（材料加工工程专业论文）半固态a356铝合金流变特性的研究.pdf

上海大学硕上学位论9 j ( 2 0 0 6 1半固态a 3 5 6 铝舍金流变特性的研究 摘要 由于半固态金属成形技术具有成形件组织致密、裹气少、性能优异，且属于 近终型成形，自2 0 世纪7 0 年代初，半固态金属成形技术问世以来，经过3 0 多 年的研究和开发，该技术在许多领域，尤其是在汽车零件制造业中得到越来越广 泛的应用。半固态金属浆料的流变特性研究及其组织演变的控制是半固态成形技 术的关键工艺之。 本文根据同轴圆筒旋转法粘度测量原理自行研制了一台半固态金属流变仪， 并通过测量甘油的粘度来检验流变仪的测量精度。在三个不同温度下测得甘油粘 度的绝对值与文献数据非常一致。并用该台流变仪对半固态a 3 5 6 铝合金的流变 特性及组织演变过程进行了研究。 稳态流变特性研究结果表明，半固态a 3 5 6 合金浆料稳态表观粘度随固相体 积分数的增加而增大，随着剪切速率的增大而减小，具有剪切变稀的伪塑性特征。 瞬态流变特性研究结果表明，半固态a 3 5 6 合金在半固态温度区域具有明显的触 变性。在剪切停留期间半固态a 3 5 6 合金的初生相发生了“团聚”或“合并”， 且随停留时间的增加，瞬时峰值表观粘度增加，但再次达到平衡态的稳态表观粘 度有所降低。在连续冷却条件下，半固态浆料的表观粘度随着温度的降低先缓慢 后迅速增大，冷却速度显著影响半固态a 3 5 6 合金的表观粘度。降低冷却速度， 由于搅拌充分而导致表观粘度明显降低。通过对合金枝晶臂的受力进行分析，初 生0 【a i 非枝晶组织的形成可能主要是由枝晶根部的缩颈熔断分离及剪切搅拌而 使枝晶折断的共同作用结果。 用含t i 和b 的复合盐对a 3 5 6 合金进行细化变质处理，得到不同初生固相 颗粒组织。6 0 0 等温剪切实验表明，细化与未细化的a 3 5 6 合金都具有触变性， 但细化后的半固态a 3 5 6 合金触变时间变短，且平衡表观粘度值小。在相同的冷 却速度及剪切速率的连续冷却实验中，在相同的固相率下，细化后的半固态a 3 5 6 合金浆料的表观粘度随着t i 含量的增加而降低。金相组织观察结果表明，随着 t i 含量的增加，初生a a i 由枝晶状向颗粒状转化，并趋向圆整，且相应的剪切 终了组织也更加圆整、细小。 本文还初步探索了s i c 颗粒的尺寸及体积分数对s i c ：以3 5 6 颗粒增强复合材 上海人学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 半固态a 3 5 6 铝台金流变特性的研究 料表观粘度的影响。在总固相率相同时，加入的s i c 体积含量越多，s i c 。a 3 5 6 复合材料浆料流变性能越好。在加入的s i c 颗粒体积分数相同的条件下，增强颗 粒尺寸越小，复合材料浆料表观粘度越大。 关键词：a 3 5 6 铝合金流变特性表观粘度剪切速率半固态金属流变仪 i l 上海大学硕士学位g 仑文( 2 0 0 6 ) 半固态a 3 5 6 铝台金流变特性的研究 a b s t r a c t t h es e m i s o l i df o r m i n g ( s s f ) t e c h n i q u eh a v et h ea d v a n t a g e so fm o r ec o m p a c t m i c r o s t m c t u r e ，l e s se n t r a p m e n to fg a sa n db e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m e a n w h i l ei t b e l o n g st on e ts h a p ef o r m i n g ，s oi th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yi n d u s t r i e s ， e s p e c i a l l yi n t h ea u t o m o b i l e i n d u s t r y , a f t e rm o r et h a n3 0y e a r sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ts i n c et h et e c h n i q u eh a db e e ni n v e n t e da t 1 9 7 0 s i ti so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e si ns s ft os t u d yt h em i c r o s t m c t u r ee v o l u t i o na n dr h e o l o g i c a lb e h a v i o ro f s e m i - s o l i ds t a t ea l l o y as e a r l et y p ev i s c o m e t e rh a db e e nm a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f m e a s u r e m e n to fc o a x i a lc y l i n d e rr o t a t i n g t h em e a s u r ep r e c i s i o no ft h ev i s c o m e t e r w a sv e r i f i e dt h r o u g hm e a s u r i n gt h ev i s c o s i t yo fg l y c e r i n t h ev a l u e sm e a s u r e da t t h r e ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r ei d e n t i c a lw i t ht h ed a t ai nt h el i t e r a t u r e t h e nt h e r h e o l o g i c a lb e h a v i o ra n dm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no ft h es e m i s o l i da 3 5 6a l u m i n u m a l l o ys l u r r yw e r es t u d i e db yu s i n gt h es e l f - d e s i g n e dv i s c o m e t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo fa 3 5 6a l l o ys l u r r yi ns t e a d y s t a t ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gs o l i df r a c t i o na n dd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h e s h e a r i n gr a t eu n d e ri s o t h e r m a ls h e a r i n gc o n d i t i o n t h es e m i s o l i da 3 5 6a l l o ys l u r r y p o s s e s s e ds h e a r - t h i n n i n gp s e u d o p l a s t i cb e h a v i o r t h er e s u l t so f t r a n s i e n tr e h e o l o g i c a l b e h a v i o re x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h es e m i s o l i da 3 5 6a l l o yp o s s e s s e do b v i o u s l y t h i x o t r o p i c t h ep r i m a r y0 l a 1o ft h es e m i s o l i da 3 5 6a l l o ya g g l o m e r a t e dd u r i n gt h e s h e a rr e s tt h et r a n s i e n tp e a ka p p a r e n tv i s c o s i t yo ft h es e m i s o l i da 3 5 6a l l o y i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gr e s tt i m ef o rt h es a m ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n sa n dt h es h e a r r e s tc a u s e dt h ef a l lo ft h es t a b l ea p p a r e n tv i s c o s i t y d u r i n gc o n t i n u o u s l yc o o l i n ga n d s h e a r i n gp r o c e s s ，t h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo f t h es e m i - s o l i da 3 5 6a l l o ys l o w l yi n c r e a s e d o r i g i n a l l ya n dt h e ns h a r p l yw i t hd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e i th a dag r e a td e p e n d e n c eo n t h ec o o l i n gr a t e t h ea p p a r e n tv i s c o s i t yd e c r e a s e dw i t hd e c r e a s i n gt h ec o o l i n gr a t e b e c a u s eo ft h ea d e q u a t e l ys h e a r i n g t h r o u g ht h em e c h a n i c a la n a l y s i so ft h ed e n d r i t i c a r n l ，t h ef o r m i n go fn o n d e n d r i t ep r i m a r y 一a 1m a i n l yr e s u l t sf r o mt h ea c t i n go f n e c k i n g m e l t i n ga r m sr o o ta n ds h e a r - b r e a k i n g h i 上海大学硕上学位论文( 2 0 0 6 1 半固态a 3 5 6 铝合金流变特性的研究 t h er h e e l o g i c a lb e h a v i o ro fa 3 5 6a l u m i n u m a l l o yw i t h d i f f e r e n ts o l i d m o r p h o l o g yw a sd e t e r m i n e d ，w h i c hw a sr e f i n e dw i t ht h em i x t u r e ss a l tc o n t a i n i n gt i a n dbt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ef l o wb e h a v e ro ft h er e f i n e da n dn o n r e f i n e d a 3 5 6a l l o yp o s s e s s e dt h i x o t r o p i cu n d e r6 0 0 ci s o t h e r m a ls h e a r i n gc o n d i t i o n b u tt h e t h i x o t r o p i ct i m eo ft h er e f i n e da 3 5 6a l l o yb e c o m es h o r ta n dt h es t a b l ea p p a r e n t v i s c o s i t yd e c r e a s e da l s o a tt h es a m ec o o l i n ga n ds h e a r i n gr a t e ，t h ea p p a r e n tv i s c o s i t y o ft h es e m i s o l i da 3 5 6s l u r r yd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o n t e n to ft ia tt h e s a m ef r a c t i o no fs o l i d t h ea n a l y s i so fm i c r o s t r u c t u r eo ft h es e m i s o l i da 3 5 6a l l o y s h o w e dt h a tt h es h a p eo fa a 1t r a n s f o r m e df r o md e n d r i t et or o s e t t eo rr o u n dw i t ht h e i n c r e a s i n go f c o n t e n to ft i ，w h i c hw i l lr e s u l tt om o r ef i n e ra n dr o u n d e rm i c r o s t r u c t u r e t h a nt h a to ft h en o n r e f i n e da l l o ya tt h ee n do fs h e a r i n g a tt h es a m et i m et h er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fs i c p a 3 5 6c o m p o s i t es l u r r i e si nt h e s e m i s o l i ds t a t ew a ss t u d i e dt oe x p l o r et h ei n f l u e n c eo fs i cp a r t i c l e s s i z ea n dv o l u m e f r a c t i o n s d u r i n gt h ec o n t i n u o u s l yc o o l i n ga t ac o n s t a n ts h e a rr a t e ，s e m i s o l i d s i c p a 3 5 6c o m p o s i t es l u r r i e sd i s p l a y e dl o w e ra p p a r e n tv i s c o s i t yt h a na 3 5 6a l l o y , a n d t h ef l u i d i t yi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h es i cp a r t i c l e s v o l u m ef r a c t i o na te q u i v a l e n t t o t a lv o l u m ef r a c t i o n so fs o l i d a tt h ee q u i v a l e n ts i cp a r t i c l e s v o l u m ef r a c t i o n ，t h e a p p a r e n tv i s c o s i t yo fc o m p o s i t es l u r r i e si n c r e a s e dw i t hd e c r e a s i n gt h es i cp a r t i c l e s s i z e k e yw o r d s ：a 3 5 6a l u m i n u ma l l o y , r h e o l o g i c a lb e h a v i o r , a p p a r e n tv i s c o s i t y , s h e a rr a t e ，s e m i - s o l i dm e t a lv i s c o m e t e r r v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：洫五。念日期：塑! ：! ：2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：畦导师签名：互骅日期：掣 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 1第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 半固态金属成形概述 1 1 1 前言 降低能耗、减少环境污染以及节约地球有限资源是人类所面临的一个十分紧 迫的任务。例如，对于汽车工业，节约能耗首先是提高汽车的燃油经济性，而减 轻汽车自重是其重要的措旎之一。据报道，汽车自重减轻1 0 ，燃油经济性可 提高5 5 j 啦】。节能、低污染、材料可再生利用、高性能和舒适安全的汽车必将 占领汽车市场的统治地位口o j 。铝台金具有比重轻、比强度高、热传导性好以及 良好的装饰性和成形性等特点，因此在汽车、通讯、兵器等行业的应用得以迅速 发展。 随着汽车铝化程度的不断提高，要求开发出不同用途的新合金和不同规格品 种的新铝材，半固态金属成形技术可满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密 度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等综合要求，因而倍受汽车制造厂商 以及零部件配套生产厂商的重视【5 “】。 半固态成形技术是2 l 世纪前沿性金属加工技术。半固态金属成形是金属在 凝固过程中，进行强烈搅拌或通过控制凝固技术，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与液相中的悬浮半固 态浆料，这种浆料在外力作用下，即使固相达到6 0 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，也可以用其它特殊的加工方 法成形为零件。这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法称 为半固态成形技术( s e m i s o l i df o r m i n g 简称为s s f ) 8 - 1 0 l 。 1 1 2 半固态金属成形的主要工艺过程 半固态金属成形的主要手段有压铸和锻造，此外也有人试验用挤压和s l n 等 方法。其工艺路线主要有两条：一条是触变铸造，另一条是流变成形，工艺方法 如图l 一1 所示。对于触变成形，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 上海大学硕士学位沦文( 2 0 0 6 )第一章文献综述 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 半固态金属成形的基本工艺方法 半同态金属成形技术一般由三个部分组成：非树枝品半固态坯料的制备、 非树枝晶半固态坯料的二次加热和成形过程13 1 。 1 1 3 半固态金属成形技术的优点 半固态加工是在固相线和液相线温度区间进行，由于固、液相共存，其固液 相比例与温度密切相关，液相的存在导致金属塑性变形机理和流动条件的改变。 在固相线以上温度，晶界局部熔化，液相存在于晶界处使得金属变形主要是由于 晶粒的转动和晶粒间的相对滑动，而晶粒本身的变形却很小。因此使得金属更易 于流动，使成形性优于传统的金属加工过程m ，1 4 1 。半固态成形工艺具有如下显 著的优点： 1 ) 应用范围广泛，凡是具有固液两相区的合金均可实现半固态成形。 2 ) 与固态金属模锻相比，半固态坯料的流动性和充型性好，因此s s f 是一 种近终型成形技术，既可以成形复杂零件，又可以做到少或无切削加工。同时 s s f 成形时变形抗力低，因此成形机械设备可以小型化，简单化。 翠 上海大学硕上学位论文( 2 0 0 6 )第章文献综述 3 ) 与液态压铸相比，半固态成形坯料加热温度较低，因此减轻了对模具的 热冲击，从而延长了模具的使用寿命，同时还可以节约能源。 4 ) s s f 成型件表面平整光滑，组织致密，内部气孔，偏析等缺陷少，因此 成形件力学性能优异。 1 2 半固态金属的流变理论基础 1 2 1 概述 由于半固态金属成形是在金属的固液两相区进行成形加工，铸造缺陷如热 裂、缩松、偏析、气孔、夹杂等与半固态合金的流变性有关。在半固态加工过程 中，要获得合格的成形零件，必须严格、精确地控制半固态浆料的流变性，所以 半同态合金的流变学就成了半固态成形理论基础的核心。对半固态合金流变性的 研究是半固态合金成形技术领域的一项重要研究内容。 流变学( r h e o l o g y ) 专门研究材料的流动和变形规律，并且特别强调时间的 因素。流变学在研究材料的流动性和变形规律时，按照材料实际的流动变形规律， 把粘性、弹性和塑性结合起来的考虑其性能。半固态金属流变学是现代流变学的 分支之一。它主要以半固态金属合金( 黑色金属、有色金属和金属基复合材料) 的粘流态( 简称金属熔体或金属浆( 糊) ) 为研究对象，应用流变学的基本原理， 分析和处理半固态金属d h i 过程中的工艺和工艺问题，这对合理设计加工机械， 正确选择加工工艺条件均具有指导意义。 半固态金属的流变性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能，是半 固态金属物理特性研究中的一个重要内容。它直接影响半固态金属成形与流动的 工艺条件。半固态合金的流变性能主要表现为其表观粘度的变化规律，通常用半 固态金属的表观粘度( n 。) 作为其流变性的指标，通过研究不仅揭示半固态金属易 于成形的本质，而且可以确定半固态金属制备中浆料流动、成形规律的动量方程 中的有关物理量，为定量研究半固态合金浆料的流动与成形奠定基础。 1 2 2 流体的粘度 对流体粘性研究的一个最重要的结论就是粘性把流动中流体的应力与变形 海大学硕士学位论义( 2 0 0 6 1第一章文献综述 速率联系起来。牛顿最初由平行板间粘性流动的实验，如图1 2 所示，得到下 式： “ f 、x = 叩i y 固定平板u = o 图1 2 平行平板间粘性流动 式中r 表示法线为y 方向的平面上x 方向的切应力，n 为流体的粘度系数，也 称为粘度( v i s c o s i t y ) ，单位：p a s ，u 为上平板相对下平板的流速，h 为两平 板的间距。上层平板以速度u 相对于下层平板运动，通过粘度带动两板之间的流 体形成一个u ( y ) 的流速分布。 n 取决于流体的种类、温度以及所受到的压力。对于工程中经常遇到的流 体而言，压力对粘度的影响可以忽略。 卜式的通用形式为： d u 7 j w2 叩面2 q 7 ( 1 2 ) 式中，：掣为剪切速率。在粘性流体力学中经常用到另外一个表示流体粘性的 a v 系数v ， v ：旦( 1 3 ) p 称为运动粘性系数，或称运动粘度。单位为m 2 s 。 1 2 3 流体类型的分类 对流体类型的划分有不同的分类方法，如：可根据流体运动的雷诺数大小、 4 l 海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 1第一章文献综述 流线的形式、剪切应力与剪切应变的关系等来划分。流体的剪切应力和剪切速率 间的关系曲线叫做流变特性曲线，通常根据流变特性曲线特征对流体进行分类， 如图l 一3 所示【i 们。 粘性体 牛顿体 非牛顿体 图1 3 流体的分类 对于牛顿体( n e w t o n i a nf l u i d ) ，其切应力与应变速率呈正比例关系，该直 线的斜率即为牛顿粘性系数。流体流动时，其内部抵抗流体流动的阻力称为粘度， 这种抵抗流动的阻力表现为流体的内摩擦力。流体流动时，其粘度越大，内摩擦 力越大，流动阻力越大，克服内摩擦阻力所消耗的功就越大。在恒定温度和压力 下，牛顿体的流变行为具有如下特征 ”】： 1 ) 在简单剪切流动中产生的唯一应力是剪切应力- ，两个法向应力差均为 零： 2 ) 剪切粘度不随剪切速率而变化： 3 ) 粘度不随剪切时间而变化，当剪切停止时，流体中的应力立即变为零。 对于牛顿体，无论停留多长时间后剪切，在随后的剪切过程中，粘度仍与停 留前相同。 凡是不服从牛顿粘性定律的流体统称为非牛顿体( n o n n e w t o n i a n ) 。非牛顿 体的流动称为非牛顿型流动。其基本特征是：在一定的温度下，其剪切力与剪切 速率不成正比关系，其粘度不是常数。此时，剪应力与剪切速率之间的关系一般 呈非线性关系。 材料的流变学分类主要在于承受剪切应力时的力学效应，如果剪切应力- 与 剪应变速率y 之间的关系为： 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第一章文献综述 ( 甜叫，”( 1 - - 4 ) 式中，n 称为流变特性指数，n 仍称为粘度。当n = 1 时，该材料称为牛顿体。 当n 1 时，称为膨胀体。伪塑性体及膨胀体都属予 非牛顿体。 牛顿体的粘度n 等于剪切应力f 与剪切速率y 的比值，如果对非牛顿体也同 样处理，则 叩。= 二= 卵y ( 1 - - 5 ) y 口。称为表观粘度，它代表以坐标原点向，一y 曲线上任意一点引出的弦长的斜 率。对牛顿体来说，表观粘度q 。就是粘度，它不随剪切应力t 及剪切速率y 而发生变化。 剪应力与剪切速率的关系曲线( 即流动曲线，见图1 - - 4 ) 可以用来描述流体 的流动行为。 y 图1 - - 4 牛顿流体和非牛顿流体的流动曲线 纵坐标为剪切应力，横坐标为剪切速率 a 为牛顿体，b 为伪塑性体，c 为膨胀体，d 为宾汉体 6 上晦_ 人学硕士学位论5 ( 2 0 0 6 1第一章文献综述 1 3 半固态金属的流变特性及研究现状 1 3 1 半固态金属的流变特性 随着对半固态金属加工技术广泛深入的研究，人们认识到对半固态金属流变 特性的研究不仅促进了铸造工艺的发展和铸件质量的提高，而且在冶金过程、材 质控制中发挥了越来越大的作用。在凝固过程中对金属液进行剧烈搅拌，可得到 一种液态金属中均匀悬浮着一定近似球状晶粒的固相组分的液固混合金属液f 固 相体积分数可达2 0 6 0 ) ，这种半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通 过普通加 + 方法制成产品。 半固态金属浆料是一种在均匀金属液基体中悬浮着细小的近似球形的次 相固体的二相系流体，这种悬浮系是较为典型的二相系。许多研究结果表明，在 非牛顿体中悬浮各种粒子的二相悬浮系，它不同于牛顿体系的是：各向异性的颗 粒在取向中的变化；一定条件下，颗粒从壁开始的移动：变形方式和液体滴的爆 裂；微观不可逆性。大量实验表明：半固态金属浆料属于非牛顿流体，而属于伪 塑性体，它的粘度不是常数，而是随剪切速率的变化而改变。影响半固态金属流 变特性的因素主要有：固相体积分数、剪切速率、冷却速度、流变制度、微观组 织等l 。 l 、固相体积分数对表观粘度的影响 半固态金属与全液态合金的主要差别在于它含有已经凝固的固相，固相的多 少( 即固相体积分数) 将对其表观粘度产生较大的影响。在实际操作中，固相体 积分数由固一液两相体的温度决定，通过s c h e i l 方程将温度换算成固相体积分数 的函数。当固相体积分数达到o 4 左右时，半固态金属的表观粘度将急剧增加。 当固相体积分数很低时( o ，2 ) ，固相微粒间的相互作用力很小，半固态金属浆 料可以作为一种牛顿粘性流体来处理；当固相体积分数增大到o 2 o 6 时，固相 微粒间的相互作用已经十分显著，固相微粒相对运动的流体力学行为，以及固相 微粒的附聚行为被用来解释半固态金属浆料的性质：当固相体积分数达到0 6 o 7 以上时，固相微粒已经成了“骨架”，此时的半固态金属浆料可以被认为是浸 透着液体的多孔物质。 2 、剪切速率对表观粘度的影响 剪切速率对表观粘度有着强烈的影响。在相同的固相体积分数下，表观粘度 上海人学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第一章文献综述 强烈依赖剪切速率，随着剪切速率的上升而下降。对于半固态金属而言，表观粘 度与剪切速率的关系表明了粘性浆料的伪塑性。在许多情况下，剪切速率大小是 搅拌转速的函数。 3 冷却速度 根据凝固理论，合金冷却速度的改变将影响其组织形态，组织形态的改变对 半固态金属流变性的影响规律是人们普遍关心的问题。随着冷却速度的降低，表 观粘度也降低。 4 流变机制 根据剪切方式的不同，半固态金属的流变机制分为稳态流变过程和瞬态流变 过程，其表观粘度会呈现不同的变化规律：根据搅拌过程中温度的变化特点，搅 拌分为连续搅拌和等温搅拌，它将对半固态金属合金表观粘度的变化历程产生显 著的影响。 5 微观组织 半固态金属中固相的数量、大小、形状及分布对其表观粘度也起着决定性 作用。 1 3 2 半固态合金流变特性的研究现状 目前，国内外学者对半固态合金的流变特性研究主要是从变温非稳态、等温 稳态、触变性及动态四个方面进行的，并取得了些成果【l ”。m c f l e m i n g s 、 p k u m a r 、h k m o o n 等国内外众多学者对非树枝晶半固态合金和复合材料的流变 特性及其影响因素进行了较为系统的研究，而且实验过程大部分将旋转式流变测 量原理应用于半固态合金的粘度测量q “。在3 0 多年的研究中，着重探索了剪 切速率、合金温度、冷却速度等外部因素变化时，半固态合金的组织形态、固相 体积分数、以及固态颗粒的聚集程度的变化规律，为半固态金属成形技术的工业 化奠定了基础【3 l q w 。半固态金属的流变特性通常 莆c o u l t e 、s e a r l e 型同轴圆筒 式粘度计或平板式粘度计测定半固态合金的表观粘度来研究。大量的实验研究表 明，合金成分、半固态金属的制造条件、固相颗粒的形状与大小等因素对半固态 金属的流变性能都有影响，但固相体积分数对流变性能的影响最大p 8 1 。 m c f l e m i n g s 等【卅曾对半固态s n 一1 5 p b 合金的流变性能进行了测试，结果表 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第一章文献综述 明：当剪切速率一定时，表观粘度随固相含量的增加而增大。而当合金中的固相分 数一定时，表观粘度随剪切速率的增加也增大，此半固态合金的动态粘性行为属 于涨塑性体”。如型。东南大学的朱呜芳等4 4 1 采用自行研制的高温同轴双筒流变 仪对半固态z h l 2 合金的瞬态流变性能进行了研究，发现半固态合金的剪切应力和 剪切时间的关系曲线的特征与固相分数、剪切速率有关。从剪切应力和剪切时间 的关系曲线上，得出非枝晶组织的半固态z a l 2 合金的流变特性具有依时性( 即触 变性) 。将瞬态流变性能与稳态相比较发现，在稳态下，半固态合金浆液的表观粘 度随剪切速率的增加而降低，表现出伪塑性流体特征，而在瞬态条件下，其表观粘 度随剪切速率的增加而增加，表现出胀流型流体的特征。 目前，半固态金属流变特性理论大致以研究伪塑性为主建立稳态流变模型和 以触变性为主建立瞬态流变模型4 5 1 。稳态模型都基于f l e m i n g s 等【9 】提出的稳态粘 度与剪切速率的幂率形式，其它描述稳态流变特性的幂率形式的模型还包括 k a t t a m i s 等 4 6 】，t u m g 等提出的模型。这些模型虽然可以描述半固态金属的伪 塑性行为，但基本属于半经验公式，不能揭示伪塑性的微观起源。瞬态模型的建 立主要基于一个内部结构参量或p a c r o s s 模型为基础【4 7 。9 1 ，例如m a d a 等【5 0 1 ，q u a a k 等【5 1 1 提出的模型，这些模型主要采用一个结构参量s 来描述半固态金属颗粒的聚 集程度。这些模型的主要目的是得出微观结构参量s 的时间演化方程，但该结构 参量仅是0 到l 之间的一个经验值，没有明确的物理意义，而且与实验中可测的结 构参量之间没有联系，对实验研究的指导作用较小。最近，c h e n 等1 52 l 从微观角 度出发，通过研究切变场中微观结构的演化，确立了半固态金属微观结构与流变 特性的关系，提出了建立在统一理论框架上的半固态金属浆料的本构模型，并将 这个模型应用于s n - - 1 5 p b 体系中【5 卜55 1 ，同时解释了该体系的流变特性。 虽然各国研究者在半固态浆料流变性方面研究取得了很多进展，但是对于这 种含非枝晶固相颗粒金属浆料的流变特性还远远没有完全的认识清楚。至今，很 多研究苔的工作已经越来越一致的认识到浆料组织结构与半固态特有的流变特 性之间存在强耦合关系。但是，对于半固态浆料流变特性的建模工作还远远滞后 于半固态加工技术发展的需要。 对半固态合金流变特性进一步深入研究将为半固态金属加工成形技术的完 善提供必要的理论基础，半固态加工技术的发展将远远超出目前工业应用所局限 上海大学6 贞士学位论文( 2 0 0 6 1 第一章文献综述 的范围。目前应该致力于以下几个方面的研究： 1 ) 建立更可靠的半固态金属浆料流变特性的研究方法，完善其研究装置。 2 ) 深入研究颗粒尺寸和组织结构和化学成分对合金流变特性的影响。 4 ) 建立半固态金属浆料的更具实际意义的流变学模型和物理模型以及能用 于过程仿真的数学模型，以实现计算机在半固态成形中的应用提高自 动化控制能力，确保工艺过程的可靠性和产品的高质量。 1 4 本课题研究意义及内容 1 4 1 开展本课题的意义 自从1 9 7 1 年s p e n c e r 和f l e m i n g s 发现了半固态金属的触变性能以后，半固态 成形技术的研究获得了迅猛发展，已经发展成为一种比较成熟的金属材料成形新 技术。近3 0 年来，人们在半固态浆料的制各、成形新技术及过程理论方面进行了 系统的研究，取得了很多重要成果，极大地推进了该技术的发展 5 ”。通过对半 固态浆料流变性能的研究，可以为开发新型的流变铸造和触变成形技术提供理论 指导。到目前为止，半固态浆料流变学理论的研究还处于初期阶段，虽然建立了 不少理论模型来描述浆料流变学规律，但还不完善。过去3 0 年来大量的研究工作 主要是围绕低圃相分数的半固态浆料的流变特性，目前研究重点已转到高固相分 数的流体的流变特性上。然而由于半固态金属加工流变特性的复杂性、熔体温度 高和化学反应速度快等原因，在实验实现上困难很大，使得对半固态浆料的流变 特性认识还不够深入，而且也缺乏精确定义的相关结构参数数据。同时鉴于我国 在此领域的研究及应用水平与国外还有一定的差距。因此，有必要通过本课题对 半固态金属流变特性作进一步探讨，使我国在此领域的研究和发展有所突破。 1 4 2 本课题的研究内容 本文根据流变学的基本理论及旋转法粘度测量原理，研制了一台同轴圆筒旋 转式半固态金属流变仪，并对半固态a 3 5 6 铝合金的流变特性进行研究，主要内容 如下： 1 同轴圆筒旋转式半固态金属流变仪的研制，设备测量精度的检验： o 上海大学硕十学位论文( 2 0 0 6 ) 第一章文献综述 2 半固态a 3 5 6 铝合金浆料基本流变特性的研究： a ) 研究初生c 【一a 1 固相体积分数和剪切速率对半固态a 3 5 6 合金稳态表观 粘度的影响规律； b ) 研究等温剪切和剪切静置停留过程中半固态a 3 5 6 合金初生相微结构 和表观粘度随时间的变化规律； c ) 研究连续冷却凝固过程中合金冷却速率和剪切速率对半固态a 3 5 6 合 金表观粘度的影响： d ) 探讨剪切搅拌过程中半固态a 3 5 6 合金非枝晶组织形成的机理。 3 初生g l a 1 固相颗粒形貌及坯料组分对半固态a 3 5 6 合金流变特性影响规 律的研究； a ) 研究初生固相颗粒形貌对半固态a 3 5 6 合金流变特性的影响： b ) 研究s i c 颗粒对半固态a 3 5 6 合金流变特性的影响。 l 海大学坝十学位论文( 2 0 0 6 )第二章半固态金属流变仪的研制 第二章半固态金属流变仪的研制 2 1 引言 半固态金属的流变测量有助于建立流变模型，在流变范畴内实现流动的模拟 与力学计算。因此，流变测量能够在评定试验材料本构模型方面发挥重要作用， 同时也将在半固态成形质量控制和过程控制方面有潜在的意义。从流变学的观点 出发，流变测量中的流动通常被认为是简单流动，而实际工业过程中的流动则多 属于复杂流动。一般情况下，复杂流动可以借助数值分析和模拟技术处理，其最 终的目的是将实际成形过程与流变模型之间建立紧密的联系。 半固态合金的表观粘度是研究半固态金属流变特性的一个非常重要的流变 参量。为了研究半固态状态下，金属浆料在成形过程中的流变特性，研究者们分 别采用了不同的试验装置，进行流变特性参数的测定。这种研究装置叫流变仪或 粘度计，它们分别是同轴圆筒流变仪、平行平板流变仪、毛细管流变仪和圆锥流 变仪等。目前，大部分实验利用同轴圆筒式流变仪或平行板式流变仪测定金属浆 液的表观粘度，来研究半固态金属液的流变特性。 如今已经发展多种流变测量方法5 7 1 ，但在半固态浆料流变特性研究中使甩 最普遍的仍为旋转法。该测量方法主要优点是能实现剪切速率连续变化和剪切速 率突变等实验。其采用装置多数为同轴圆筒式流变仪，它分两类：外筒保持静止， 内圆筒旋转的为s e a r l e 型；内筒保持静止，外圆筒旋转的为c o u e t t e 型。 d b r a b a z o n 等1 2 5 1 利用s e a r l e 型流变仪对a 卜s i 合金的瞬态和静态流变特性进行 了研究，m b r a c c i n i 等【5 s 】利用c o u e t t e 型流变仪对高固相率的a 1 8 w t c u 合金 的流变特性送行了研究。国内也有学者用圆筒式流变仪对半固态合金流变特性进 行研究 4 4 , 5 9 1 。 本文应用自行研制的一台s e a r l e 型流变仪来研究半圆态a 3 5 6 合金的流变特 眭。 2 2 半固态金属流变仪的基本测量原理 测量原理图如图2 1 所示，假定试样是非压缩性流体，进行等温、二维、 稳态层流流动。设内筒半径为r i ，外筒半径为r o 。内筒有效高度为h ，在两筒 2 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 1第二章半固态金属流变仪的研制 之间放入被测流体，并使内筒以某一角速度c o 转动，外筒保持静止【5 。 h 二j _ = 二_ 二= 二 图2 一l 旋转法流变仪测量原理图 设试样中离中心轴为r 、高度为h 的圆柱面上的剪应力等于r ，则此圆柱面 上的扭矩m 为 m = 2 2 h r( 2 1 ) 稳态时，扭矩 是常数。 流体在半径为r 处的线速度为u ：，口，将u 对r 微分，可得 c l u & = q + r ( d f 2 d r l ( 2 - - 2 ) 等式右边第一项表示如果没有剪切发生时装置上所有各点的角速度，而内应力是 由r ( d f ) d r ) 引起的。在推导同轴圆筒粘度计的基本方程时剪切速率的表示如下： ，= , t u & = r ( d n d r ) ( 2 3 ) 液体层间产生的内摩擦力，正比于两液层间接触面积s 和该处的剪切应力t ， 并结合牛顿流体的流变方程：f = _ y 有 f = r a s = ，7 y a s ( 2 4 ) 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 )第二章半固态金属流变仪的研制 虱甲：口为稻发糸毅。 由式( 2 3 ) 和( 2 - 4 ) 得： m ：_ 粤2 ) 3 ( 2 5 ) 将上式分离积分，整理得： m r od ，= 2 z 叩h d q ( 2 6 ) - = 彘错( 2 - - 7 ) 由于r 、r 。和h 都是已知的，只要测出内筒扭矩m 和就可以确定粘度系数7 7 。 因为y = 吖，7 ，联合式( 2 1 ) 及( 2 - - 7 ) 得流体的在半径r 的剪切速率为： y ：罂墼 ( 2 8 ) 7 r 2 碍一砰 、 内、外筒间流体的平均剪切速率可简化为： 歹：罂嘻 ( 2 9 ) 7 砰一群 、 2 3 流变仪的系统构成 该装置由温度控制系统、数据采集系统、扭矩传感器及其测速系统以及气体 保护装置组成，其示意图如图2 2 所示： 上海大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第二章半固态金属流变仪的研制 图2 2 同轴圆筒流变仪设各的示意图 1 6 1 7 1 一可控硅温度控制柜2 一升降架3 一直流电机4 一测速仪5 一扭矩传感器 6 一联轴器( 绝热、绝缘材料)7 一传动杆 8 一轴承支座9 一石墨坩埚( 外简) 1 0 一热电偶儿- - n 头( 内筒) 1 2 一半固态金属1 3 一电阻炉1 4 一氮气瓶 1 5 一数据采集模块 1 6 计算机1 7 一直流电机调速器 将坩埚置于电阻炉中，测量装置测头与传动杆相连，传动杆穿过轴承支座由 联轴器与扭矩传感器联接，联轴器由聚四氟乙烯材料做成，起到绝热、绝缘的作 用。轴承支座固定在直流电机底座上，与电机一起上下移动，稳定传动杆，使测 头与坩埚保持同轴。通过调节直流电动机的电枢电压来改变测头的转速，调速范 围为o - - 1 0 0 0 r p m 。 在测量过程中，半固态金属位于同心内、外筒之间的间隙中，试样在电阻炉 中加热并由可控硅控温柜来控