6 0 仍具有较好的流动性。并可 以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形。 与普通的加工方法相比，半固态成形具有许多优点【1 9 之1 】： ( 1 ) 应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态成形。适用 于铸造、挤压、锻压和焊接等多种成形工艺。 ( 2 ) 充形平稳、无湍流和喷溅、加工温度低、凝固收缩小，因而铸件尺寸 1 精度高。半固态成形法制备的成形件尺寸与成品零件几乎相同，极大地减少了 机械加工量，可以做到少或无切屑加工，从而节约了资源。同时半固态成形法 凝固时间短，有利于提高生产率。 ( 3 ) 成形过程中半固态材料释放了部分结晶潜热，从而减轻了对成形装置， 尤其是模具的热冲击，使其寿命大大提高。 ( 4 ) 成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少， 晶粒细小，力学性能高，可接近或达到变形材料的性能。 ( 5 ) 可改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以及与金属基体不润 湿的技术难题，这为复合材料的制备和成形提供了有利条件。 ( 6 ) 与固态金属模锻相比，半固态成形时的流动应力显著降低，因此半固 态模锻成形速度更高，而且可以成形十分复杂的零件。 ( 7 ) 节约能源。按生产单位重量零件为例，半固态成形与普通铝合金铸造 相比节能3 5 左右。 1 3 2 半固态成形技术的分类 半固态成形技术主要分为两类：流变成形和触变成形【2 2 1 。 1 、流变成形【2 3 。2 5 】 利用搅拌等方法制备出拟定固相分数的半固态浆料，并对其进行保温，然 后将其直接送往成形设备进行铸造或锻造成形，这种成形过程称为半固态流变 成形。图1 5 所示为半固态流变铸造示意图。 6 第1 章绪论 l n k 芦飞 割 1 匐 、 圈 p 护l 菩 r熏 亡掣 ) 瑶瑶蔽 ) 丰瞄悉金属泵科匠 如i c ) 压射成群匐半固态压棒件 图1 5 半固态流变铸造过程 f i g 1 5t h ep r o c e s so fs e m i - s o l i dr h e o f o r m i n g 2 、触变成形【2 6 2 7 】 利用剧烈搅拌等方法制备出球状晶粒的半固态浆料，将该半固态浆料进一 步凝固成锭坯或坯料，再按需要将坯料分切成一定大小。把这种切分的固态坯 料重新加热至固液两相区，然后利用机械摄运将该半固态坯料送往成形设备进 行铸造或锻造成形，这种成形过程称为半固态触变成形。图1 6 为半固态触变成 形过程示意图。 半固态浆料翻备 l 目目 同一画 锵坯料越扮奢j 坯辩 二次加热懿敝成形 图1 6 半固态触变成形过程 f i g 1 6t h ef l o wc h a r to ft h ep r o c e s so fs e m i - s o l i dt h i x o f o r m i n g 7 第1 章绪论 1 4 复合材料及半固态材料的本构模型 本构关系，即材料的流动应力与应变、应变速率和变形温度之间的关系。 它体现了材料在热态塑性加工过程中对热力参数的动态响应，是用有限元法对 材料的塑性变形过程进行数值模拟的重要前提。 1 4 1 半固态金属材料的本构关系 目前关于半固态金属材料在固液两相区间的本构关系模型有以下几种表达 方式： ( 1 ) 通过研究发现半固态金属材料在塑性变形过程中具有应变速率敏感性 2 8 - 3 0 1 ，因此其流变应力可以表达为： g = 彳盯”e x p ( 一号) ( 1 1 ) 式中：叠一变形速率：盯一流变应力；q 一变形激活能；丁一变形温度；尺一 气体常数；刀应力指标；彳一常数。 若将上式进行变换可得下式： 口：【池p ( 争) 】彳 q 2 但对于绝大多数金属材料来说，上式又可以简化为： 仃：kf m ( 1 3 ) 式中：m 应变速率敏感指数；k 一材料系数，它与变形温度、显微组织 和结构缺陷有关。 ( 2 ) 对于半固态金属材料来说，决定其力学特性的重要参数是固相率，因 此应该确定流变应力与固相率的关系式。a m b e r g 和d a h l e 等人通过对半固态铝合 金的研究得出流变应力与固相率的简单表达式【3 l 】： 仃：彳p 8 f ， ( 1 4 ) 式中： 盯一流变应力；六一固相率；a ，8 一系数。 ( 3 ) g u n a s e k e r a 将上述( 1 ) 和( 2 ) 两种情况中的因素都考虑，推导出下 式【3 2 】； 盯= k ；”e x p ( 鲁) 1 一阢】彳 ( 1 5 ) 8 第l 章绪论 式中：考虑晶粒形状的几何系数。无一液相率。 仃= 彳工p 矗，s ( f s2 0 - - 4 0 ) ( 1 6 ) 仃= p 矿，3 + 可，2 + 矿，+ d ( 厂s = 4 0 - - 6 0 ) ( 1 7 ) 仃：p 一口( 1 - ) 厂s = 6 0 1 0 0 ) ( 1 8 ) 石v ，：k o ( f t 3 + 0 0 1 ) ( 1 - f _ 2 ) v p ( 1 1 0 ) 营( 要盯+ 掣) 占i 一盯+ 盯_ 弘耋- - - s i n h 意 k 6 磊n j i 1 ”营肘e x p ( 羔) 】 ak l 陵 卜蝶0 3 6 f , 6【 。4 第1 章绪论 式中：仃一轴向压缩应力；占：一轴向应变；如一轴向应变速率；r 一温 度；一几何参数( - 1 5 ) ；无一液相率；口o ，口l ，口2 ，口3 ，口4 为常数。 1 4 2 复合材料的本构关系 目前关于复合材料本构关系的研究主要有以下几种表达方式： ( 1 ) r a m b e r g 矛l l o s g o o d 3 6 1 等人考虑应变速率对复合材料的影响，得到了如 下本构关系： 旦：1 + ( ) m ( 1 1 4 ) 0s 0 式中：吒一准静态下材料的屈服应力；舌一材料的应变速率；岛一参考应变速 率值；聊一应变速率敏感系数。 ( 2 ) g b a o t 3 7 1 等人对颗粒增强金属基复合材料的本构关系进行了深入研 究，并依据式1 1 4 ，考虑颗粒增强相的体积分数厂，得出了以下本构模型： 旦：( 厂，) 【1 + ( 导) m 1 + 甲( 脚，n ) f 3 ，2 ( ；) 肋】 ( 1 1 5 ) o sqs q 其中， n = l n ， 甲( 删，) = ( 0 0 2 + 3 4 m + 3 m 2 ) ( 1 + ) ( ，n ) = ( 1 + 0 4 0 3 f - 0 3 9 6 5 f 2 + 1 6 5 7 f 3 + 7 2 2 8 f 4 ) ( 1 + 歹3 佗) b = 0 6 式中：吒一准静态下基体材料的屈服应力，刀一材料的应变硬化指数，一 颗粒增强相的体积分数。 g b a o 等人指出基体材料的应变速率硬化受两个因素的影响：颗粒增强相的 体积分数的影响和基体硬化指数n 的影响，影响规律为甲，n ) 。同时还指出， 对于具有应变速率敏感性的材料，应变硬化也有两个影响因素：一为：颗粒增 强相的体积分数厂，影响规律为彤3 坨，另一个为和刀的综合影响，其规律用 矽( 厂，n ) 来表示。 ( 3 ) y l i t 3 8 1 等人通过对s i c 以3 5 9 铝基复合材料的粘塑性研究，对g b a o 等 1 0 第1 章绪论 人的本构关系进行了进一步的发展，得到了以下表达形式： 仃( 厂，占，叠) = ( 占) 【1 + ( ；) 肼】【1 + ( ；) 肼门g ( 门 ( 1 1 6 ) 知岛 其中：g = 1 + 矿+ 矿2 + 矿3 式中：( s ) 一准静态下基体材料应力与应变的关系函数；一颗粒增强相的 体积分数；营一材料的应变速率；磊一参考应变速率值：m 一应变速率敏感系 数。 ( 4 ) 程羽【3 9 】等人对制备的a 1 c u - m g 基颗粒增强复合材料进行了压缩实验， 并对压缩曲线拟和，得到了该复合材料的粘塑性本构模型 仃= k ( 1 + i 筇m ) g ( 占) 厂( ，) ( 1 1 7 ) 式中：勋应变速率季的函数；n 、m 、g ( e ) 均为应变s 的函数；f ( t ) 为温度 t f q 函数。 1 5 半固态成形过程数值模拟 半固态材料既有固体的特点，又有流体的特点。因此，半固态加工过程的 数值模拟可以从两方面着手：一方面是铸造过程数值模拟( 流变成形数值模拟) ， 另一方面是粘塑性加工过程数值模拟( 触变成形数值模拟) 。 1 5 1 流变成形数值模拟 液态金属铸造充填过程的模拟已有如f l o w - - 3 d 、p r o c a s t 、m a g m a s o i t 、 f l u x e x p e r t 、a n s y s t e m 等较为成熟的商品软件在研究或应用，较为复杂的三维 充填模拟均可利用这些软件实现。所以，对于半固态浆料的铸造充填过程模拟， 国内外许多专家直接利用上述商品化的软件，将特殊的半固态浆料的表观粘度 模型嵌入其中，来对半固态浆料的充型过程进行模拟研究，研究内容主要包括： 适合半固态材料充填行为的表观粘度数学模型的研究，压铸型表面与半固态浆 料之间的摩擦，特殊边界条件等因素的研究，液固相偏析的研究，缺陷预测的 研究和计算方法的研究等。 k a p r a n o s 和k i r k w o o d 等人利用f l o w3 d 软件，采用三种半固态金属流体 模型，即触变性流体模型、常粘度牛顿流体模型和表观粘度随剪切速率变化而 不随剪切时间变化的非牛顿流体模型对半固态a 3 5 7 铝合金的快速压缩变形过 第1 章绪论 程中的压力变化进行了模拟研究，并与实测的压力和时间的关系曲线进行了比 较。模拟研究结果发现：结合适当的半固态金属流体模型，f l o w 3 d 软件适合 于半固态合金触变充型过程的模拟计算。半固态合金触变成形时的表观粘度与 应变速率和时间密切相关。东南大学的高志强等【4 0 】人采用局部网格细化的 l a g r a n g e 方法模拟了半固态合金的触变铸造过程。该方法能精确地处理自由表 面，有效地跟踪流体质团变形历史，很容易实现网格优化，得到局部精确的物 理图像，针对较大的网格变形，计算值与试验值符合较好。 1 5 2 触变成形数值模拟 半固态材料在压力作用下具有良好的流变性和填充性，但变形过程非常复 杂，目前对触变成形过程的模拟研究大多在一些商业有限元或有限差分软件平 台上进行。 t i m s 4 l 】等人在a n s y s t m 平台上模拟了铝合金二次加热、锭坯夹持和压 铸过程，研究了压铸件绝热条件下固液相偏析时固相分数的变化规律。并对采 用基于尤拉坐标系的三维有限差分法模拟和优化半固态压铸过程进行了尝试， 开发出s - w o l f 软件。这一建立在a n s y s t m 平台上的接口软件可望对不同 压力、温度及工件几何形状等条件下材料半固态成形工艺进行优化设计。 g e b e l i n l 4 2 】等人采用f l u x e x p e r t 有限元软件研究了s n p b 合金压缩、 a l s i 合金蠕变条件下半固态材料的流变行为，其中固相采用粘塑性模型，液 相流变则用d a r c y 法则予以描述。研究表明摩擦对半固态材料流动影响非常 大，而固液相分布的不均匀性则导致材料在变形时出现严重的固液偏析现象， 这对成形并获得均匀组织性能的制品是不利的。 p a r e d i e s 等【4 3 】采用稳态指数流动模型和p r o c a s t 软件对a 3 5 6 铝合金半固 态压铸进行了分析，认为半固态浆料与模腔间为无滑动边界时，模拟结果不能 解释压力的变化行为和传热现象，而考虑滑动后模拟的结果和观测值相符。 国内崔成林初步模拟了半固态a i s i ，m g 铝合金的充型过程。此外，杨卯生 等人也对半固态铝合金的触变充型过程进行了三维充型模拟。东南大学的苏华 钦、高志强研究了铸造成形过程数值模拟。潘宏平等人利d e f o r m 软件对半固态 铝合金触变充型过程进行了模拟。 总之，虽然当今大多数学者对半固态材料的流变行为与触变变形应力应变 场进行了模拟，并在一定程度上可以描述半固态材料在剪切应力作用下的流变 1 2 第1 章绪论 行为，但由于半固态金属触变性能的特殊性，同时至今还未找到符合实际情况 的真实物理模型和数学模型。因此，模拟的结果尚不能完全准确地解释和分析 半固态材料变形过程中的一些现象。特别是在金属基复合材料方面，与之相关 的半固态成形过程模拟的研究成果还非常少，这可能是由于增强体的加入，使 得材料的铸造充型规律以及其变形机理变得十分复杂的缘故。 1 6 本课题的选题意义与主要研究内容 1 6 1 本课题的选题意义 镁合金密度小、比强度和比刚度高，具有良好的尺寸稳定性和优良的铸造 性能，因此，近年来镁合金在工业应用中受到越来越多的重视，尤其是在航空 航天、通讯电子产品和汽车领域倍受青睐。但作为结构材料使用时，由于硬度、 刚度及耐磨性不够理想，其应用受到极大的限制。通过在基体中添加增强相( 如 s i c 颗粒) ，制备出镁基复合材料，可以明显改善以上性能缺陷，且其性能提高 的幅度与制备技术有很大关系。但是，镁基复合材料在提高强度、硬度、弹性 模量的同时，塑性却大大地降低，不利于对其进行二次塑性加工。2 0 世纪7 0 年 代半固态加工技术的出现，不仅为金属基复合材料的制备，而且也为金属基复 合材料成形加工工艺的发展提供了极有前途的发展前景。 半固态技术被认为是2 1 世纪金属制造的新兴技术之一。作为一种新型技术， 半固态技术融合了锻造和铸造工艺的优点，极大地改变了传统材料成形加工的 概念和手段，尤其是对固液两相温度间隔比较大的合金材料更具有吸引力，可 以获得性能优良的各种金属材料。半固态技术与其他技术相比具有产品质量高、 性能好、易于近净成形等优点。目前，半固态技术主要围绕纯金属及其合金的 制备和成形、基础理论和工业应用等方面进行研究。而将半固态技术应用于金 属基复合材料方面( 特别是镁基复合材料) 的研究成果相对比较少。 本文将半固态技术应用于镁基复合材料制备之中，并且运用半固态技术来 解决镁基复合材料的二次塑性加工难的问题。文中对s i c p a z 6 1 镁基复合材料半 固态触变成形工艺过程中的制坯、半固态等温热处理和触变成形等工序进行深 入的理论与实验研究。提出了一种复合材料触变塑性成形的新型本构模型，并 利用s i c p a z 6 l 镁基复合材料触变压缩实验数据，建立了s i c p a z 6 1 镁基复合材 料在高固相率下的触变塑性本构关系，为运用数值模拟技术研究复合材料在半 1 3 第1 章绪论 固态下的变形行为奠定了理论基础。该研究结果不仅可以丰富镁基复合材料的 研究领域，而且对该复合材料在工业上的应用具有指导意义。 1 6 2 本课题的主要研究内容 ( 1 ) s i c p a z 6 1 镁基复合材料半固态坯料的制备。制备出优质的复合材料 半固态坯料，为后续研究其触变塑性变形奠定基础。 ( 2 ) s i c n 眦6 1 镁基复合材料触变塑性变形行为的研究。完成镁基复合材 料的触变压缩实验，通过分析应力应变关系，研究其在半固态下的变形行为及 变形机制。 ( 3 ) 对半固态复合材料触变塑性本构模型进行深入研究，建立s i c 以忆6 1 镁基复合材料触变塑性成形的本构模型。通过研究各热力学参数和颗粒增强相 体积分数与复合材料应力之间的关系，建立能够精确描述s i c p a z 6 1 镁基复合材 料触变塑性变形行为的本构模型。 ( 4 ) 进行s i c 口a z 6 1 镁基复合材料触变塑性挤压数值模拟和实验研究。基 于建立的本构模型，对复合材料触变塑性挤压进行数值模拟研究，研究触变塑 性成形规律。进行触变塑性挤压实验，为进一步研究复合材料的触变塑性成形 提供理论指导。 1 4 第2 章s i c p a z 6 1 复合材料半固态坯料的制备 2 1 引言 要建立半固态复合材料的本构关系，首先要制备出优质的半固态坯料。经 验证，采用对材料先进行搅熔铸造，然后再用半固态等温热处理的方法可以制 备出优良的半固态坯料。本章研究了s i c d 几坦6 1 复合材料在搅熔铸造过程中获得 的组织，以及研究了半固态等温热处理制得的半固态复合材料的组织。得到了 合适的等温热处理温度和保温时间。结果表明：制备s i c p a z 6 1 复合材料半固 态组织的理想工艺参数为等温热处理温度5 9 5 ，保温时间6 0 m i n 。 2 2 实验方法 2 2 1 实验材料 实验采用的基体材料为a z 6 1 镁合金，其成分( 重量百分比) 为a l5 8 7 2 ，m n 不小于o 1 5 ，z n0 4 0 1 5 ，s i0 1 0 ，c u0 0 5 ，n i0 0 5 ， f e0 0 0 5 ，余量为m g t 4 4 1 。经差热分析测定，a z 6 1 镁合金的液相线温度：6 2 0 ，固相线温度：5 2 5 。c 。其基体组织如图2 1 所示，增强体采用绿色t 2 - - s i c 颗粒，平均粒度为1 0 a n ，其的性能参数见表2 1 【4 5 | 。 图2 1 基体镁合金a z 6 1 f i g 2 1a z 6 1 m a g n e s i u mm a t r i x 第2 章s i c p a z 6 1 复合材料、# 吲态坯料的制备 表2 1口s i c 颗粒的性能参数 t a b l e2 1 p h y s i c a lp r o p e r t i e so f 口s i cp a r t i c u l a t e s 材料密孽热膨擘系数 弹性模量泊松比 ( g c