（材料加工工程专业论文）半固态al4cumg合金变形时的微观组织演化.pdf

摘要 合金在半固态变形时内部的微观组织会经历一系列动态变化，微观组织的变 化又会影响材料的变形过程，虽终影响变形后工件的性能。正确理解变形工艺对 微观组织的影响，探讨变形过程的微观机理，并建立变形过程中的微观组织演化 模型，可以为制定合理的变形工艺提供理论与实验依据，并为发展半固态成形技 术奠定基础。 本文研究了应变诱发熔化激活法制备的半固态a 1 4 c u m g 合金的半固态 压缩变形过程。采用热模拟压缩实验和定量金相技术分析了变形工艺参数( 包括 变形温度、变形程度和应变速率) 对材料内部微观组织参数( 晶粒等效直径和分 形维数) 的影响，对比了半固态变形与高温变形微观组织的异同以及供应态合金 与半固态合金变形的异同。通过对变形后试样的t e m 和s e m 观察，初步研究 了半固态变形机理，并研究了变形中产生的孔洞、液相宏观偏析、成分偏析等缺 陷的形成规律。 最后，结合模糊数学和神经网络理论的优点，建立了a i 4 c u m g 合会半固 态变形过程中微观组织演化的模糊神经网络模型，并对该模型的可靠性进行了测 试。测试结果表明：该模糊神经网络模型计算精度高，晶粒等效直径的计算误差 在1 0 以内，分形维数的计算误差在1 5 以内。运用此模型计算了a i 一4 c u m g 合金半固态变形过程中的微观组织参数，计算结果与实验结果吻合。 关键词a i - 4 c u m g 合金；半固态成形；变形机理：微观组织演化模型 a b s t r a c t d u r i n g t h es e m i - s o l i df o r m i n g ，t h em i c r o s t r u c t u r ei nm a t e r i a l su n d e r g o e sas e r i e s o fd y n a m i cc h a n g e s ，w h i c hw i l la f f e c tt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fm a t e r i a l sa n d s e r v i c i n gp r o p e r t i e so f w o r k p i e c e s t ou n d e r s t a n dt h ee f f e c t so f p r o c e s sp a r a m e t e r s o n m i c r o s t r u c t u r ev a r i a b l e s ，a n de x p l o r et h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n de s t a b l i s ht h e m o d e lf o rm i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o ni nt h es e m i - s o l i d f o r m i n g c a l l p r o v i d e t h e t h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o nf o ro p t i m i z i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n d d e v e l o p i n g t h es e m i s o l i dt e c h n i q u e e f f e c to ft h e p r o c e s sp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，h e i g h t r e d u c t i o na n ds t r a i nr a t e ，o nm i e r o s t r u c t u r ev a r i a b l e s ，i n c l u d i n gt h eg r a i ns i z ea n dt h e f r a c t a l d i m e n s i o n ，h a s b e e n i n v e s t i g a t e db y t h ei s o t h e r m a l c o m p r e s s i o n a n d q u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h ye x a m i n a t i o n t h ed i s t i n c t i o n so fm i c r o s t r u c t u r eb e t w e e n t h es e m i s o l i df o r m i n ga n dh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o no ft h ea 1 4 c u - m ga l l o ya s r e c e i v e da n ds e m i s o l i d a 1 - 4 c u m ga l l o y h a sb e e ni n v e s t i g a t e d m e a n w h i l e ，t h e s e m i s o l i dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mh a sb e e n i n v e s t i g a t e db yt e m a n ds e m ，a n dt h e d e f e c t i v e s t r u c t u r e ，i n c l u d i n gc a v i t y ，l i q u i dp h a s e s e g r e g a t i o n a n dc o n s t i t u e n t s e g r e g a t i o n ，h a sb e e ni n v e s t i g a t e d i nt h ee n d ，i n t e g r a t i n gt h ea d v a n t a g e so ft h ef u z z ys e ta n dt h ea n i f i c i mn e u r a l n e t w o r kt h e o r y , am i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o nm o d e ld u r i n gt h es e m i s o l i df o r m i n gh a s b e e ne s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s m e a n w h i l e ，t h e p r e s e n tm o d e l i sc h e c k e d t h ec o m p a r i s o no ft h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo ft h et e s t s a m p l e ss h o w st h a tt h em a x i m u ne l r o ro fg r a i ns i z ei sl e s st h a n10 ，a n dw h i c ho f f r a c t a ld i m e n s i o ni sl e s st h a n15 t h em i c r o s t m c t u r a lv a r i a b l e so f a l 一4 c u - m ga l l o y h a sb e e nc a l c u l a t e dd u r i n gs e m i - s o l i df o r m i n g k e y w o r d s ：a 1 - 4 c u m ga l l o y ；s e m i s o l i d f o r m i n g ；d e f o r m a t i o n m e c h a n i s m m i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o nm o d e l - i i 幽北工业大学工学硕士学位论文 1 1 铝及铝合金简介 第1 章绪论 1 1 1 铝及铝合金的特点和应用 铝是地壳中储量最丰富的金属材料，铝及铝合金具有良好的综合性能，因此 在系列应用领域中显示出许多胜于钢和铜合金的重要优点。在战后的整个时期 内，铝的增长速度超过钢，铝的年生产规模仅次于钢而跃居于第二位”。在国民 经济的各个领域，特别是航空航天、交通运输、建筑等领域，铝及其合金发挥了 巨大作用。 铝及其合金的广泛应用，除了其储量丰富的原因以外，更重要的是其具有优 良的综合性能。慨括起来，铝及其合金的特点可以归纳为眦】： 1 ) 密度小、同等体积的铝的重量只有钢铁的三分之一左右。 2 ) 耐腐蚀性好，化学性能比较稳定，表面氧化层可以起到良好的保护作用， 不易与空气、水等发生反应。 3 ) 具有良好的导电性和导热性能。 4 ) 比强度高，某些铝合金的强度等于甚至超过普通碳素结构钢。 5 ) 铝的塑性很好，容易加工成形，可以轧制成极薄的箔片，并适合于铸造、 锻造、挤压、拉伸、轧制等工艺的加工。 6 ) 弹性高，能经受冲击载荷。铝的韧性在低温下减少不明显。 1 1 2 铝合金的组织和性能 纯铝虽然具多很多优点，但其强度很低，不宜作为受力的结构材料来使用， 需要加入一定的合金元素以提高强度。在铝合金中，常用的合余元素有铜、镁、 锌、锰和硅等。它们对铝的强化作用，主要由固溶强化、沉淀硬化( 又称时效强 化) 、过剩相强化以及细化晶粒来实现【2 】。 西北工业大学工学硕士学位论文 固溶强化是在铝中加入合金元素形成固溶体，由于原子尺寸不同，使铝的晶 格发生畸变，导致铝台金受力时的变形比较困难，强度提高。合金组元的固溶强 化能力与其本身的性质和固溶度有关，还与它和铝基体的相互作用有关。由于合 会元素在高温下具有较大的【司溶度，且固溶度随着温度的降低而减小，人们可以 利用淬火得到过饱和的固溶体，然后在时效过程中分解析出强化相，强化相的结 构越复杂，强化效果越大。 在固溶处理的时候，不能溶入固溶体的那一部分，即第二相叫做剩余相。合 金中的剩余相也能使合金强化，强化效果与剩余相的含量、形态以及分布有关。 含量多则强化效果大，但过多时又会使合金变脆，反而使强度降低。此外，与这 些相的形态也有很大的关系，当其呈等轴形、细小而又均匀地分布时，强化效果 好：当其呈针状、粗大又沿晶界分布时，使合金变脆的危害作用往往大于提高强 度的作用。 组织细化，对于单相合金是指把晶粒细化，对多相合金是指把基体相和过剩 相的尺寸细化。由于在晶界上原子排列错乱，杂质富集，且有大量位错、孔洞等 缺陷，不利于位错从一个晶粒向另一个晶粒运动，所以晶粒越细，晶界面积越大， 对位错运动的阻力就越大，合金的强度就越高。 变形铝合金的组织细化，可以通过变形和再结晶退火实现，铸造铝合金的组 织细化，则可以通过改变铸造工艺或加入微量的合金元素实现。 1 1 3 铝合金的加工方法 铝具有面一i i , 立方晶格。面心立方晶体的最大优点就是具有优良的塑性变形能 力，能够根据需要比较容易地加工出各种复杂的形状。 铝合金较容易进行热变形，也较容易进行冷变形，可以在热状态或冷状态下 进行轧制、锻造、挤压、拉伸、弯曲、板材冲压和切割等操作。通过直接由液态 铝轧制的方法，可以制成铝线和薄板。铝合金的热变形温度因具体合金不同而在 3 3 0 5 5 0 。c 范围内变化，上限温度应低于合金中低熔点相的熔点；而下限温度则 应保证尽可能地利用铝的塑性，并减少变形抗力。在高于再结晶温度变形时，变 形量大，可以使晶粒细化；如果变形量不大，应当在较低温度下变形，避免形成 粗大晶粒。 西北工业大学工学硕士学位论文 铝合金可以用几乎所有的切削加工方法进行加工。毛坯根据经济性及其他方 面的考虑，可以是锻件、铸件或者冶金半成品( 棒、板、型材) 。有些情况下还 可以用化学方法和电加工的方法代替机械方法进行加工。在切削加一l 中，加工铝 合金的切削速度可以大大地高于切削钢的速度。 所有的铝合金都可以采用点焊的方法进行接合，而对于专门的可焊铝合金还 可以采用熔焊的方法进行接合。铝及其合金的焊接，也和其他金属材料的焊接一 样，必须正确地选焊接方法和工艺规程，才能获得质量良好的焊接件。 从铸造性能看，铝合金有许多优点。铝及其合金熔点不高，抗氧化能力强， 熔炼比较容易，而且也容易实现挤压铸造等特殊铸造工艺。采用先进的连续铸造 方法，可以铸造实际所需要的任何规格的铝合金圆锭、扁锭和空心锭。 铝合金是优异的半固态原材料，它具有较宽的液固相共存区间，适合于制备 成半固态材料，进行半固态成形。铝合金半固态成形件具有晶粒细小、致密，组 织分布均匀、内部疏松少、尺寸精度和表面精度高、切削加工量少等特点。在实 际工业生产中，i e j 半固态成形技术生产的金属制品在采用相同的热处理制度下， 其力学性能明显优于传统铸造制品，并与锻件的性能相近。铝合金不同的成形方 法与热处理状态下的力学性能如表1 1 所示，从表中可以看出半固态成形技术的 优越性。 1 2 半固态成形技术 1 2 1 概述 半固态金属成形技术( s e m i - s o l i dm e t a lp r o c e s so rs e m i - s o l i dm e t a lf o r m i n g 简称s s m ) 兴起于2 0 世纪7 0 年代1 3 - 6 j 。当时，美国麻省理工学院的s p e n c e r 【7 1 等在用自制的高温粘度计测量s n 1 5 p b 合会的高温粘度时，发现了金属在凝固 过程中的特殊力学行为：在金属的凝固过程中，进行强烈搅拌，即使在较高尉相 体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，这种特殊性能是由于基体中 存在奇特的球状微粒结构。美国麻省理工学院的研究人员很快意识到金属凝固的 这一特征将具有许多潜在的利用价值，随即对此进行了广泛深入的研究，并发展 【| = i i 北r 业大学工学硕士学位论文 表1 1 不同成形方法所获得铝合金的力学性能比较【3 j 热处理屈服应力抗拉应力伸长率 硬度 加工方法 状态 ，m p 8m p a h b 铸造合金 s s m铸造1 1 02 2 01 46 0 a 3 5 6 s s mt 41 3 02 5 02 07 0 ( a 1 7 s i 0 3 m g ) s s mt 518 02 5 55 - 1 08 0 s s mt 62 4 03 2 01 21 0 5 s s mt 72 6 03 1 091 0 0 p mt 61 8 62 6 258 0 p mt 5 113 818 62 c d ft 62 8 03 4 09 锻造台金 2 0 1 7s s mt 4 2 7 63 8 6888 9 ( a 1 4 c u m g ) wt 42 7 54 2 72 21 0 5 2 0 2 4s s mt 62 7 73 6 6 9 2 ( a 1 4 c u m g ) c d ft 62 3 04 2 08 wt 63 9 34 7 61 0 wt 43 2 44 6 9 1 91 2 0 2 2 1 9s s mt 83 1 0 3 5 258 9 ( a 1 6 c u ) wt 62 6 04 0 0 8 6 0 6 1s s mt 62 9 0 3 3 08 21 0 4 ( a l l m g s i ) wt 62 7 53 1 0 1 29 5 7 0 7 5s s mt 63 6 14 0 5 6 6 ( a 1 6 z n m g c u ) c d ft 64 2 05 6 0 6 wt 65 0 5 5 7 01 11 5 0 注：c d f 为闭模锻造：p m 为金属模铸造：s s m 为半固态成形：w 为锻造加t 。 成为半固态金属加工技术。半固态金属加工技术，就是利用金属材料从固态向液 态，或从液态向固态转变过程中，经历固液态温度区间，获得一种液态金属母液 中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料，这种半固态金属浆料具有流变特 性，易于通过普通加工方法制成产品。采用这种既非完全液态，又非完全固态的 金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术。 相对于传统的铸造和锻造，半固态加工技术具有许多明显的优势 8 1 2 ： 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加工，可适用 多种加t t 艺，如铸造、挤压、锻压和焊接等。 2 ) 充型平稳，无湍流和喷溅，金属凝固时间短，生产效率高，凝固收缩小， 西北工业大学丁学硕士学位论文 内部组织致密，析出物均一分散，晶粒细小均匀，且成形件表面平整光滑，尺寸 精度高，力学性能好。 3 ) 半固态金属的温度较液态金属低，成形模具工作温度低于普通压铸，月 部分会属已经凝固，释放出结晶潜热，对金属模具和设备的热冲击小，有利于改 善模具工作条件，提高模具寿命，从而降低生产成本。 4 ) 不直接处理液态金属，便于实现自动化，改善了劳动条件和生产环境。 5 ) 与金属的固态成形相比，s s m 的流动应力显著降低，因而成型速度更高， 而且可以成型十分复杂的零件，并可更方便地制造出接近最终形状的制品，缩短 了加工周期，提高了材料利用率。 6 ) 变形抗力低，可以用较小的力加工较大尺寸的零件，加工机械设备可以 小型化、简单化，因此可以减少设备投资，节约能源。 7 ) 利用半固态浆体的高黏度性，容易均一地掺入非金属材料和比重差大的 金属，制造新的复合材料和新成分的金属，为新材料的研制提供一条新路。 s s m 技术具有传统成形加工技术不具备的各种特点和优点，近1 0 年来，s s m 技术的应用已逐步成为各先进工业国家竞相发展的一个新领域，被专家学者称为 2 l 世纪新一代的金属成形技术。随着s s m 技术的不断完善和成熟，预计在航空 航天、汽车制造、通讯以及国防尖端领域都会有广阔的应用前景。 1 2 2 工艺过程 半固态成形是针对固、液态共存的半熔化或半凝固金属进行成形加工的工艺 方法的总称。其工艺过程见图1 1 。半固态成形的工艺路线有两条：一条是将经 搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态成形， 通常被称为流变铸摧t ( r h e o c a s t i n g ) 【1 3 】。目前，可实际应用的流变成形技术只有一 种，即射铸技术( t h i x o m o l d i n g ) ，它仅适用于镁合金的成形。另一条是半固态 浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进 行加工，通常被称为触变成形( t h i x o f o r m i n g ) 【15 , 1 6 。与流变铸造法相比较，触变 成形法由于操作简单、便于控制、易于实现自动化，而更适合于工业化生产，现 已被广泛地投入到商业化生产中。触变成形可分为半固态塑性加工和半固念铸造 加工f l7 1 。 西北工业大学j 二学硕士学位论文 藏变钵避_ ：l ：= 嚣流程 墼 1 半固态塑性加工 ；一 制鲁链耄e 分割靛坯 = 苎：加热 j 棼颦压射市 图1 1 _ 固态金属加上过程 半固态塑性加工包括半固态锻造、半固态挤压和半固态轧制。 ( 1 ) 半固态锻造 1 8 、2 1 1 半固态锻造是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行以压缩为主的变形而获 得所需形状、性能制品的加工方法( 如图1 - 2 ) 。半固态锻造可以成形变形抗力较 大的高固相率的半固态材料，并能够获得一般锻造难以达到的复杂形状。可以用 于制造用普通锻造难以成形的许多超合金零件。到目前为止，利用半固态锻造已 经进行了各种铝合金、铜合金、铸铁、高碳钢，甚至高速钢材料的锻造加工试验， 对联轴节、齿轮等机械零件制造进行了研究。在锻造加工的初期，坯料表面多为 自由表面随着加工力的施加，坯料内部 液相单独流动，一部分液相从表面溢出， 流出的液相集中在坯料表面和坯料一起变 形流动充满模腔，冷却凝固后成为制品。 因此，半固态锻造品的内部组织容易产生 不均匀性，通常表层为液相凝固而形成的 组织。 ( 2 ) 半固态轧制【2 2 2 3 j 图i - 2 半固态锻造成形示意图 半固态轧制( 如图1 - 3 ) 要求金属加热到半固态时，仅有保持其固体形状不 胆冯貅 卜 一 舭 西北工业大学工学硕士学位论文 被破坏的强度，变形抗力很低，这种性质对轧制成形有利。现在开发的一种半固 态轧制工艺是在轧机的入口处设置加热炉，将被轧制材料加热到所要求的半固态 后，送入轧辊问轧制。半固态轧制最重要的技术课题是控制液相的流动，制造所 需内部组织的产品。因此，研究轧辊直径、转速、表面温度、压下率等条件对被 轧制材料内部液、固相成分流动的影响，具有积累数据和知识的作用。一般来慌， 轧制件多为板材。 刚1 3 、p 固态轧制成形示意图图1 4 半同态挤压成形示意图 ( 3 ) 半固态挤压【4 3 埘l 半固态挤压的加工工步和热挤压加工的情况基本相同，即将加热到半固态温 度的坯料放入挤压模腔，用凸模施加压力，通过凹模口挤出所需形状的制品( 如 图1 4 ) 。半固态坯料在挤压模腔内处于密闭状态，流动变形的自由度低，内部的 吲相、液相不易单独流动，除挤压开始时若干液相有先行流出的倾向外，在进入 正常挤压状态后，两者一起从模口挤出，在长度方向上得到稳定均匀的制件。半 固态挤压和其他半固态成形方法相比，研究得最多的是各种铝合金和铜台金的 棒、线管、型材等制品。制品的内部组织均匀，力学性能良好也容易操作，今 后的应用前景十分广阔。半固态挤压是难加工材料、粒子强化金属基复合材料、 纤维强化金属基复合材料成形加工的不可缺少的技术。 2 半固态铸造加工 半固态铸造加工主要指触变铸造1 4 3 羽】，是将固体材料加热到所要求的半固 态后放入容器内，用活塞通过喷嘴高速压入模具内填充并凝固得到制品的方法。 这种情况下，充型前坯料的固相率和流变铸造大致相当或略高一些。触变铸造最 显著的特点是变形坯料在压铸前呈半固态，射出时产生的剪应力又可以使坯料具 有充型所需要的良好的流动性。这样，和普通压铸和流变铸造相比较，触变铸造 7 膳北工业大学工学硕士学位论文 对坯料的加热、输送易于实现自动化，可大幅度提高生产率，故该方法是当今半 固态铸造加工的主要工艺方法。 半固态铸造加工与半固态塑性加工的区别在于加工过程中是否产生塑性变 形。前者是一种凝固过程，后者不但有凝固，而且有塑性变形结合。 1 2 3 半固态材料的制备 半固态成形技术中的一个关键问题就是制备优质的半固态坯料。目前，普遍 采用的半固态金属材料制备方法是在金属凝固过程中对熔融金属施加强烈的搅 拌作用，使得金属中的树枝状晶粒破碎为颗粒状晶粒，主要包括机械搅拌法、电 磁搅拌法等。此外，半固态金属材料的制备方法还有喷射成形法、应变诱发熔化 激活法、剪切一冷却一滚动法、基于熔体控制的凝固法和超声波处理法等。其中， 电磁搅拌法和应变诱发熔化激活法是最具有工业应用前景的半固态材料制备方 法【4 1 。 1 机械搅拌法 8 , 1 3 , 3 0 , 3 1 】 机械搅拌法是制备半固态材料最早采用的方法，其设备构造简单，可以通过 控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶粒破碎而成为 球形颗粒结构，从而研究金属凝固规律和半固态金属流变性能。机械搅拌法基本 上可以分为两个类型：一种由两个同心带齿的圆筒组成，内筒保持静止，而外筒 旋转，搅拌装置如图1 5 0 ) 所示。f l e m i n g s 等应用回转机械搅拌装置成功地制备 o o o o o o o 例1 5 机械搅拌袈置示意图 ( a ) 回转式搅拌；( b ) 非连续搅拌；( c ) 连续搅拌 西北_ 上= 业大学工学硕士学位论文 了锡一铅合会半固态浆液。另一种是在熔融的金属中插入一搅拌棒进行搅动，包 括非连续搅拌和连续搅拌两种方式，分别如图1 - 5 ( b ) 和图1 5 ( c ) 所示。目前，这 些机械搅拌法主要用于实验室研究和许多低熔点合金的实际生产中，例如铜基合 金。 通常采用机械搅拌法制备半固态余属材料，可以获得很高的剪切速率，有利 于形成细小的球形和椭圆形微观结构，但是在搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的 死区，使得死区内的半固态金属浆料得不到充分搅拌而性能恶化，而且常常会由 于强烈的搅拌将气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中，影响了浆料的均匀性。 搅拌叶片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染问题都会对半固态合金材 料带来不利的影响。机械搅拌制备的半固态浆料的固相率一般限制在3 0 6 0 的范围内，固相率小于3 0 时，破碎的树枝状晶粒在凝固过程中会产生粗化，倾 向于向枝晶发展；固相率大于6 0 时，浸渍在半固态浆料中的搅拌器有停止和破 损的危险。另外，机械搅拌法还具有比较笨重、操作困难、生产效率低等缺点。 2 电磁搅拌法【3 2 州1 图1 - 6 是一种典型的电磁搅拌装置示意图。电磁搅拌法是利用旋转电磁场在 熔融金属中产生感应电流，使得熔融金属在洛伦兹力的作用下产生运动，从而达 到对金属液体搅拌的目的。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应 线圈内通交变电流的传统方法。另一种是1 9 9 3 年由法国的v i v e s 3 3 1 推出的旋转 永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生高强度的 磁场，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液体产生明显的三维流动，提高了 搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。 电磁搅拌法利用电磁感应力将析出的树枝状晶粒破碎，属于非接触式搅拌技 术，能保证半圆态金属浆料纯净，不卷入气体，因此电磁搅拌法克服了机械搅拌 法存在的缺陷。但从实现搅拌的方式来说，无论是采用线圈式还是采用永磁式， 都存在投资设备大，能耗高，操作工艺复杂等问题。由于电磁搅拌法制备过程的 局限性，通常认为，直径大于15 0 m m 的材料不宜采用电磁搅拌生产 3 4 , 3 5 1 。 3 应变诱发熔化激活法( s 1 m a ) 1 3 6 。” 应变诱发熔化激活法由y o u n g 3 6 1 于1 9 8 1 年发明，工艺过程如图1 7 所示。 西北1 业大学工学硕士学位论文 图1 6 电磁搅拌法示意图图1 7 应变诱发熔化激活法上艺示意蚓 首先将常规金属的坯料或者棒料进行挤压、滚压等热加工，使金属坯料的显微绢 织具有强烈的拉长形变结构，随后对热变形坯料施加少量的冷变形，再加热到固 液两相区等温一定时间，然后快速冷却获得具有非枝晶组织的半固态金属材料。 在等温处理过程中，坯料首先发生再结晶，然后部分熔化，最终球状的固相颗粒 分散在液相中，狭得半固态组织。一般认为，其机理是熔化的部分液相渗入小角 度晶界中，使得固相颗粒分开，从而使树枝状晶粒破碎。因此，应变诱发熔化激 活法的工艺效果主要取决于较低温度的变形和等温处理两个阶段。通过对应变诱 发熔化激活法进行改进，添加微量元素和进行循环热处理，可使晶粒尺寸减小， 初生相的颗粒更圆整，并缩短初生相颗粒球化的时间。 应变诱发熔化激活法适用于各种高、低熔点的合金系列，尤其对制备较高熔 点的非枝晶合金具有独特的优越性。目前，应变诱发熔化激活法已成功地应用于 不锈钢、工具钢和铜、铝合金系列，获得了晶粒尺寸为2 0 p _ m 左右的非枝晶结构 的半固态金属材料p ”。应变诱发熔化激活法制备的金属坯料纯净，产量较大，目 加工过程不需要复杂的设备，因此，正逐渐成为一种极具竞争力的半固态金属材 料的制备方法。但由于要增加一道预变形工序，使得制备成本提高，且与电磁搅 拌法相比，仅仅用于生产小直径坯料。 4 喷射成形法 4 5 - 4 7 】 喷射成形法是在金属材料熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，在喷射气体 作用下部分凝固的液滴直接沉积在收集基板上。当每个熔滴的冲击能够产生足够 的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，经加热到局部 两北t 业大学工学硕士学位论文 熔化时，也可得到具有球形颗粒固相的半固态会属材料。图1 _ 8 是o s p r e y 喷射 成形法的示意图。目前已用这种方法对铝合金、黑色金属以及金属基复合材料进 行了成功的试验。 与其他方法相比，喷射成形法成本较高，只适合于制备具有特殊要求的大尺 寸坯料。 图1 8 喷射成形法示意图图1 9 剪切一冷却一滚动法示意倒 5 剪切一冷却一滚动法 4 8 , 4 9 1 k i u c h i 4 8 】等针对机械搅拌法不能制备出固相分数高于6 0 的半固态金属材 料，冷却速度较低等缺点，认为必须设计出一种理想的机械装置，使之具有较高 的强度和刚度，必要的动力和扭矩，有效的冷却系统、固相分数控制系统以及稳 定连续操作的控制系统。为此，他们提出了剪切一冷却一滚动法工作原理如图 1 - 9 所示。该机械装置含有一个旋转的剪切冷却滚子，一个固定冷却靴和一个卅 料导板组成。加热到所需温度的熔融金属浇入滚予和冷却靴之间的间隙内，用预 热滚子和冷却靴来控制熔融金属的温度，使其处于固液两相区，并调整滚予旋转 速度及与冷却靴之间的间隙大小，实现不同程度的剪切，得到具有非枝晶的半固 态金属材料。 剪切一冷却一滚动法装置简单，操作维修方便，滚子表面与熔融金属周期性 接触，温度不会升得很高，使用寿命长，滚子与冷却靴表面的温度以及两者的l 刈 隙可独立凋整，容易达到所需的工艺条件。剪切一冷却一滚动法适用于各种熔点 的合金，并适合于大批量生产。目前，已应用该法制备出铝合金半固态材料，其 实验设备转速为11 0 r m i n ，最大驱动扭矩9 8 0 j ，滚子相对冷却靴可承受的压力达 1 96 k n 。 西北工业火学工学硕士学位论文 6 液相线铸造法5 2 】 由东北大学与澳大利亚墨尔本大学合作，成功地开发了液相线半连续铸造 法。其原理是在合金液相线温度附近经适当保温后进行浇注，而获得均匀、细小 的非枝晶组织，以适合于半固态成形。该工艺具有广阔的发展前景，适合于制备 高低熔点合金，如7 0 7 5 、2 1 6 8 等铝合金和铁基合金等。 7 粉末法 5 3 , 5 4 1 粉末法是指先将金属粉末混合、压块，然后再加热使一种粉末熔化或不同成 分粉末相互扩散形成合金后熔化而得到液相，形成固液混合会属浆料的方法。在 此工艺中，固相颗粒的大小取决于高熔点粉末的尺寸。此外，该工艺粒子聚集的 町能性比搅拌工艺小。因此，在某一温度下恒温保持时，细小组织的浆料可以保 持。这一t 艺成本较高，但可以用来制备具有特殊用途的产品。 8 其它方法 d o b a t k i n l 5 5 】等提出了在液态金属中加入细化剂，并进行超声波处理后获得半 固态铸锭的方法，称之为超声波处理法。h i r t 5 6 1 等报道，挪威n o r s kh y d r o 公司 已经用化学晶粒细化法与特殊的凝固条件相结合，制备了半固态镁合金a z 9 1 的 细晶铸锭。紊流效应法州的原理是让金属通过特制的紊流装置，利用金属液体的 紊流效应打碎形成的枝晶并抑制枝晶生长，因此获得具有流变特性的半固态浆 料。这是巴西坎皮纳斯国立大学首先使用的一种流变铸造方法，它成功地应用于 铝合金和铜合金的流变铸造成形上。潘冶5 7 1 等研究了基于熔体控制的凝固法，该 方法具有不需要搅拌和不需加入合金元素的优点，已制备出铝合金、灰铸铁等半 固态余属材料。朱呜芳1 5 8 1 等将添加有微量元素的z a l 2 常规铸锭重新加热至固液 两相区进行半固态等温处理，获得了理想的非枝晶组织。 1 3 微观组织演化 1 3 1 微观组织演化特征 半固态变形过程中，微观组织的演化有其特殊性。普通的塑性变形，影响变 西北工业大学t 学硕士学位论文 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。 半固态变形过程中的影响因素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，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7 l 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。因此，必须对半固态变形过程中的 缺陷得到全面、清晰的认识并采取必要的补救措施，否则其进一步应用就会受到 一定的限制。 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。用文 彤【59 j 等选用s i m a 法制各的l c 4 合会及液相线凝固法制备的l c 9 合金为原料，研 究了半固态d h i a i z n m g 合金的组织演化。结果发现由于两种方法制备半固态 坯料的机理不同，从而导致两种材料加工后的组织演化规律截然不同。杨雄飞【6 0 等研究了电磁搅拌法制备的半固念6 0 s i 2 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形的最佳变形温 度。v a a n d r a g e r l 6 1 等研究了晶界处含有液态铋的铜合金的高温蠕变行为，结果表 明晶粒间的熔化相对合金蠕变具有增强作用，同时提出含有液相的合金的变形机 理，即应变主要由晶界滑移产生，而晶界滑移主要由孔洞的形核与长大来调节。 l e w a n d o w s k i 6 2 1 等研究了半固态7 1 8 合金变形时的孔洞演化规律，提出了i l 洞在 液相中形核与长大的模型。 1 3 2 微观组织演化模型 研究金属在热态塑性变形时的微观组织演化过程，目前的做法是针对主要的 微观组织演化过程，如动态回复和再结晶等进行实验研究，然后建立数学模型， 即微观组织演化模型( m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nm o d e l ) ，用于描述微观组织参数与 西北_ 业大学工学硕士学位论文 宏观热力学参数间的关系。材料的微观组织演化模型最早是在轧钢领域提出和得 到应用的。m c q u e e n 6 3 , 6 4 等首先对中、低碳钢在轧制过程中的多因素软化机制进 行了大量实验研究。s e l l a r s l 6 5 , 6 6 等对碳钢、工业纯铝和纯铜板材轧制过程中的微 观组织演化进行了数值模拟，建立了晶粒尺寸和再结晶体积百分比的半经验公 式。y a d a 6 7 1 等建立了c m n 钢环轧过程中的晶粒尺寸及其分布的数学模型。 k o p p 6 8 】首先将微观组织演化模型引入到非稳态锻造过程中，建立了低碳钢二维 镦粗过程中晶粒尺寸和再结晶体积百分比的经验公式。 半固态变形实质上也是一种热态变形，但是其变形过程非常复杂，采用普通 的数学方法难以准确地描述其微观组织的演化规律，从而也难以建立起准确的数 学模型。而目前对于半固态坯料制备过程的微观组织演化研究已趋于成熟，并建 立起了相应的演化模型，如再结晶与晶粒长大模型、熔渗破碎模型、晶粒球化t j 长大模型等【6 。若能完善半固态变形过程中的微观组织演化模型，并将二者结合 起来，对整个半固态加工过程进行系统综合的描述，则一定会对半固态成形技术 的数值模拟产生深远的影响。 1 4 本文的主要研究内容 本文以a 1 - 4 c u m g 合金为原材料，研究变形工艺参数对微观组织的影响， 探索半固态变形过程的微观机理，分析变形过程中产生的缺陷，并建立半固念变 形过程中的微观组织演化模型。为发展半固态成形技术奠定理论和技术基础。 本文的主要研究内容如下： 1 ) 以热模拟实验和微观组织观测结果为基础，研究变形工艺参数( 包括变 形温度、变形程度和应变速率) 对半固态变形微观组织参数( 晶粒等效直径和分 形维数) 的影响。 2 ) 通过对变形后微观组织的t e m 和s e m 观察，研究半固态变形过程的微 观机理，分析半固态压缩过程中出现的孔洞、液相宏观偏析和成分偏析等缺陷。 3 ) 以a i - 4 c u - m g 合金的微观组织定量观测结果为基础，结合模糊数学与神 经网络理论与技术，建立a i - 4 c u m g 合金在半固态变形过程中的微观组织演化 模型。 西北t 业大学1 ：学硕士学位论文 2 1 半固态材料 第2 章半固态压缩变形 2 1 1 原材料的选用 制备半固态材料所用的合金必须具有比较宽的凝固温度区间，这是后续部分 重熔和触变成形工艺的基础【4 】。在工业生产中，a 1 4 c u m g 合金作为变形铝合金， 具有强度较高、塑性较好的优点，被广泛地应用于航空及民用领域，尤为可贵的 是，它的凝固温度区间较宽，十分适合制备半固态材料，可充分发挥半固态成形 技术的优点。因此，本文选用a 1 4 c u m g 合金作为原材料，测试的化学成分如 表2 1 所示，其状态为挤压后经固溶处理加自然时效，经测定合金的极限强度和 屈服强度分别为4 1 6 m p a 和2 7 9 m p a 。 图2 1 是供应态a i 4 c u m g 合金的微观组织。从图中可以看出，材料内部为 因挤压而形成的纤维组织呈拉长结构，不适于半固态成形。因此，有必要施加 定手段来改变其组织形貌，以获得近球状的半固态组织。 表2 - 1 实验用a i - 4 c u m g 合金的化学成分( w t ) 竺竺坚g坚翌里! !垒 旦垒1 4 1 00 6 4o 5 4o 3 70 3 40 1 0 o 0 1 9其余 图2 - 1 供应态a i 一4 c u m g 台金的微观组织 西北工业大学_ ：学硕士学位论文 2 1 2 半固态温度区间 物质在升温或降温过程中，如果发生了物理或化学的变化，有潜热的释放或 吸收就会改变原来的升温过程，在温度记录仪上会有异常的反映，称为热效应。 在金属材料领域中，差热分析技术( d t a ) 就是利用热效应来研究金属材料的相 变，用以测量材料的相变温度，包括固液相转变和固态相变。因此，a i 4 c u m g 合金的熔化区间可用差热分析法确定，差热分析曲线如图2 2 所示。 图2 - 2 中横坐标为温度丁，纵坐标为试样和参比物的温度差r 。分析d t a 曲线可知，曲线先上升，到了一定温度后，峰值下降，随后又开始上升。若曲线 的峰向上，试样的温度高于参比物的温度，r 为正值，说明试样发生了放热反 应，此时为放热峰。反之，曲线峰向下，试样的温度低于参比物的温度，丁为 负值，则说明试样发生了吸热反应，此时为吸热峰。根据图2 2 判定，a 1 4 c u m g 合金在5 1 4 0 c 时出现了吸热峰，说明此时温度到达了固相线，晶体开始融化吸热。 温度降到6 4 2 。c 后又重新回升，说明此时温度达到了液相线，晶体已经完全融化。 因此，a 1 - 4 c u m g 合金的固相线和液相线温度分别为5 1 4 0 c 和6 4 2 0 c ，液固两相 共存的半固态温度区间为1 2 8 0 c 。 盘0 4 5 j0 4 03 5 皑o3 石 2 芭 e 盘 一! l 坚 3 0 04 5 c o6 0 0 t e m p e r a t u r e ( ) 图2 - 2a i 一4 c u - m g 合金差热分析曲线 2 1 3 半固态合金坯料 半固态金属成形技术应用中，最重要的就是制各具有非枝晶组织的半固态材 料。半固念合舍坯料制各的方法有多种，如机械搅拌法( m s ) 。电磁搅拌法( e s ) 、 西北工业火学工学硕士学位论文 喷射沉积法( s d ) 和应变诱发熔化激活法( s i m a ) 等。其中，由于s i m a 技术适用于 各种高、低熔点的合金系列，制备工艺简单，不需要复杂的设备，尤其对电磁搅 拌法等方法不宜制备的变形材料具有独特的优越性，被认为是最具有工业应用前 景的方法之一【j ”j 。 应变诱发熔化激活法( s i m a ) 甫i j 备半固态材料的原理是通过足够的预变形破 碎枝晶组织，发生诱发应变，获得变形畸变能，再加热到半固态温度区间等温处 理来得到非枝晶组织。半固态等温处理时，合金首先发生回复和再结晶，随后处 于高能晶界的低熔点相开始熔化，导致近球形固相颗粒均匀分布在液相基体中， 从而获得具有触变性的半固态材料。 本文采用s i m a 技术来制备a i 4 c u m g 合金的半固态组织 7 0 , 7 1 】。将原材料 加工成西1 5 2 5 m m 的试样，在6 0 吨万能材料试验机上进行冷压缩变形，试样 两端涂以润滑油减小摩擦，变形程度为2 0 ，横梁压下速度为l m m m i n 。压缩 后的试样在箱式电阻炉中进行等温处理，温度控制在6 0 0 i - 2 0 c 之内，保温1 8 分 钟后淬火。至此即制成半固态坯料。图2 3 是制备好的半固态坯料的微观组织。 从图中可以看出，半固态坯料的微观组织与原材料的微观组织有显著的区别，原 材料的变形拉长组织已经完全转变成等轴晶粒，晶粒形貌圆整，晶界处分布有一 定的液相，晶粒内部有少量的液相和析出物分布。 图2 - 3a 1 - 4 c u - m g 合金的半固态微观组织 2 2 半固态压缩实验 采用半固态合金坯料进行半固态压缩实验，同时为作比较，还直接采用了供 西北_ l 业大学工学硕士学位论文 应态a 1 4 c u m g 合金原材料进行半固态压缩实验。将制备好的半固态合金坯料 以及原材料加工成0 8 1 2 试样。半固态压缩实验在武汉钢铁研究院的 t h e r m e c m a s t