《半固态加工》ppt课件

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1、半固态金属加工技术一、半固态金属加工的概念一切金属材料在进行其它成形（轧制、锻造）之前都要经历液固相变的凝固过程。凝固过程研究与凝固技术的进展在冶金过程、材质控制中发挥着越来越大的作用，同时引发了各种新型材料及其加工工艺的诞生和发展。20世纪70年代，美国麻省理工学院D.B.Spencer等研究人员在测量Sn-15%Pb合金高温粘度时，发现金属在凝固过程中特殊的力学行为。金属在凝固过程中强烈搅拌后，即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，枝晶被打碎，生成球状微粒结构，具有流变性和触变性，并冠以半固态金属加工技术（Semi-SolidMetalForming），即SS

2、M。1.1SSM定义金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或者控制固—液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀悬浮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，即半固态金属浆料具有很好的流动性，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。1.2SSM的特点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，适用于铸造、挤压、锻压和焊接等多种加工工艺。2.SSM充形平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小，铸件尺寸精度高，凝固时间短，提高生产率。3.半固态合金已释放了部分结晶潜热，减轻了对模具等成形

3、装置的热冲击，大幅度提高其寿命。4.SSM成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，晶粒小，气孔、偏析等缺陷少，力学性能高，接近或达到变形材料。5.改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析和与基体金属不润湿性的技术难题，为复合材料的制备和成形提供有利条件。6.与固态金属模锻相比，SSM流变应力显著降低，SSM模锻成形速度高，可以成形十分复杂的零件。7.节约能源。二、SSM的理论研究2.1半固态金属的流变学行为通常铸造条件下，合金固相分数为20~30%时，其宏观流动性已基本消失。但对经受搅拌的部分凝固合金，即使固相分数高达50~60%，固相呈分散粒状，仍具有一定流动性。2.1.1表观粘度半固

4、态金属的流变学性质一般通过测定合金的表观粘度来研究。普通铸造过程浇铸温度高于液相线，合金以全液态形式浇入铸型，全液态金属属于牛顿液体，粘度是一常数。不随切变速率γ变化。部分凝固合金属于非牛顿流体，属于伪塑性体，粘度不是常数，随切变速率的变化而改变。用表观粘度的概念表征非牛顿流体。表观粘度为：ηa=τ/γηa为表观粘度，Pa·s；γ为切变速度，s-1；τ为切应力，Pa2.1.2影响流变性的因素部分凝固合金虽然具有流动性，但其表观粘度远远高于全液态合金，这种高粘度固—液两相流体的铸造是困难的。表观粘度构成了凝固合金流变性的主要方面，为使流变铸造顺利完成，对部分凝固合金表观粘度的控制至关重要

5、。（1）固相体积分数对表观粘度的影响不同搅拌转速下的ηa—fs曲线（2）剪切速率对表观粘度的影响在相同固相体积分数下，表观粘度随剪切速率的上升而下降，满足Power定律：η=k·γn-1式中η为表观粘度，γ为剪切速率，k为反映稠密度的常数，n为常数。剪切速率对表观粘度的影响表观粘度与剪切速率的关系反映的是粘性浆料的“伪塑性”(Pseudoplasticity)。在固相分数不变时，表观粘度随转速的增加而降低。对高粘度的部分凝固合金的铸造特别有利。铸造在不断搅动条件下进行。要求在流变铸造时保持一定的搅拌速度，使部分凝固合金的表观粘度不致过高而无法进行铸造。（3）冷却速度对表观粘度的影响不同

6、冷却速度下ηa—fs曲线（4）合金成分对表观粘度的影响不同合金成分的ηa—fs曲线2.2半固态金属的微观组织结构与特性细小均匀的流变组织不但有利于改善半固态合金的流变性，消除了普通铸锭中存在的粗大树枝状晶，获得流变组织是半固态成形的关键之一。2.2.1常规铸造枝晶组织的微观结构常规铸造方法获得的铸造组织是典型枝晶组织。枝晶网形成示意图及Al-6.6%Si常规铸造组织2.2.2SSM微观组织的形成与演化利用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近球形的显微结构。Sn-15%Pb合金的球形晶粒结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，晶核以枝晶生长方式生长，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互

7、相磨损、剪切及液体对晶粒剧烈冲刷，枝晶臂被打断，形成更多细小晶粒，其自身结构逐渐向蔷薇形演化，随温度下降，最终演化称为简单的球形结构。一旦球形的结构生成。只要在液固区，无论怎样升降合金的温度（不能让合金熔化），也不会变成枝晶。球形微粒的演化过程固相微粒尺寸大小与冷却速度密切相关，冷却速度越高，固相微粒尺寸越小，冷却速度越低，固相微粒尺寸越大。2.2.3半固态组织形成机理探讨晶粒长大的初期，固相颗粒非常细小，由于对熔体剧烈的搅拌，固相颗粒分散在液