（材料加工工程专业论文）SiCltpgtAZ61复合材料触变成形研究.pdf

摘要 摘要 颗粒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。半固态金属成形方法是一 种非常具有发展前景的近净成形技术，利用半固态成形技术为颗粒增强金属基 复合材料的制备及其成形工艺的发展提供了广阔的发展空间。 本文通过搅熔铸造一半固态等温热处理的方法制备出的s i c p a z 6 1 镁基复 合材料，然后在t h e r m e c m a s t o r - z 热模机进行半固态触变压缩实验，并分析了其 微观组织，探讨了微观变形过程机理。分析了应变速率、变形温度以及s i c 颗 粒体积分数对微观组织成形的影响，研究了其在半固态下的变形机制。研究表 明，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。 为了深入研究半固态触变成形的特性，利用d e f o r m 3 d 塑性有限元软件 对常规态和半固态s i c d a z 6 1 镁基复合材料触变成形分别进行了数值模拟，获得 了两者在变形过程中的载荷、等效应变场、等效应力场和流动速度场、以及温 度场的变化规律，数值模拟结果表明，半固态s i c p a z 6 1 镁基复合材料的成形性 能优于常规态的材料。 通过在自制的模具上进行s i c d a z 6 1 镁基复合材料了常规态和半固态触变 成形实验，比较了两种成形方法的优越，并研究半固态s i c p a z 6 1 镁基复合材料 在不同的工艺参数下对成形性能的影响。通过对在不同工艺参数的成形件的微 观组织和宏观组织的研究，探讨了半固态触变成形的规律。数值模拟的结果和 实验结果能较好的吻合。 关键词：金属基复合材料：半固态；有限元模拟；触变成形试验 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 c 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 ， l l 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 l a 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 , s e m i s o l i ds i c v a z 61c o m p o s i t e sw e r ep r o d u c e n db yt h em e t h o d o 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 、析t t ld i f f e r e n ts i c v 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 lt e s t i n gm a c h i n ea t d 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 m i c r o s t r u c t u r e a n dt h em e c h a n i s mo ff o r m i n gw e r ea n y a l y s i s e d t h er e l a t i o n - s h i p sb e t w e e n m i c r o s t r u c t u r ef o r m i n gw 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 nc o n d i t i o n s t h e i 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 td e f o r m a t i o nr a t e sa n d t h ev o l u m eo fs i c p 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 e r e s u l t ss h o wt h a tt h e d e f o r m a t i o nf o r c ew a sr e q u i r e dm 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 e p 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 cc o m p r e s s i o np r o c e s so fh i 曲s o l i dp h a s ef r a c t i o n f o rs e m i - s o l i ds i c p a z 61 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 s a n dp l a s t i cd e f o r m a t i o no fs 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 t h ec h a r a c t e ro f t h i x o t r o p i cp l a s t i cf o r m i n g w a sd e t i v e d d e p p l y - a d g i d - v i s e o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ni nd e f o r m - 3 ds o f t w a r ew a sp e r f o r m e d t os i m u l a t et h em a t r i xa n ds e m i s o l i dt h i x o f o r m i n gt e s t t h el o d a , t h ee q u i v a e n ts t r a i n f i e l d ，t h ee q u i v a l e n ts t e s sf i e l d ，t h em e t a lf l o wv e l c c i t y f i e l d ，t h et e m p e r a t u r eo ff i e l d w e r eo b t a i n e d ，t h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns h o wt h a ts e m i s o l i ds i c 止忆6l a l l o yi sb e t t e rt h a nm a t r i xs i c p a z 6 1i ns h a p e t h et h i x o f o r m i n ge x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n tv a l u e so f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so n m a r t i xa n ds e m i - s o l i ds i c p 蛆61 a l l o yw e r ec a r r i e do u to nt h es e l f - m a d ed i e ，a n dt h e d i f f e r e n c eo ft w om a t e r i a l sw a sc o m p a r e d ，i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nt h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e s a c c o r d i n gt ot h es t u d yo f i i a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r ea n ds t r u c t u r ei nd i f f e r e n tp a r a m e t e r so np r o c e s s ，t h el a wo f t h i x o f o r m i n gw a $ i n v e s t i g a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ；s e m i - s o l i d ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ； t h i x o t r o p i cp l a s t i cf o r m i n g l l i 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 为获得直昌太堂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) ：知丧惘| j 签字日期：纱叩年多月扩日 i f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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：郑苦喇 导师签名： 6 签字日期：泸彳年6 月y 日 签字嗍吁年6 月溉 t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 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，以高性能的第二相为增强体的复合材料【l 】。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 】。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。 自2 0 世纪8 0 年代开始，镁基复合材料已成为金属基复合材料领域的研究 热点之一【3 】。尽管有关镁基复合材料的早期研究工作主要集中在连续纤维增强物 ( 目前在这个领域的研究工作仍在进行) ，但不久就发现由于连续纤维的成本较 高、制备工艺复杂以及切削加工困难，从而限制了它在民用方面的推广与应用。 为了满足进一步推广应用的要求，必须研究低成本的镁基复合材料，因此人们 又开始研究非连续增强镁基复合材料特别是颗粒增强镁基复合材料。 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 博士研究了金属在凝固过程中的特殊行为，并进行了深入的研究，从而 发展了金属半固态加工技术。所谓金属半固态成形附j ( s e m i s o l i df 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 fm 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。 半固态金属在液固两相区有很好的粘性和流动性，有利于增强相的加入， 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。另外，应用半固态成形技术可 以改善复合材料制备中非金属材料的漂浮、偏析以及与金属基体不湿润的技术 难题，这为复合材料的制备和成形提供了有利条件。与固态金属模锻相比，半 固态成形流动应力显著降低因此s s m 模锻成形速度更高，而且可以成形十分复 第l 章绪论 杂的零件【7 1 。 1 2 颗粒增强金属基复合材料的制备方法 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，制备颗粒增强金属基复合材料的方法很多， 根据制备工艺和方法可分为搅拌铸造法、粉末冶金法、真空压力浸渗技术、挤 压铸造法、原位生成法、喷射沉积技术等。 1 2 1 搅拌铸造法 回一 回一回一一圈 图1 1 搅拌铸造法流程图 f i g 1 1t h ef l o wc h 矾o f s 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 y 【8 】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，并通过搅拌 含有陶瓷粉末的熔化状态的铝合金而来的。搅拌铸造的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。根据铸造时加热温度的的不同可分为三 种：1 全液态搅拌铸造( 在液态金属中加入增强体，搅拌一定时问后冷却) ；2 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) ；3 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。搅拌铸造法的特点是：工 艺简单，操作方便，可以生产大体积的复合材料，设备投入少，生产成本低， 适宜大规模生产。但加入的增强相体积分数易受到限制，一般不超过2 0 左右， 并且搅拌之后使复合材料容易形成气孔。同时，增强颗粒与基体合金的密度不 同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现象。 2 第1 章绪论 1 2 2 粉末冶金法 粉末冶金法( 如图1 2 ) 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【9 j 。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 易制各形状复杂的零件，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 0 】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 2 粉末冶金法流程图 f i g 1 2t 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 3 真空压力浸渗技术 真空压力浸渗技术是在真空和高压惰性气体的共同作用下，使熔融金属渗 入预制件中制造金属基复合材料的方法【1 1 1 。真空压力浸渗技术的优点是适用广， 可用于多种形式的金属基体和增强材料；成形后无气孔、疏松、缩孔等缺陷， 组织均匀；工艺简单、参数易于控制。但其设备复杂，工艺周期长，成本较高， 适于制备要求较高的小型零件。 1 2 4 挤压铸造法 挤压铸造法【1 2 】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 3 第1 章绪论 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。挤压铸造法的特 点为工艺简单、产量高，由于采用高压浸渗，克服了增强体与基体不润滑的现 象，保证了基体与增强体的连接，且消除了气孔、缩孔等铸造缺陷，但该方法 不适合制备形状复杂的零件。通过挤压铸造方法得到的镁基复合材料，一般情 况下硬度和抗拉强度要优于基体合金，但进行热处理后，由于降低了界面强度， 使复合材料的强度比未热处理的基体合金有所降低。 1 2 5 原位生成法 原位生成法【1 3 j 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 各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 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。 1 2 6 喷射沉积法 喷射沉积法( s p r y a f o m r i n g ) 是使液态镁合金在高压惰性气体喷射下雾化，形 成熔融镁合金喷射流，同时将颗粒喷入熔融的镁合金射流中，使液固两相颗粒 混合并共同沉积到经预处理的衬底上，最终凝固得到颗粒增强镁基复合材料的 一种方法【1 4 】。对于采用该方法制备的镁基复合材料而言，颗粒在基体中分布均 匀、无偏聚、凝固迅速、无界面反应，但由于颗粒与基体界面属机械结合，抗 拉强度有待进一步提高，另外，制备的复合材料一般存在孔洞，不适合生产近 终形零件。 4 第1 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 5 9 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 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 0 l 。 l 、流变成形 流变成形是将金属液从液相到固相冷却过程中进行强烈搅动，在一定固相率 分数下，直接将所得到的半固态金属浆料进行压铸、挤压以及轧制成形眇1 ；r s h i b a t 等人曾用电磁搅拌方法制备的半固态合金浆液直接送入压铸机射室中成 5 第l 章绪论 形。该方法生产的合金件的力学性能接近半固态触变成形件。但流变成形过程中 浆液的保存和输送难度较大，因此，流变成形在实际应用有一定困难。图1 3 所 示为半固态流变铸造示意图。 2 、触变成形 i n 二 芦h 唾 i l l 錾 、酉 妒t 蔓。 i 匕兹委 已爿 ) 连续漉麦”半瞄全浆科进入压室 c ) 压射成形| ) 半酷压癸件 图1 3 半固态流变铸造过程 f i g 1 3t 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 半固态金属的触变成形利用剧烈搅拌等方法制备出球状晶的半固态金属浆 料，将该半固态金属浆料进一步凝固成锭坯或坯料，再按需要将金属坯料分切 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，这种成形过程称触变成形， 如图1 4 。 一日目_ 闻_ 制鲁坯辩定量分利坯料：次加趣蚺触变成形 图1 4 半固态触变成形过程 f i g 1 4t h ef l o wc h a r to f t 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 6 第1 章绪论 1 3 3 半固态成形理论基础 流变性是流体在流动过程中的力学性质。金属在半固态状态下具有流动性， 因此不仅具有液态金属的流动性，而且具有固态金属的可塑性，是半固态金属 成形技术的基础【2 1 1 。在传统的铸造条件下，合金的固相分数达到0 2 o 3 时， 合金液中虽然有大量液相的存在，但是由于己凝固的固相构成的空间框架阻碍 了液态合金的流动，宏观流动性基本上已经消失。但是对于半固态而言，即使 在固相分数达到0 5 0 6 时，由于其中固相呈分散的颗粒状，没有形成牢固的 空间网架，因此留着一定的流动性【2 2 1 。要实现半固态加工技术的最佳工艺，需 对半固态金属基本物理性质作深入的研究，其中包括半固态非枝晶的形成机理， 半固态金属的流变学性质，即固相分数、固相颗粒尺寸和形态、固相颗粒间粘 聚程度、金属浆料的粘度等内在变量，以及温度、切变速率等外在变量对半固 态金属流变行为的影响规律，得到流变模型，从而实现半固态金属成形过程计 算机模拟的准确性，为半固态金属的近终成形加工提供理论依据【2 3 1 。 一般说，半固态具有以下几种流变行为： ( 1 ) 变温非稳态流变行为影响半固态金属流变行为的最主要因素为固相分 数、剪切速率和冷却速度，而固相分数又是系统温度决定的。p a j o l y 和 r m e b r a b i a n l 2 4 】采用c o u e t t e 粘度计在连续冷却实验中研究合金s n 1 5 p b 的流变行 为，发现在连续冷却条件下，在一定固相体积分数下，浆料的粘度随着冷却速 度降低和切变速度的升高而降低。这是由于随着切变速度的增加和冷却速度的 降低，晶粒变得更圆，彼此间更易于运动的原因。 ( 2 ) 等温稳态流变行为半固态合金等温稳态流变性能是指流体组织随剪切 历程、时间变化较小的流变规律。苏华钦等人采用自行研制的高温流变仪及数 据采集系统，研究半固态z a l 2 合金的剪切应力随时间的变化规律时发现，所有 曲线在2 5 s 左右其切应力己达稳态值。同时，他们以剪切时间3 0 s 作为进入稳态 的标准，进而分析半固态金属稳态流变性能，半固态z a l 2 合金在稳态条件下固 相分数恒定时，切应力随剪切速率的增加而增加，但增加的幅度逐渐减小，即 假塑性特性；而当剪切速率一定时，随着固相分数增加，相应的切应力随着增 加。 ( 3 ) 触变行为半固态金属的触变行为是表观粘度与剪切时间的依赖关系， 它表征半固态浆料的依时行为。剪切作用下合金液的表观粘度随时间连续下降， 静止时表观粘度又恢复的性能称为材料的触变性。m c f l e m i n g s l 2 5 j 研究了半固态 7 第1 章绪论 a i 一6 5 s i 合金表观粘度与剪切速率之间的关系及初生相组织结构的演变。研究 表明：当剪切速率恒定时，瞬态表观粘度较稳态要低。这是因为微观组织结构 还没有足够的时间来调整以适应新的剪切速率，随着剪切时间的延长，固相聚 集团堆积，在一定的剪切速率下，表观粘度趋于稳定值。 ( 4 ) 等温动态流变行为至今为止， 研究结果，都是在稳态条件下获得的， 大部分有关半固态合金流变行为的实验 即在经过数十分钟的稳态剪切后测量和 计算其表观粘度，但在实际条件下，如压铸的充形过程一般只持续o 0 1 o 2 s ， 而半固态合金的流变行为具有很强的依时性。因此，半固态合金的稳态性能并 不适用于实际的工作条件。e k u m a r ，c l m a r t i n 和s b r o w n 研究了半固态 s n - 1 5 p b 合金的动态流变行为，其试验结果表明表观粘度随剪切速率的增加而 增加。所以，半固态合金的动态流变行为属于胀流形，与稳态流变特性相差甚 远瞵】。 1 4 微观组织演化 半固态变形过程中，微观组织的变形有其特殊性。普通的金属塑性变形， 影响变形后微观组织的工艺参数只有原始组织形态、变形温度、变形程度和应 变速率等。金属基复合材料半固态变形过程中的影响因素则更加多样化与复杂 化。首先，它必须经历半固态坯料制备过程，与半固态坯料的组织形态有很大 的联系，因此半固态坯料制备过程的诸多影响因素也将影响最终的半固态成形 件的组织与性能。其次，金属基复合材料半固态变形在固液两相区进行，金属 中含有液相，其变形机理与普通塑性变形相比有所不同，变形过程中的微观组 织演化不仅会受到变形温度、变形程度和应变速率的影响，还会受到增强相的 体积分数、液相分数、液相流动以及成分偏析等各方面因素的综合影响。最后， 半固态变形时还会产生孔洞、液相宏观偏析和成分偏析等缺陷。这些缺陷不但 削弱产品的使用性能，还会降低材料的成形能力。 国内外多名研究人员对半固态变形过程中的微观组织演化进行了研究，杨 雄飞1 27 j 等研究了电磁搅拌法制备的半固态6 0 s i z m n 在不同的变形量、变形温度 及变形速率下触变成形时的微观组织演变，得出了变形工艺参数对微观组织的 影响规律，认为在半固态条件下随变形量增加或变形温度降低，变形区的晶粒 尺寸减小，变形速率的影响不明显，存在有使晶粒变形的临界变形量与均匀变 8 第1 章绪论 形的最佳变形温度。 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 f i 、 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 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【2 8 】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。 9 第1 章绪论 t i m s t 2 9 j 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 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、触一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【3 0 j 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。 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 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 颗粒增强镁基复合材料零件的触变成形特性 ( 1 ) 触变压铸( t h i x o f o r m i n g ) 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【3 i 】。 ( 2 ) 触变锻造( t h i x o f o r g i n g ) 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 1 0 第1 章绪论 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1 3 羽。 ( 3 ) 触变轧制( s e 面s o l i dr o l l i n g ) 半固态轧制的主要目的是生产高质量的板 材。其方法可分为流变车l i t i j 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( t h i x o e x t r u s i o n ) 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) ，a i 、m g 轻质高强合金、m m c 及 钢等都可以挤压成形( 如复杂的几何形状、薄壁构件等) 【3 3 】。 1 7 本论文选题的意义和目的与研究内容 1 7 1 本课题意义 虽然半固态金属成形工艺的诞生已逾3 0 年，应用于镁合金的半固态触变 成形技术也已应用了l o 年，但是文献对目前全世界拥有的半固态成形设备的 统计数据各不相同，可是有一点可以肯定，半固态触变成形技术并没有获得人 们起先所预期的那样广泛的应用，主要原因在于这种工艺本身存在的许多不完 善的地方。在加大半固态镁合金生产应用研究的同时，基础理论研究也必须要 给以足够的重视。只有充分掌握了其本质规律，才能更好地对半固态镁合金的 生产进行指导和改善。 随着计算机数值模拟技术的不断改进，计算机模拟技术作为产品设计、生 产、加工等主要的辅助手段，其应用范围不断扩大，已开始应用于半固态镁合 金触变成形由于半固态金属加工是在固液两相区进行的，它融合了铸造和塑性 成形的工艺特点。因此，其成形过程模拟难度较大在低固相率( 5 0 6 0 ) 时，半固态金属的性质主要是流变特性；在高固相率( f 5 0 - - - - 6 0 ) 时，半固态 第1 章绪论 金属的性质既有流变特性，但更主要表现为晶粒颗粒构成的固体骨架的粘塑性 变形特性【3 4 。国内外不少学者对半固态金属加工过程模拟进行了大量研究工 作，但绝大部分数值模拟是针对触变压铸，而在高固相率前提下的半固态模锻 数值模拟相对较少。 当今，随着半固态加工技术研究的不断深入，半固态触变成形技术的优势 也更加日益凸现，与低固相率镁合金相比，高固相率镁合金的触变成形研究的 还不够充分因此，对高固相率镁合金的触变成形的研究将更具有良好的发展前 景其优势如下：1 ) 低的成形温度，低的保温时间，更少的热疲劳，对模具的热 腐蚀也少；2 ) 节省能耗；3 ) 可以避免高温时镁合金的腐蚀和燃烧；4 ) 由于较少 的液体固化因此限制了其收缩孔隙；5 ) 生产周期更短。 本文将半固态技术应用于镁基复合材料制备之中，并利用半固态技术来解 决镁基复合材料的二次塑性加工难的问题。文中对s i c 以忆6 1 镁基复合材料半固 态触变成形工艺过程中的复合材料制备、半固态等温热处理、压缩变形后微观 组织的分析、触变成形数值模拟、触变成形等工序进行深入的理论与实验研究。 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。 综上所述，本课题的研究在社会、经济与科研方面都有重大的实践与理论 意义。 1 7 2 本课题的研究内容 ( 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 以坦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，研究其在半固态下微观组织的变形行为及变形机制。 ( 3 ) 利用s i c “坦6 1 镁基复合材料触变塑性成形的本构模型。利用 d e f o r m - 3 d 塑性有限元软件对常规态和半固态s i c “忆6 l 镁基复合材料触变成 形分别进行了数值模拟，获得了两者在变形过程中的载荷、等效应变场、等效 应力场和流动速度场、以及温度场的变化规律。 ( 4 ) 进行s i c o a z 6 1 镁基复合材料触变实验研究，研究触变塑性成形规律。 进行触变模锻实验，为进一步研究复合材料的触变塑性成形提供理论指导。 1 2 苎! 茎! 堕型皇堑! 墨宣塑翌兰旦查堑整盟鱼! 鱼 第2 章s i c p a z 6 1 复合材料半固态坯料的制备 金属基复合材料性能受到很多因素的影响，其中制各技术的优劣是关键条 件之一。经实验验证，对坯料先进行搅熔铸造，然后再用半固态等温热处理的 方法可以制各出优毙的半固态坯料。本章研究了s i c v a z 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闻。结果表明：制各s i c 口，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 c ，保温时间6 0 r a i n 。 2 1 实验方法 2 1 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0 1 5 ，z n0 4 0 6 1 5 ，s i 0 1 0 ，c u 0 0 5 ，n i0 0 5 f e0 0 0 5 ，余量为m g 4 4 。经差热分析测定，a z 6 1 镁舍金的液相线温度：6 2 0 ，固相线温度：5 2 5 c 。其基体组织如图2l 所示，增强体采用绿色口一s - c 颗粒，平均粒度为1 0 u n ，其的性能参数见表2 1 a s i 。 图21 镁台金a z 6 1 基体组织 f i 9 21 a z 6 1m a g n e s i u m m m d x 篁! 至! 塑坐垄! 里堂塑塑兰旦查些坚塑型兰 表2 1 口- - s i c 颗粒的性能参数 t a b l e 2 1 p h y s i c a lp r o p e r t i e s o f 口一s i c i m r t i c u l a t e s 2 1 2 制备工艺装置 a z 6 1 基体合金采用实验室自制电阻炉进行熔炼。在熔炼过程中，熔液用调 速电机驱动的搅拌器进行搅拌。同时为了保证在熔炼过程中温度控制精确，在 加热炉装置中，将热电偶直接插入熔液中，并与人工智能温度调节仪表b t 6 0 8 相连，控温精度为士1 。通过与真空泵相连的直径为o l o m m 吸液管对进行制 各的复合材料试样取样( 如图2 2 ) 。 1 热电偶2 加热电阻丝3 坩埚4b t 6 0 8 ( 人工智能温度调节仪表) 5 电阻炉6 搅拌叶片7 真空罐8 压力袭9 暇液管l o 真空泵 1 1 导气管1 2 调速电机1 3 搅拌杆 图2 , 2 $ i c p a z 6 1 镁基复合材料搅拌装置示意图 f i 9 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a m o f s t l rc a s t i n g o f s i c ，a z 6 i m a g n e s i u m m a l r i x c o m p o s i t e s 2 1 3 蹦备工艺方案 课题组对s i c d a z 6 1 复合材料制备进行了研究，得到了制各s i c a z 6 1 复合 材料半固态坯料的最佳优化方案。