第三章 金属半固态流变规律PPT讲稿.ppt

第三章金属半固态流变规律第1页，共35页，编辑于2022年，星期二内容n3.1流变学基础知识n3.2力学模型及数学模型的建立n3.3材料加工中得半固态流变规律第2页，共35页，编辑于2022年，星期二3.1流变学基础知识n搅动铸造制备的合金一般称为非枝晶组织合金或称部分凝固铸造合金（PartiallySolidifiedCastingAlloys）。n由于采用该技术的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点，因此具有强大的生命力。除军事装备上的应用外，开始主要集中用于自动车的关键部件上，例如，用于汽车轮毂，可提高性能、减轻重量、降低废品率。第3页，共35页，编辑于2022年，星期二n此后，逐渐在其它领域获得应用，生产高性能和近净成型的部件。半固态金属铸造工艺的成型机械也相继推出。目前已研制生产出从600吨到2000吨的半固态铸造用压铸机，成形件重量可达7kg以上。当前，在美国和欧洲，该项工艺技术的应用较为广泛。半固态金属铸造工艺被认为是21世纪最具发展前途的近净成型和新材料制备技术之一。第4页，共35页，编辑于2022年，星期二n流变学是力学的一个新分支，它主要研究材料在应力、应变、温度、湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、矿物等地质材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复杂特性，于是就产生了流变学的思想。英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应第5页，共35页，编辑于2022年，星期二n流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象n蠕变是指材料在恒定载荷作用下，变形随时间而增大的过程。蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整引起的，这一过程可用延滞时间来表征。n材料在恒定应变下，应力随着时间的变化而减小至某个有限值，这一过程称为应力松弛。这是材料的结构重新调整的另一种现象。第6页，共35页，编辑于2022年，星期二n蠕变和应力松弛是物质内部结构变化的外部显现。第7页，共35页，编辑于2022年，星期二n当作用在材料上的剪应力小于某一数值时，材料仅产生弹性形变；而当剪应力大于该数值时，材料将产生部分或完全永久变形。则此数值就是这种材料的屈服值。屈服值标志着材料有完全弹性进入具有流动现象的界限值，所以又称弹性极限、屈服极限或流动极限。同一材料可能会存在几种不同的屈服值，比如屈服极限、蠕变极限、断裂极限等。在对材料的研究中一般都是先研究材料的各种屈服值。第8页，共35页，编辑于2022年，星期二n在不同物理条件下(如温度、压力、湿度、辐射、电磁场等)，以应力、应变和时间的物理变量来定量描述材料的状态的方程，叫作流变状态方程或本构方程。材料的流变特性一般可用两种方法来模拟，即力学模型和物理模型：第9页，共35页，编辑于2022年，星期二n在简单情况下，应力应变特性可用力学流变模型描述。在评价蠕变或应力松弛试验结果时，利用力学流变模型有助于了解材料的流变性能。这种模型已用了几十年，它们比较简单，可用来预测在任意应力历史和温度变化下的材料变形。第10页，共35页，编辑于2022年，星期二n力学模型的流变模型没有考虑材料的内部物理特性，如分子运动、位错运动、裂纹扩张等。当前对材料质量的要求越来越高，如高强度超韧性的金属、高强度耐高温的陶瓷、高强度聚合物等。对它们的研究就必须考虑材料的内部物理特性，因此发展了高温蠕变理论。这个理论通过考虑了固体晶体内部和晶粒颗粒边界存在的缺陷对材料流变性能的影响，表达出材料内部结构的物理常数，亦即材料的物理流变模型。第11页，共35页，编辑于2022年，星期二n一、基本概念一、基本概念n按材料实际流变行为，把粘性、弹性、和塑按材料实际流变行为，把粘性、弹性、和塑性结合起来研究物体的流动变形性能性结合起来研究物体的流动变形性能n流变学是一门学科，专门研究固液混合物，流变学是一门学科，专门研究固液混合物，膏状物流动变形的工具膏状物流动变形的工具n流变学把物体分：粘性体、弹性体、塑性体流变学把物体分：粘性体、弹性体、塑性体 n现实中理想的物体有理想液体和刚体现实中理想的物体有理想液体和刚体第12页，共35页，编辑于2022年，星期二n二、液态成型过程中的流变学问题二、液态成型过程中的流变学问题n1、型砂的紧实过程、型砂的紧实过程n2、涂料的粘塑性、涂料的粘塑性n3、合金在固液态时表现的特性、合金在固液态时表现的特性金属在液相线和固相线之间的温度范围内处于金属在液相线和固相线之间的温度范围内处于液固两相区，出于此区域的金属叫半固态金属。液固两相区，出于此区域的金属叫半固态金属。实验表明金属铸造是很多缺陷都是在这个区域实验表明金属铸造是很多缺陷都是在这个区域内形成的，如热裂纹、缩、孔缩松等内形成的，如热裂纹、缩、孔缩松等第13页，共35页，编辑于2022年，星期二n4、流变铸造：、流变铸造：n破碎的枝晶半固态压力铸造，枝晶达破碎的枝晶半固态压力铸造，枝晶达50%以以上时，仍能保持流动性，其特点是在切应上时，仍能保持流动性，其特点是在切应力较小的情况下，它的流动性能接近固体，力较小的情况下，它的流动性能接近固体，加压超过一定值，保持较好流动性充满行加压超过一定值，保持较好流动性充满行腔。其优点很多，成型温度低，流动无涡腔。其优点很多，成型温度低，流动无涡流，卷气卷渣少，易制造符合材料。流，卷气卷渣少，易制造符合材料。第14页，共35页，编辑于2022年，星期二n优点：n1、降低对模具的热侵蚀，提高模具寿命n2、减少缺陷（液态金属流动带来的缺陷）n3、容易制造复合材料第15页，共35页，编辑于2022年，星期二3.2力学模型及数学模型的建立第16页，共35页，编辑于2022年，星期二n三、材料简单流变性能三、材料简单流变性能n1、虎克弹性体、虎克弹性体n 施加载荷施加载荷-变形变形-撤撤去载荷去载荷-变形消失变形消失n模型：弹簧模型：弹簧第17页，共35页，编辑于2022年，星期二n2、牛顿粘性体、牛顿粘性体n材料在很小力的作用下，材料在很小力的作用下，即产生连续不可逆的变即产生连续不可逆的变形当力消失，粘性流体形当力消失，粘性流体速度为速度为0，流动停止，流动停止n模型：充满粘性流体的模型：充满粘性流体的活塞活塞第18页，共35页，编辑于2022年，星期二n3、圣维南塑性体、圣维南塑性体n特点：载荷小于一定值特点：载荷小于一定值时，物体不变形时，物体不变形 载载荷大于一定值时，才生荷大于一定值时，才生不可逆变型不可逆变型n模型：摩擦块模型：摩擦块第19页，共35页，编辑于2022年，星期二串联模型串联模型就是将各简单模型通过串联的方式连接起来由右图可以看出，如果串联模型两端受力P，则每个子模型受到的力相等，都为P。即：P=P1=P2=P3相应的变形量=1+2+3123PPP1P2P3第20页，共35页，编辑于2022年，星期二并联模型n并联模型就是将各简单模型通过并联的方式连接起来n由右图可以看出，如果并联模型两端两端变形量，则每个子模型变形量相等，都为。n即：=1=2=3n相应的变形量P=P1+P2+P3123123第21页，共35页，编辑于2022年，星期二n开尔文体开尔文体n弹性后效：加载时由于弹性后效：加载时由于粘性的作用，弹性缓慢粘性的作用，弹性缓慢达到最大，卸载时汗漫达到最大，卸载时汗漫全部恢复全部恢复第22页，共35页，编辑于2022年，星期二应变曲线第23页，共35页，编辑于2022年，星期二n麦斯韦尔体麦斯韦尔体n施加力，弹簧立即产生变形，施加力，弹簧立即产生变形，随着时间的推移应变不断增随着时间的推移应变不断增加，应力逐渐减小为加，应力逐渐减小为0，此，此为应力松弛。为应力松弛。n如果要保持应力不变，其如果要保持应力不变，其变形连续增加变形连续增加第24页，共35页，编辑于2022年，星期二卸载后的应变曲线总应变不变时的应力曲线第25页，共35页，编辑于2022年，星期二n宾汉体变型宾汉体变型n受力立即产生变形，当受力立即产生变形，当力大于一定值时产生永力大于一定值时产生永久变形久变形应变曲线第26页，共35页，编辑于2022年，星期二n铝硅合金流变模型铝硅合金流变模型第27页，共35页，编辑于2022年，星期二第28页，共35页，编辑于2022年，星期二3.3材料加工中得半固态流变规律n工艺原理n在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。第29页，共35页，编辑于2022年，星期二n1.机械搅拌法机械搅拌法机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。Flemings等人用一套由同心带齿内外筒组成的搅拌装置（外筒旋转，内筒静止），成功地制备了锡-铅合金半固态浆液；H.Lehuy等人用搅拌桨制备了铝-铜合金、锌-铝合金和铝-硅合金半固态浆液。后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器制备了ZA-22合金半固态浆液。通过改进，改善了浆液的搅拌效果，强化了型内金属液的整体流动强度，并使金属液产生向下压力，促进浇注，提高了铸锭的力学性能。第30页，共35页，编辑于2022年，星期二n2.电磁搅拌法电磁搅拌法电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。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1993年由法国的C.Vives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，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液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。第31页，共35页，编辑于2022年，星期二n3.应变诱发熔化激活法（应变诱发熔化激活法（SIMA）应变诱发熔化激活法（SIMA）是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压，滚压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈地拉长形变结构，然后加热到固液两相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织铸锭。第32页，共35页，编辑于2022年，星期二nSIMA工艺效果主要取决于较低温度的热加工和重熔两个阶段，或者在两者之间再加一个冷加工阶段，工艺就更易控制。SIMA技术适用于各种高、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。已成功应用于不锈钢、工具钢和铜合金、铝合金系列，获得了晶粒尺寸20um左右的非枝晶组织合金，正成为一种有竞争力的制备半固态成形原材料的方法。但是，它的最大缺点是制备的坯料尺寸较小。第33页，共35页，编辑于2022年，星期二工艺优势工艺优势1）不需加任何晶粒细化剂即可获得细晶粒组织，消除了传统铸造中的柱状晶和粗大树枝晶。2）成形温度低（如铝合金可降低1200以上），可节省能源。3）模具寿命延长。固较低温度的半固态浆料成形时的剪切应力，比传统的枝晶浆料小三个数量级，故充型平稳、热负荷小，热疲劳强度下降。4）减少污染和不安全因素。因作业时摆脱了高温液态金属环境。5）变形阻力小，采用较小的力就可实现均质加工，对难加工材料的成形容易。6）凝固速度加快，生产率提高，工艺周期缩短。7）适于采用计算机辅助设计和制造，提高了生产的自动化程度第34页，共35页，编辑于2022年，星期二n产品优势产品优势1）件质量高。因晶粒细化、组织分布均匀、体收缩减少、热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力学性能大幅度提高。2）凝固收缩小，故成型体尺寸精度高，加工余量小，近净成形。3）成形合金范围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。4）制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，使密度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使不同材料混合，制成新的复合材料。第35页，共35页，编辑于2022年，星期二