（材料加工工程专业论文）scr技术制备半固态材料过程三维数值模拟.pdf

东北人学硕l j 学位论文 蛹篮 摘要 单辊蓟切 冷却技术 s c r s h e a r i n g c o o l i n g r o l lp r o c e s s 是 种半围态金属 加 二新接术 可逡续割器裹熔患 毫闲媚章半固态材籽 爨子实现工 f k 亿生 本文利用s c r 技术进行了一系列不同工艺条件下 a 2 0 1 7 半固态坯料制备 黪实验磷究 优化a 2 0 1 7 半筏态坯辩裁冬黟工艺参数 并对萁蠲蠡过程中稻台 场进行有限元三维模拟 进而能够全麟 精确 动态地研究半固态材料制各过程 为翻孺s c r 技术潮备半阉态枣考料韵实际应鞠葵定了瑾论和技术蘩确 本文的主要研究成果如下 根据s c r 技术工艺特点和试验条件 建立了s c r 技术制备a 2 0 1 7 半固态材 料工艺过穰的数学模型 在此基础上 采用蠢限元法 应瘸a n s y s 软捧对 崮 态材料制备过程中热流耦合场下的温度场和速度场进行了三维数值模拟 褒a 2 0 1 7 半濯态耪辩裁备蓬程中 温嶷场模摈结莱装明 台金出口温发基 本与浇口温度成线性的正比例关系 但当浇注温度t o 低于6 9 0 ch 4 合金在出 日发生完全凝固 浇注澈度t o 高于7 9 0 c 合金的半固态区较小 作辊的剪 切作用强度小 不刹于球状晶的形成 为获得合理的半固态区 浇往潋度捧制礁 t o 6 9 0 7 9 0 荒围内较为合理 在a 2 0 1 7 半爨态材料制餐过程中 速疲场黪模裂终粱表睽 食金务工佟辘 与靴块内作层流运动 靠工作辊越近 液体滕运动速度越大 离 作辊越远 液 态箧运动速度越小 在避工捧辍楚密魏速痉簸大值 台金与魏接簸边界链速度为 零 模叛不同工芑参数下半固态材料制备过程 萁结果表明 工作辊转速v 对 合金温度场也有很大影响 v 糍越大 台金黩i 口温度越离 当辊 瓤型脸高度为 1 0 r a m 浇注温度为7 5 0 时 工作辊合理的转速为0 2m s 通过一系熨a 2 0 1 7 拳固态材料到蠡实验 其结暴表明 在工作辗转速为0 2 m s 型腔高度为1 0 r n m 的条件下 当浇注温度高于7 9 0 c 时 得到流体状半 盘i 态合金 其缍织主要先棱鑫或菊菝状爵粒缀缀 低于6 9 0 时 合金滚在辊靴黧 腔中过分凝同 无法得到外貌良好的半固态键坯 浇注温度在6 9 0 7 9 04 c 时 可 获得浆籽袄半固态台金 组织主要是以等轴龋为主 少部分为菊花品 实验结粜 与模拟结果基本吻合 关键词铝合金有限元三维模拟半固态等轴晶 i 奎 i 鑫主翌主堂篁笙奎 一 垒堕 黧堕 a b s t r a c t s c r s h e a r i n g c o o l i n g r o l lp r o c e s si san e wp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y o f s e m i s o l i dm e t a l c a nc o n t i n u o u s l yp r o c e s sh i g hm e l t i n gp o i n ta n dh i g hr a t eo fs o l i d p h a s e e a s yt ob e c o m e c o m m e r c i a l p r o c e s s u n d e ras e r i e so fd i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e ru n i ti tp r o d u c e dp r e p a r a t i o no f a 2 0 1 7s e m i s o l i d i n g o ta c c o r d i n g t os c rt e c h n o l o g y o p t i m i z e da 2 0 1 7t h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r f e m t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t e da b o u tt h ec o u p l e df i e l d so f m a n u f a c t u r i n gp r o c e s st o c a nf u l l y a c c u r a t e l ya n dd y n a m i cs t u d yt h ep r o c e s so f s e m i s o l i dm a t e r i a l sa n df o u n dt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yb a s e o f p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n m a i nw o r ka n d s t u d y w e r ea sf o l l o w s t h r o u g ht h ef e a t u r eo fs c rp r o c e s sa n de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s i te s t a b l i s h e d m a t h e m a t i cm o d e lo ft h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r i n gs e m i s o l i dm a t e r i a l b ys c r t e c h n o l o g y b a s i c a l l y u s i n gf e m a n da n s y ss o f t w a r e t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t e d a b o u tt e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yf i e l d su n d e rt h ec o u p l e df i e l d so fm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s t h r o u g h t h ep r o c e s so f a 2 0 1 7m a n u f a c t u r i n gs e m i s o l i dm a t e r i a l st h es i m u l a t e d r e s u l t st o t e m p e r a t u r e f i e l ds h o w e dt h eo u t l e t t e m p e r a t u r e w a s l i n e a r l yp o s i t i v e p r o p o r t i o n a la b o u t t h e p o u r i n gb a s i c a l l y b u t t h ea l l o yw a s c o m p l e t e l ys o l i d i f i e da tt h e o u t l e tw h e nt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ew a sl o w e rt h a n6 9 0 c w h e ni tw a s h i g h e rt h a n 7 9 06 ct h es e m i s o l i dr e g i o no f a l l o yw a sf e wa n dt h es t r e n g t ho f s h e a r i n ge f f e c tw a s l o w a 1 1w a sn o tf a v o r a b l eo ft h ef o r m i n go fs p h e r i c a lc r y s t a lg r a i n t og a i nt h e r e a s o n a b l es e m i s o l i dr e g i o n t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ew a sr e a s o n a b l yc o n t r o l l e db y t h er a n g eo f6 9 0 7 9 0 c t h r o u g h t h ep r o c e s so f a 2 0 1 7 m a n u f a c t u r i n gs e m i s o l i dm a t e r i a l s a c c o r d i n gt o t h er e s u l t st of e mt h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no ft h ev e l o c i t yf i e l do f p r o c e s s i t s h o w e dv e l o c i t yo fa l l o ym e t a lw h i c hw a sl a m i n a rm o v e di n t ot h er o l l s h o e g a p b e t w e e nt h es t a t i o n a r ys h o ea n dt h er o t a t i n gr o l l w a sm o r ef a s t e ra n dm o r en e a r e rr o l l m o r es l o w e ra n dm o r ef a ra w a y i tg o tt h em a x i m u mv a l u ea tt h en e a r e s tr o l lb u tt h e z e r oa tt h en e a r e s ts t a t i o n a r ys h o e s i m u l a t i n gt h ep r o d u c e dp r o c e s so fs e m i s o l i dm a t e r i a l su n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s p a r a m e t e r s t h a ts h o w e dt h ev e l o c i t yo f r o l la f f e c t e dt h et e m p e r a t u r ef i e l d so f a l l o y i i 东北人学硕 学位论文 a b s t r a c t v e r ym u c h t h ee x i tt e m p e r a t u r eo fa l l o yw a sm o r eh i g h e ra n dm o r ef a s t e rv e l o c i t y w h e nr o l l s h o eg a pw a s10 r a ma n dt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r e7 5 0 c t h ev e l o c i t yw a s c o n t r o l l e dr e a s o n a b l yb y0 2m s 一 t h r o u g has e r i e so fm a n u f a c t u r i n ge x p e r i m e n t so f a 2 017s e m i s o l i dm a t e r i a l s u n d e r0 2 m s o f t h e v e l o c i t yo f r o l la n d l o m m o f t h er o l l s h o eg a p t h er e s u l t ss h o w e d w h e f it h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ew a sh i g h e rt h a n7 9 0 t h es t r u c t u r eo fg o t t e nf l u i d a l l o yw e r em a i n l yc h r y s a n t h e m u mc r y s t a l s w h e ni t w a sl o w e rt h a n 7 9 0 a l l o y l i q u i dw a so v e rc o a g u l a t e da n du n a b l et og e tf i n es e m i s o l i di n g o t s w h e ni t w a s a r o u n d6 9 0 7 9 0 i tc o u l do b t a i ns l u r r ys e m i s o l i da l l o yw h i c ht h es t r u c t u r ew e r e m a i n l ye q u i a x e dc r y s t a l s l o w l yc h r y s a n t h e m u mc r y s t a l s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s w e r ec o r r e s p o n d e n tw i t ht h es i m u l a t e dr e s u l t s k e y w o r d s a 1 a l l o y s f e m t h r e e d i m e n s i o n a is i m u l a t i o n s e m i s o l i d e q u i a x e dg r a i n i 声明 本人矫至交酶学位论文是在导师的指等下完成的 论文中取得的 研究成果除加以标注积致谢的地方外 不包含其它人已经发表或撰写 过的研究成果 也不包括本人为获得其它学位而使用的材料 与我一 同工作过的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确况 明并表示了感瓣 本人签名 躁期 2 0 0 4 年3 月 东北大学颤士学位沦文 第一章绪论 当今 环境污染 能源与资源短缺是全世界范围走的燕大问题 同时在经济 发展全球化的形式下要求国民经济部门不断掇高产晶的技术含量 以适应市场 提鑫竞争力 在毅形式下 为适应国民经济可持续发廷要求 金聪加工纷业j 商 通过科技创新 走保护环境 提高产晶质量 提高产品成材率 节约能源与资源 数路予蠢 簸逶痤擞器枣场经滚要求 减轻能源与资滚短姣瓣压力 瀣绕这凡个方 面 人们进行了大詹的探索 相继涌现了许多金属加工新技术 从液态成形的角 度来看 出现了连续铸挤 连续铸轧 液态挤莲 液态模锻等技术 从嘲态成形 的角度来看 出现了连轧 连续挤压 无头轧制等技术 这些技术都缩短了r 艺 流程 节约了能源与原材料 但所有这些努力都没有打破传统的加工模式 而会 属半疆态抛工技术是一穆在合金滚一露两据区壹接爆工残澎鲍方法 是一癸二专 一世纪前沿性金属加工技术i l 3 它的出现引起了世界各国的高度重视 相继投 资开鼹了系统熬硬究工佟 1 l半潮态加工技术静发展历史与现状 皇固态船工技术 6 0 时进行皴变成形 可裘述为 半嚣态藏形是剩露金属材料腻豳态向液 态 成从液态向固态的转换过程中具有的半固态的特性 所实现的成形 4 1 该技 术的 毫要核心是甓混合浆辑或强籽获褥菲棱繇组织 浆科妊颓球化 等辅品 和 细化 晶粒度约为1 0 0 m 这种组织的舍金在半圈态下比枝晶组织合金表现 b 非常小的流动阻力 它们的触变行为 静止时象固体 剪切时象液体 是半固态 成形的基础 追溯其发展历史 早在1 9 5 6 年 日本北海道大学荻原和高桥教授就提出了 铸搂旋转浇注法 该方法馒簿摸噬t 0 0 r m i n 耱速度转动 露在金矮渡中插久一 根固定棒 通过流体的旋转提供的剪切力使生长在阉定棒 卜的树枝品尖端破艚 放孬僚晶粒缀纯 改善组织 减少了a 1 c u 合金在凝嗣过程中校丽犏祈阍 2 0 世纪7 0 年代初 美国麻雀理工学院 m i t f l e m i n g s 与s p e n c e r 等人发现了 金属凝固过程中韵特殊力学彳亍为 根据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变 学性殿 成功用搅拌方法制各出了半固态金属著进行了铸慈成形 称之为瀛变铸 东北大学硕士学位论文 造 r h e o c a s t i n g 他们首次提出了金属半固态加工峥 m m o l e l m a r 等人刘 f 固态合会的流变与触变行为进行了综合研究 并取得了一定的成果悼j f l e m i n g s 等人的研究为金属半固态加工奠定了基础 在1 9 7 8 年 美国a l u m a x 公司的分 部率先将半固念加工技术转化为生产力 建成了世界上第一条汽车零部件的触变 生产线 9 1 0 2 0 世纪8 0 年代初 c h e n g 等人进行了用镍基超合金i n 一1 0 0 的流变铸造法制 造涡轮盘的研究 1 9 8 5 年a l u m a x 公司将有关半固态加工的专利技术向欧洲转让 生产v o l v o b m w 和a u d i 等小轿车的铝合金零件 1 9 8 8 1 9 9 8 年间 a l u m a x 公司为b e n d i x 轿车公司生产了2 0 0 万件铝合金汽缸 为f o r d 汽乍公司生产了 1 5 0 0 万件铝合金压缩机活塞 成品率几乎为1 0 0 1 1 1 3 1 近二十年来 半固态加工技术得到了快速发展 1 9 9 0 2 0 0 0 年先后召开了6 届国际半固态加工学术会议 在发达国家半固态加工技术工业化应用已经比较成 熟 目前 a l u m a x 公司的m t h o l l y 与i a t a l c o 铝厂已大批量生产曲1 5 2 4 7 6 2 m m 的半固态锭坯 1 9 9 2 年该公司又与s u p e r i o r 公司联合建立了新的生产汽车零件 的工厂 该厂1 9 9 7 年生产能力达2 2 7 x 1 07 k g 年 此外 在美国还有t h i x o m a 与 i t t 等公司也都进行了工业化生产 t h i x o m a 公司利用喷射沉积专利技术生产镁 合金零件 i t t 公司应用半固态加工技术生产铜质电插件 据统计 美国半吲态 加工的生产能力在1 9 9 7 年就达到7 0 0 0 万件 年 迄今为止 欧洲半固态d l i i q z 产单位已达到4 0 多家 具有代表性的有意大利的s t a m p a l 公司 w e b e r 公司与 m m 公司等 意大利是最早进行半固态加工技术商业化的国家之一 w e b e r 公司 从1 9 9 3 年开始就为n l d 公司生产油料注射挡板 法国的p e c h i n e y 公司呵生产 曲7 6 2 1 2 7 1 5 2 4 m m 的a 3 5 6 a 3 5 7 铝合金棒材 德国的e f u 公司也已组织 了商业化生产 1 4 1 日本在2 0 世纪8 0 年代后期就组成了半固态加工公司 s p e e ds t a rw h e e l 公 司已应用半固态加工技术生产铝合金轮毂 1 5 r h e o t e c h 公司包括了1 4 个钢铁仓 业和4 个有色金属公司 从1 9 8 8 年到1 9 9 4 年共投资3 0 亿日圆进行丌发研究半 固态加工技术 日本制钢所已批量生产镁合金半固态触变铸造机 呵以铸造壁厚 为o 5 m m 的零件 据报导该公司已为全球制造了1 0 0 台 另外 同本宇部公司 设计制造的新型流变铸造机既可以进行半固态模锻 又可以进行触变铸造与流变 铸造 该机已出售给奥地利 在2 0 0 0 年投产 我国在2 0 世纪8 0 年代初陆续开展了半固态加工技术的研究 大部分都是利 用机械搅拌的方法进行流变铸造与触变铸造的研究1 1 6 1 9 0 年代钢铁材料的半同 态加工列为国家基金重大项目 北京有色金属研究院 北京科技 人学 清华火 西安交通大学 西北工业大学 东北大学 上海交通大学 哈尔滨 二业大学及东 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 风汽车公司在半固态加工应用方面进行了大量研究 北京有色金属研究院己实现 了a 3 5 7 铝合金的半连续流变铸造 同时与东风汽车公司合作试制出了涡轮盘和 水泵盖零件 其它工业应用的成功报导不多 由于国内对半固态加工技术的研究 起步较晚 与国外的先进水平相比还存在一定的差距 目前 我困对电磁搅拌 a 1 合金半固态连铸坯技术研究还不成熟 尚不能稳定提供电磁搅拌a l 合金半咧 态连铸坯料 拥有先进技术的外国公司严密控制该技术的外流 为了推动a l 合 金半固态加工技术在我国的应用 必须加强a l 合金半固态坯料连铸制备技术 除了继续加强电磁连铸这一技术的研究之外 更应该开发新型的制备a l 合企半 固态材料专用设备 只有这样才 能拥有自己的知识产权 除了加强半固态加工技 术的理论研究外 重要任务是加快其工业应用进程 半固态材料制备 适合半固 态加工专用设备的开发尤为重要 半固态加工技术已广泛应用于交通运输业 2 1 世纪仍是研究的热点 其次 半固态加工技术应用领域已经扩大到电器行业 目前 日本 欧美一些国家已 始生产电视机 电话机 手机和笔记本电脑的外壳 计算机 数字照相机及摄影 机等零部件 尤其是镁 铝合金部件使各类家电产品轻量化 长寿化外 还具有 诱人的金属光泽 漂亮化 另外 更引起世人关注的是铝镁合金 它具有凹收 再生性强的特点 使它取代塑料对环保非常有利 从材料加工的角度来看 轻型 高性能 功能型材料是未来制造行业的需求 半固态加工技术正具有这种丌发的 潜力 它必将在未来的汽车 通讯 计算机 其它设备方面以及航空 航天 吲 防等尖端领域都具有广阔的应用前景 1 2 半固态加工的特点 半同态加工 s e m i s o l i d m e t a l f o r m i n g 同传统的铸锭与加t 方法相比 半 固态加工有如下特点 1 投资小 能耗小 半固态加工时材料的变形抗力低 可以用较小的力 加工较大的零件 加工设备可以小型化 高效节能 并且易于实现自动控制 试 验证明 半固态轧制的轧制力仅是传统热轧的4 0 多层喷射沉积6 0 6 6 铝合金 的半固态挤压的挤压力约为传统挤压力的1 3 成形性能优良m 2 成形性好 可实现短流程生产 半固态材料流动性 变形性好 复杂 的零件也可用很少的工步加工 如图i 1 所示 与传统生产方法相比 半固态加 工可实现近终形 n e a rn e ts h a p e 生产 提高了生产率 节约了原材料 半固 态合金材料由于具有特殊的流变性能 变形性能好 易于加工成形 半固态铸造 直接可以生产出精度较高的产品 与常规金属模铸造相比 半同态加工汽车零件 生产率与成材率高的特点尤为突出 表1 1 是两种方法的比较 6 此外 美国已 3 东北大学硕 学位论文 第一章绪论 利用半固态加工生产出许多电器连接元件 半固态加工电器连接元件与传统的机 械加工相比 也具有生产率与成材率高的特点 见表1 2 6 o 半 堑 漂吾嗣甚凰栅材料必嗣啪藩 鼍徽 j 崮 态 加 工 拜膏堆取 常 鸯 罨景势擅嚣照黧坦嚣耍 蕊毫 规 加 图1 1 常规加工与j f 固态加工工艺流程比较 f i g 1 ic o m p a r i s o nb e t w e e n c o n v e n t i o n a lf o r m i n gp r o c e s sa n ds e m i s o l i df o r m i n g p r o c e s s 表1 1 刹车缸零件生产的损失率与生产率 t a b l e l 1m a s s l o s i n ga n dp r o d u c t i o nr a t ef o rp r o d u c i n gm a s t e rb r a k ec y l i n d e r 常规金属模铸造 3 5 6 一t 67 6 04 5 0 4 02 4 表1 2 电器连接元件生产的损失率与生产率 t a b l e i 2 m a s s l o s i n ga n dp r o d u c t i o nr a t e f o r p r o d u c i n ge l e c t r i c a lc o n n e c t i o np r o d u c t s 3 产品性能好 半固态加工特殊的成形机理决定了加工产品的良好的内 部组织与整体性能 由于在半固态材料的制备过程中 对合金施加剪切搅拌作用 可以消除各种缺陷 半固态铸造时有一个平滑的液态充模界面 消除了气体包裹 减轻了气泡的产生 同时凝固收缩得到了消除 从而提高了材料的致密度与强度 而且减轻了成分偏析 提高了材料性能的均匀性 表1 3 是a 3 5 6 与a 3 5 7 合金 半 置 态压铸件与永久模铸件力学性能比较 1 8 可见2 种铸件的强度性能指标相 当 而半固态压铸件的塑性指标远远高于永久模铸件 4 提高加工工具寿命 半固态合金的温度较全液态合金温度低 加工工具的 工作温度低 因此 提高了加工工具的寿命 降低了生产成本 对大部分铝合余 而言 半固态铸造温度比传统铸造生产时的铸造温度至少低7 0 c 铸模的使用 4 查 盔堂塑主兰垡堡苎 兰二至 i 兰 寿命可提高2 5 1 4 表13 t s n 态压铸件与永久模铸件性能比较 t a b l e l 3c o m p a r i s o no fp r o p e r t i e so f p r o d u c t sp r o d u c e db y 5 易于生产复合材料与新型合金 控制半固态合金粘度 叮以均一地掺 入非金属材料与比重差大的金属材料 生产金属基复合材料与新成分合会 利用 半固态合金的高祜性 在搅拌剪切的过程中加入比重差大的金属或非金属材利 可以生产其它工艺所不能生产的复合材料 在生产粒子强化 纤维强化复合材料 方面 半固态加工有着独特的优越性 目前已有许多科研人员正在努力研究 相 信半固态加工将会对复合材料的加工起到很大的推动作用 1 3 半固态加工的理论研究进展 1 3 1 二元合金的半固态区 图1 2 是简单的二元系共晶合金相图 3 3 化学组成c o 的熔融合金随合金温度的降低 由液相变为固 液相共存的浆状体 随温度的 进一步降低 合金完全转变为固相 而合金组 t l j k b j t 飞 r 恬 一 厂 t 5 s 图1 2 二元合金的 r 同态区 f i 9 1 2s e m i s o l i d z o n eo f b i n a r yp h a s ea l l o y 成c 的熔融合金随合金温度的降低 在共晶点t r 发生共晶反应 合金由液相直 接转变成固相 而对熔融的纯金属而言 随金属温度的降低 在金属熔点t 发 生凝固 金属由液相转变为固相 综合三种凝固情况 对纯金属与共晶合金而言 在偏离金属熔点或合金共晶点时 合金状态为液态或固态 而对化学组成c 的 合金在液相线温度t l 以下 固相线温度t s 以上 此处指共晶温度 的温度范围 内 固态与液态共存 这种状态就叫半固态 简单情况下 按照杠杆定律 在该 范围内的t 温度时成分x b 的固相与成分x a 的液相以线段长度比a b 的比例共 存 因此 对这种合金可以控制温度来控制其固相率 在简单情况下 忽略固相 中溶质的扩散 忽略液 固相间的相对运动 合金凝固达到了动态平衡 当分配 s 查苎查兰堡主兰些堕苎 一一 兰坠2 已 i 堡 系数k 假定为常数 将液相线近似看成一条直线时 可用s c h e i l 方程给出液相 率厂 与液相成分之间的关系 6 j f 障 r l 1 1 lc o 式中c 一初始合金成分 c l 一半固态合金成分 既然半固态合金成分与温 度t 有关 反映在平衡相图中即液相线 方程 1 1 又可表达成 兀 一 1 2 式中 一无量纲温度 一r 一瓦 与瓦分别是纯会属溶剂的熔 点与c o 合金所对应的合金液相线温度 方程 1 2 描述了液 固两相区温度与固相率之间的直接关系 叮以通过 测量温度而直接推算出固相率 但这种方法只限于简单二元合金 另外 还有叫 种测量固相率的方法 一是将半固态合金激冷 测量凝固后半同态合金固相与剪 切断面液 固相的面积比率 二是测量单一轴向流动应力 根据固相率弓流动应 力关系推算合金的固相率口9 1 三是测量半固态合金的电阻 根据电阻与固相率 的关系推算合金的固相率啪l 四是扫描量热差法来测量合金固相率 即根据凝 固潜热释放的多少来确定相变的数量 从而确定固相率 根据以上分析i l j 知 半 固态加工需要选择一定的合金成分 铝 镁 铜 锌 镍 钢铁等有较宽液固共 存区的合金体系均适用 尤其是低熔点的铝镁合金最为适用 冈此 目前铝合金 及镁合金利用半固态加工技术 大批量生产其零部件已获得广泛应用 有色金属 半固态加工技术的应用范围十分广泛 除铝合金外 还可以应用于其它易氧化合 金 如镁合金 易偏析合金 如锌一铝合金 金属基复合材料 高熔点合金 如 铜合金 钢铁材料 钛合金 等 从加工成形角度来讲 半固态加工技术应用范 围也很广 如 挤压 铸造 锻压 轧制 焊接等领域 1 3 2 半固态合金的组织特点及形成机理 大部分合金的凝固方式都是枝晶凝固 其显微组织有两种形式 一种足杜状 枝晶 另一种是等轴枝晶 随合金凝固的进行 固相不断增加 液相逐渐减少 在凝固初期 合金液顶部表面比较均匀 平整 晶粒可自由移动 如图1 3 a 所示 当等轴晶凝固到浆状态 固相率达到某一临界值时 晶粒就会相互连结形 成网状 见图1 3 b 在此固相率下的合金网 根据枝晶的尺寸与结构不同 合金网己达到了不同的强度 根据f l i m i n g s 的研究结果 对a i 一1 5 p b 合金 陔 临界固相率值约在o 1 到o 2 之间 有时会更高 6 这种合金网相互交错 使半 固态金属的流动性变差 当固相率超过临界值时 枝状结构就开始硬化 不能均 6 东北人学硕士学位论文 第 章埔论 匀变形 容易生成裂纹 不能进行成形加工 稿 秘 图1 3 凝固示意图 8 凝霹穰籀秘 邂妖技舄 f i g 1 3s k e t c h o f s o l i d i f i c a t i o n a a t t h e b e g i n n i n g o fs o l i d i f i c a t i o n b d e n d r i t e w e b s 般认为 搬动 低温浇 穗 内部强制对流 搅拌都可以使枝品破解从而细 讫爵粒 商关该橇麓懿鏊穑疆论还没有达戏共谖 有凡释可麓静技品璇礤梳镪 如下 枝晶臂根部断裂机制 在流体剪切力的作用下 枝晶臂从根部断裂f 浆 梭晶根部生长熔断祝铡 流体的流动会改变或加速枝晶生长过程中溶质的扩散 并襁枝晶臂从其 母晶 上带走 破静下来的枝晶臀在莱处会重瓤生 受成为卟 新的晶粒睇 由于强烈对流弓i 起的热量流动会加速枝晶断裂过程 6 j 流体流 裁联带来熬痘力燃样会热速技鼹断裂过程 在投熬棂部淫稳中港矮熙 癃聚会翔 速枝晶断裂过程 液相沿晶界快速渗透并在流动应力的作用下发生再结晶 1 罩在1 9 7 1 年 m l 善静 名研究生在律博士论文霸闻 蔫s n 1 5 p b 合金骰试验 时发现 当凝固开始时合金以拨晶状凝固 潜同时加以剧烈搅拌 会导致非均匀 形核与晶粒细化 同时 长大 剪切 晶粒闷摩擦使合金由校晶状交成玫瑰状 图1 4 描述了枝晶的破礅i 原理 髓着凝固的进行 在缓慢冷却与剪切力的 乍只lf 台龛固相颗粒形状变成了球状 在某些情况下变成了椭球状 其内部往往还包 含罄一定鸵渡稳 磐强1 5 舞零 随着鹧切速率的提高 固相的增加与冷却速度的降低 台金结构分别生长成 銎1 5 中静不丽形状翻 这释禽有球袄等辘菇半固态台金在固楣率为6 0 以下时 的流动性能跟液态台金基本一样 变形抗力很小 可以用传统冉勺铸造工艺 如压 铸 迸行加工成形 或者在高筒相率时通过挤压 率l 制 锻造成形 液态金属结 晶过程中以及凝嗣后制晶的内部晶救的形状积大小主要与冷却强度及搅拌速凄 有关 冷却强度越高 晶粒越细 搅拌速度越大 晶粒越趋于球状 7 查苎查兰堡 兰竺笙塞 j 堡二堡 i 堡 辩 蜘 铺扣辑哼 图1 4 制备半固态合金的原理示意图 f i g 1 4s k e t c ho f p r i n c i p l eo f m a n u f a c t u r i n g s e m i s o l i da l l o y 母一秽一 一 一 图1 5 剧烈搅拌下凝固结构演化示意图 f i g 1 5s k e t c ho f s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ee v o l u t i o nu n d e r i n t e n s es t i r r i n g 1 4 半固态加工的工业应用研究进展 半固态加工技术的研究在工业应用方面主要集中于两个方面 一是半固态合 金材料的制备技术 二是对半固态材料进行加工以达到期望的近终形产品的技 术 1 4 1 半固态合金的制备技术 目前 制各半固态合金材料主要有以下几种方法 1 机械搅拌 有两种典型的搅拌方式 分别为被动式搅拌与主动式搅拌 即搅拌棒固定 熔体进行旋转和搅拌棒主动旋转搅拌 2 2 1 图1 1 2 a 是机械搅拌示意图 通过 搅拌可使凝固初期的枝晶破碎 变形 形成弥散球状晶粒的半固态合金 机械搅 拌的方法 最早被人们发现并进行了大量的研究 在6 0 年代日本荻原等人就设 计了l o o r m i n 铸模旋转装置与4 5 0 r r a i n 搅拌棒旋转装置 机械搅拌最大的特点 是容易实现 搅拌剪切速率可以在很大范围内控制 缺点是不适用于工业化规模 的生产 2 电磁搅拌 m h d m a g n e t oh y d r od y n a m i c 1 2 3 9 0 年代初w i n t e r 等人提出可以用电磁搅拌的方法使树枝晶破碎 利用电磁 搅拌可制备球状初晶与残余熔体共存的金属浆料 如图1 1 2 b 所示 在液态 金属凝固过程中 通过旖加在液固相区的快速电磁感应脉冲对合金进行搅拌 可 获得细小的等轴晶与球形晶 该工艺具有很高的应用价值 在国外已获得了广泛 应用 是目前商业化生产大尺寸半固态合金材料的主要手段 8 东北大学顿十学位论文 第一章缔论 中问包 子 拌线嘲 图1 1 2 制备半固态合金的技术 a 机械搅拌 b 电磁搅拌 f i g 1 1 2p r o c e s s e s o f m a n u f a c t u r i n gs e m i s o l i da l l o y a m e c h a n i c a ls t i r r i n g b m h d 3 单辊剪切 冷却技术 s c r s h e a r i n g c o o l i n gr o l lp r o c e s s 2 4 j 单辊剪切 冷却技术如图1 1 3 所示 它是指在转动的辊子与静止靴子的型腔 中注入合金液 用轧辊所提供的高剪切力使枝晶破砰 最终形成球状晶粒 又称 为单辊搅拌技术 目前 这种技术在日本已进行了的研究 并敬得了一定的研究 成果 图1 1 3 单辊剪切 冷却技术 f i g 1 1 3s c rp r o c e s s 4 其它工艺 应变诱导熔体活化法 s i m a s t r a i n i n d u c e dm e l t a c t i v a t i o n 合金坯料 或棒料在冷加工到一定值后 再加热到半固态区可获得球状结构的组织结构 它 也是目前能够商业化提供半固态材料的制备手段之 用于生产尺寸在几厘米以 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 下的材料 低温液相线铸造 在临近合金液相线温度的条件下进行浇注 可获 得等轴或球形晶粒组织 利用紊流效应 使正在冷却的余属在曲管内流动产生 切变 雾化喷射沉积合金材料在半固态温度范围内的处理 少数合金在铸造 工艺中使用细化剂 得到非枝晶结构的初始晶粒 超声波振动 1 4 2 半固态成形工艺乜5 2 6 如图1 1 4 所示 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 称之为流变铸 造 r h e o e a s t i n g 另一条是将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进行成形加工 称之为触变成形 t h i x o f o r m i n g 在实 际工业生产中 主要采用后一种工艺 j 谢空 垃1 艺糠 陪 罱暇 鬻聪粕 庄兰二 圈圈一裁一 碰 一般说来 半固态加工方法可分为半固态轧制 半固态挤压 半固态锻造 半固态压铸 包括流变铸造与触变铸造 等几种工艺类型 1 半固态锻造 半固态锻造是将材料加热到半固态 在锻模中进行压缩变形 以获得所需形 状与性能的制品的加工方法 半固态锻造可以加工变形抗力较大的高固相率半吲 态材料 并可以加工复杂形状的制品 此外 半固态锻造还可加1 二一些难成形的 超合金 目前 利用半固态锻造已经进行了各种铝合金 铜合金 铸铁 高碳铡 高速钢的锻造加工试验 进行了部分机械零件的加工研究 2 半固态挤压 半固态挤压是将加热到半固态的材料放入模腔 挤压出所需形状i 孑性能的制 品 半固态挤压研究最多的是铝合金与铜合金的棒 线 管 型材的加工 由j 加工制品的性能好 容易操作 应用前景广阔 是难加工材料 粒了强化复合材 行l鞫张 艘 r 一 k 东北大学硕十学位论文 帮一章绪论 料 纤维强化复合材料加工不可缺少的加工技术 3 半固态轧制 具有球状晶的合金加热到半固态时 仅有保持固体形状不被破坏的强度 变 形抗力很低 利于成形 加工对象主要是板材 4 半固态压铸 又分为两种工艺 分别称为流变铸造与触变铸造 流变铸造 r h e o c a s t i n g 是在合金凝固过程中施加搅拌 对具有球状晶的半固态合金进行压铸加工 触变 铸造 t h i x o c a s t i n g 是将经凝固搅拌后的具有球状晶的半固态合金材料进行重 新加热到半固态 然后进行加工的方法 与普通压铸工艺相比 半固态压铸可抑 制气泡的产生 产品性能高 可加工复杂形状的制品 液相线温度 嗣相线温度 再结晶温度 室温 铸埴 液 液态模锻 半固态加工 半6 等温锻造超塑性加工 热锻热挤压 一温锻温挤 同 一冷锻冷挤 f i g 1 1 5t h ep o s i t i o no f s e m i s o l i df o r m i n gp r o c e s sa m o n g m e t a lf o r m i n g p r o c e s s e s 根据加工温度范围进行划分 在液相线以上的加工方法称为铸造类加工 崮 相线以下的加工称为锻造类加工 按加工温度排列 可得到图1 1 5 的排布图 可见半固态加工在加工方法中占有重要位置 在半固态加工技术出现之自u 成形 温度或者在液相线以上或者在固相线以下 因此 半固态加工填补了不能在固 液相间进行加工的空白 半固态加工是在别的加工方法基础上发展起来的 例如 半固态挤压和半固态轧制是在金属压力加工中的热挤与热轧工艺基础上产 l i 的 1 5 有限元法在工程计算中的应用 有限元法的基本思想是2 0 世纪4 0 年代提出的 6 0 年代以来被广泛应用于 结构分析领域 应用于金属塑性成形过程的分析则开始于7 0 年代 近二卜几年 来 有限元方法得到了不断发展和完善 已被广泛应用于机械 冶金 材料 i 乜 子 地矿 水利 核能 石化 土木 生物医学等许多领域 早期的有限元分析 东北人学硕上学位论文 第一章绪沧 程序比较简单 一般由单元分析 加载和求解等部分组成 没有前 后处理功能 应用范围窄 规模小 一般只能处理比较简单的问题 7 0 年代中期以来 随着 计算机硬件技术的突飞猛进 计算机的运算速度大幅度提高 内 外存容量不断 扩大 图形设备不断更新 再加上软件技术的革新和完善 使有限元软件在分析 计算的基础上扩充了强大的前 后处理功能 并引入了文件管理系统和数据库技 术 发展成为系统化和集成化的有限元分析与设计软件 出现了一大批商业化有 限元软件包 如s a p a d i n a a b a q u s m a r c a n s y s 等 使有限元的发 展达到了一个崭新的时期 1 有限元法在流体分析中的应用 在结合传热的流体流动的数值分析中 为了实现对多变量非线性复杂边界问 题的求解 近代发展起来的数值方法主要有有限差分法 f d 有限单元法 f e m 边界单元法 蒙特卡洛法等 有限差分法能对一切偏微分方程或积分方 程求解 思考方法和离散形式简单 容易计算 是一种较为常用的方法 其缺点 是对复杂区域和边界条件的适应性较差 基于积分方程求解的边界单元法已应用 在导热 热应力和对流换热问题的求解中 并具有降维的特征 对于反问题形式 的求解显示出优越性 但它主要适用于物性值为定值的恒定问题 这种方法仍不 完善 基于概率统计随机模拟的蒙特卡洛法已经在辐射换热和导热的数值计算中 取得应用 它能解决高维和边界形状不规则问题 而且方法简单 占用计算机内 存少 缺点是运算量大 精度低 它的误差具有概率性质 收敛速度较慢 有限元法适应于求解复杂边界问题口7 08 1 有限元法在热流体中的计算方法主 要是利用g a l e r k i n 加权余量法 g a l e r k i n 法的主要思想是把权函数 或者试验函 数 选得和基函数 或试探 展开 形状函数 相同 但是 如果要对一个复杂的 问题寻求能够满足整个区域的加权函数是很困难的 因此 要求区域划分成若 卜 个子域 即有限单元 而在每个单元中就可以方便地得到简单形式的加权函数 这种将g a l e r k i n 法和有限元的概念结合而导出的有限元法 又称为g a l e r k i n 有限 元法 该方法在问题不存在经典变分原理时尤为适用 2 9 3 0 2 有限元法在金属成形中的应用 利用有限元法对金属塑性成型过程进行分析 主要有以下几个目的 1 模具 优化和工步设计 2 预测和控制模具的失效和使用寿命 3 预测和控制成型件的 显微结构和性能 4 减少工步数和试模时间 缩短研制周期 5 减少废品和材料 损失 金属塑性成型领域的有限元法可以分为两大类 即弹塑性有限元法和刚塑