半固态成型技术.doc

半固态成型技术期末作业1推导匀质形核的临界形核半径、形核功表达式解：在过冷的条件下，金属液体中晶胚的形成和增大，将引起系统自由能变化：一方面，转变为固态的那部分体积能引起自由能下降；另一方面，晶胚与液相之间增加的界面会造成自由能（表面能）增大。设单位体积自由能的下降为Gv (Gv 0，这说明形成临界晶核是需要能量的。形成临界晶核所需的能量G*称为临界形核功(Critical nucleation power)。临界形核功的数学推导：形成一个临界晶核时，自由能的变化（即临界形核功）为： 将或者代入上式，可得： 由于临界晶核的表面积为： 所以 即，临界晶核形成时的自由能增加量等于其表面能的三分之一。这意味着液、固两相之间自由能的差值只能提供形成临界晶核所需表面能的三分之二，而另外的三分之一，即临界形核功G*需要依靠液体中存在的能量起伏来提供。2成分过冷的判据及推导过程（1）“成分过冷”条件和判据当K01时，界前沿形成溶质富集层液相线温度TL(x)随距离x逐渐上升当界面前沿液相的实际温度梯度GL小于液相线的斜率时，即:时则出现 “ 成分过冷 ” 。液相只有扩散时形成“成分过冷”的判据液相部分混合时形成“成分过冷”的判据 由判据可以推断，下列条件有助于形成“成分过冷”：a.液相中温度梯度小（GL小）；b.晶体生长速度快，R大；c.mL大，即陡的液相线斜率；d.原始成分浓度高，C0大；e.液相中溶质扩散系数DL低；f.K01时，K0小；K01时，K0大（2）成分过冷判据的推导如下图： 图2.1合金生长过程中平界前沿稳定的溶质富集层图2.2合金中“成分过冷”的形成“成分过冷”判别式的推导如下：设液相线的斜率为ML，则液相熔点温度分布梯度可表示为：2.1式在平界面凝固条件下，界面处液体内实际温度应大于或等于液相熔点温度分布的梯度，即：式2.2又因为 所以整理得：式2.3式2.3为“成分过冷”判别式的通用式（1） 设在液相没有对流只有扩散的情况下，将式2.3变为：或者式中为结晶温度间隔，即。可见结晶温度间隔愈大“成分过冷”愈大，平界愈容易破坏。三元合金凝固形成单相固溶液时，“成分过冷”的判别式基本上和二元的相似。设溶剂组元为A，溶质组元分别为B和C。其液相面是组元B在液相浓度和组元C在液相中的浓度的函数，即：在固液界面处的液相温度梯度为：式2.3式中在稳定态时，固液界面处由于溶质质量守恒，下式成立，即式中 将该两式及带入式2.3，并在实际温度梯度GL大于的情况下得：3触变成形与流变成形的优缺点。答：（1）触变成形：获得半固体浆料后，在对其坯料加工时，根据需要将坯料切分，然后把切分的坯料重新加热成半固态坯料进行加工成型的方法叫触变成型。它的优缺点都有：触变成型工艺中，半固态浆料中固相粒子由母材晶体颗粒未融化的部分而组成的，颗粒尺寸与形状主要依赖于母体材料，而且容易维持在高固相状态，适用于凝固区间较大的合金。与流变成型相比，它具有很多流变成形所不具有的优点，触变成型解决了半固态浆料制备与成型设备相衔接的难题，容易实现自动化操作。缺点是：浆料制备成本高、设备投资大、坯料的成分和微观结构的不均匀性、浆料制备过程控制难度大等，成为制约触变成型发展的一大障碍，也是世界各国近年来比较重视的研究重点。（2） 流变成型在金属凝固过程中，通过施加搅拌、或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂等手段，改变合金熔体的凝固行为，以达到获得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固液混合物浆料，并利用该浆料直接加工成型的加工方法。其优缺点有：流变成型过程中，半固态浆料中的固相颗粒的尺寸形状与冷却速度、搅拌方法、搅拌速度等显著相关、而且容易维持在低固相状态，通过搅拌的方法可以用于凝固区间小，甚至共晶合金或纯金属。它具有工艺流程短、设备简单、洁身能源、适用合金不受限制等特点，是未来半固态合金的主要研究方向。它的缺陷是：半固态金属浆料的保存和输送很不方便，这是流变成型的推广使用的一大障碍。4简述半固态金属浆料的制备方法及其优缺点半固态金属浆料的制备方法是：对半固态浆料制备的研究以往的研究是集中在制备方法及微观的形成机理上，目前半固态金属浆料的制备方法有：（1）机械搅拌法，它是最早的半固态浆料制备方法，主要由两个同心带齿的圆筒所组成，内筒不动，外筒旋转。或者是在熔融的金属液中插入一根搅拌棒进行搅动。其优点是：设备简单，容易实现。缺点是：操作复杂且存在许多缺陷，如卷入气体，易氧化，搅拌器的溶解造成浆料的污染，搅拌不均，生产效率低，所以一般不用在工业生产中。（2）电磁搅拌法，它是利用电磁感应在半固态金属溶液中产生电磁感应电流，在外加磁场的作用下进行固液浆料的搅动，实现三维搅动的方法。其优点是：搅拌效果较好，对熔体的污染比较小，气体卷入量也少，不易氧化，设备简单，而且生产效率高。缺点是：设备投资大，工艺复杂等。（3）应变诱发熔体激活法，该方法主要通过将铸造枝晶组织在高温下进行挤压变形，破碎枝晶组织，再加足够的变形剂后加热到两相区，在组织中预先存储变形能量。其优点是：浆料不易污染，而且产量大，生产效率高，对熔点较高的合金有着特殊的优越性。缺点是：工艺比较复杂，因为增加了预变形处理，导致生产成本高，生产效率低，而且工业中仅适用于小尺寸半固态坯料的制备。（4）等温热处理法，它主要是在半固态温度区间等温处理一段时间使原晶界处得共晶组织熔入初生晶，破坏晶界，原来的等轴晶变为球形颗粒，随着等温世间的推移，共晶组织熔化，使组织分离为球状颗粒。其优点是：与其他半固态浆料制备方法相比，它省略了半固态成形中专门的浆料制备过程，使触变铸造工艺的流程简化，是一种很好的浆料制备方法。其缺点是：耗能高。（5）固液混合铸造法，此方法是通过向过热的合金熔体中加入同种合金粉末或异种合金粉末来获得半固态非枝晶组织，使合金粉末均匀化。其优点是：解决了高合金化铸件难于挤压的问题，因为很多高合金铸件由于析出粗大、偏聚严重等问题，挤压时产生不均匀变形，引起铸件开裂。它和其他热加工工艺结合起来使用，是一种很有前途的浆料加工方法。其缺点是：（6）新MIT工艺，它的主要方法是：在快速热释放的同时进行搅拌。该方法设别简单，操作方便，而且形成的组织均匀、颗粒尺寸相当，是一种很不错的浆料制备方法。其缺点是：不能完全避免搅拌器对浆料的污染。（7）冷却斜槽法，它的形成机理是：将稍高于液相线温度的熔融金属倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作用，在屑槽上有细小的晶粒长大，金属流体的冲击和重物自身的的重力作用使晶粒从斜槽滑下并翻转，可达到搅拌效果。其优点有：成本低、流程短、易推广操作及应用等。缺点是：起步晚，工艺技术还不是很成熟。（8）NRC工艺。其优点有：生产成本低，相对于传统的触变成形，费用低，生产效率高，工具寿命长，产品力学性能好，最大的优点是采用NRC工艺可以从熔融金属中直接制备出含有球状晶粒的半固态浆料，采用这种方法制备的产品具有良好力学性能和微观组织。（9）斜管法制浆工艺。其优点是：扩大了应用范围，避免了金属过度氧化和污染，通过将静态斜管转变为转动管，来获得更多的游离晶粒。（10）其他工艺，如粉末冶金、液相线凝固法、超声波处理法、紊流效应法、脉冲法等。这些方法还处于研究阶段其优缺点还未很明显。5半固态成型技术的发展趋势近年来半固态金属成形技术也日趋成熟，引起工业界的普遍关注。这种新的金属加工技术可分为半固态锻造、挤压、轧制和压铸等几种主要工艺类型，具有节省原材料、降低能耗、提高模具寿命、改善制品性能等一系列优点，并可生产复合材料的产品，被誉为21世纪新兴金属塑性加工的关键技术。随着世界各国对计算机的应用日益重视，半固态成型技术的自动化会越来越得到人们的重视，对它的研究也会不断得到重视。计算机在半固态成型技术中的应用也会逐步深入，如计算机辅助设计技术也会逐步推广到该领域，模拟其成型过程的工作会逐步实现，相应的软件也会不断地开发出来。世界著名的CAD/CAM系统，如CADDS5，Pro/E和UG等，均实现了CAD/CAM系统与塑料注射过程模拟、模具结构设计和模具型腔数控加工的初步集成并取得了显著的经济和社会效益。为了适应国际发展潮流，华中理工大学模具技术国家重点实验室正在开发新一代塑料注射模软件。在虚拟技术的支持下，它的生产成本也会逐步降低，半固态产品质量也会不断地提高，它将是材料研究的主导方向。对于一些操作简单，成本较低，污染较少的半固态加工工艺会不断得到人们的重视，它会在将来的很长一段时期内成为材料科学领域内成为主导方向。为了是半固态技术更快走向成熟，还必须在以下方面进行研究。（1） 适合半固态浆料制备新工艺的研究和开发，尤其是成本低，污染少，节能降耗，设备简单的研究。（2） 半固态浆料非枝晶组织结构形成规律的研究。（3） 冲型工艺参数对半固态合金冲型性能的影响，尤其是粘度随时间的变化关系的定量研究。（4） 适合于进行半固态加工的合金成分的开发与应用，尤其是开发有色黑金属、复合材料的半固态铸造技术。（5） 适合于进行半固态加工的模具设计。（6） 计算机应用技术的研究，包括成型过程计算机模拟，重点是铸件过程的微观模拟，因为铸件凝固过程的微观模拟在国际上有着相当重要的地位，所以铸件凝固过程微观模拟的研究也越来越引起人们的重视。（7） 半固态金属的基本力学性能及