材料加工与成型2.
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1、材料加工与成型21半固态加工的概念 传统的金属成形主要分为两类：一类是金属的液态成形，如铸造、液态模锻、液态轧制、连铸等；另一类是金属的固态成形，如轧制、拉拨、挤压、锻造、冲压等：在20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemimgs教授等提出了一种金属成形的新方法，即半固态加工技术。 金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到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浆料(固相组分一般为50左右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming)； 如果将流变桨料凝固成锭按需要将
2、此金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态温度区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料。利用金属的半固态坯料进行成形加工，这种方法称之为触变成形(thixoforming)。 半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固态加工，目前在国际上，通常将半固态加工简称为SSM(semi-solid metallurgy) 半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变(即液固共存)过程中所具有的特性进行成形的方法。这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能质量要求较高
3、的零件。所以国外有的专家将半固态加工称为21世纪最有前途的材料成形加工方法。 流变性：物质在外力作用下的变形和流动性质,主要指加工过程中应力、形变、形变速率和粘度之间的联系 。 触变性：物体(如涂料)受到剪切时，稠度变小，停止剪切时，稠度又增加或受到剪切时,稠度变大，停止剪切时，稠度又变小的性质.即，一触即变的性质。即受剪切力时， 随时间延长，粘度变小。 半固态金属(合金)的内部特征是固液相混合共存，在晶粒边界存在金属液体，根据固相分数不同，其状态不同，如图为半固态的内部结构。在高固相分数时，液相成分仅限于部分晶界；在低固相分数时，固相颗粒游离在液相成分之中。 （2）由于晶粒间或固相粒子间夹有
4、液相成分，固相粒子间几乎没有结合力，因此，其宏观流动变形抗力很低； （3）随着固相分数的降低，呈现黏性流体特性，在微小外力作用下即可很容易变形流动； （4）当固相分数在极限值(约75)以下，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维等。 （1）由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生产生活跃的扩散现象。因此溶质元素的局部浓度不断变化；（5）由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又很容易地将分离的部位连接形成一体化，特别是液相成分很活跃，不仅半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合。（6）即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料
5、，也可通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工。（7）当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况。虽然施加外力的方法和当时的边界约束条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先行流动的倾向或可能性。（8）上述现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生，主要是在中间固相分数范围或低加工速度情况下显著。 （1）黏度比液态金属高，容易控制：模具夹带的气体少，减少氧化、改善加工性，减少模具粘接，可进行更高速的部件成形，改善表面光洁度，易实现自动化和形成新加工工艺 （2）流动应力比固态金属低：半固态浆料具有流变性（粘度随剪切速率而变）和触变性（粘度随剪切持续时间而变）。变形抗力非常小，
6、可以更高的速度成形部件且可进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行连续形状的高速成形(如挤压)，加工成本低； （3）应用范围广：凡具有固液两相区的合合均可实现半固态加工。可运用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等。并可进行材料的复合及成形。半固态金属加工具有许多独有的优点半固态金属加工具有许多独有的优点 半固态加工的基本工艺力法可分为流变成形和触变成形两种。 经加热熔炼的合金原料液体通过机械搅拌、电磁搅拌或其他复合搅拌、在结晶凝固过程中形成半固态浆料，下面的工艺分两种：其一是将半固态浆料直接压入模具腔进而压铸成形或对半固态浆料进行出接轧制、挤压等加工方式成形
7、，即流变成形；另一种是将半固态浆料制成坯料，经过重新加热至半固态温度，形成半固态坯料再进行成形加工，此即触变成形。不同加工方法所获得铝合金的力学性能比较 与常规铸造方法形成的枝晶组织不同，利用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微结构。 所谓流变铸造就是让合金在剧烈搅拌的状态下凝固。结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，此时晶核是以枝晶生产方式生长的。随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式生长，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷，这样，枝晶臂被打断，形成了更多的细小晶粒，其自身结构也逐渐向蔷薇形演化。随着温度的继续下降，最终使得这种蔷薇结
8、构演化成更简单的球形结构。 球形结构的最终形成要靠足够的冷却速度和足够高的剪切速率，同时这是一个不可逆的结构演化过程，即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（但不能让合金完全熔化），它也不会变成枝晶。 固相微粒尺寸大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，固相微粒尺寸越小冷却速度越慢，固相微粒尺寸越大。（1）枝晶臂根部断裂机制因剪切力的作用使枝晶臂在根部断裂。（2）枝晶臂根部熔断机制 晶体在表面积减小的正常长大过程中，枝晶臂由于受到流体的快速扩散、温度涨落引起的热振动及在根部产生应力的作用，有利于熔断，同时固相中根部熔质含量较高，也降低熔点，促进此机制的作用。（3）枝晶臂弯曲机
9、制 此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。在两相区，位错间发生攀移并结合成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20时，界面能超过固液界面能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使枝晶臂从主干分离。 以上三种假说都有一定的依据，但附加位错如何发生恢复和再结晶或如何迁移、固液浆料的温度起伏还缺乏必要的试验依据，因此金属半固态组织的演变机制还有许多基本理论及技术问题需要解决（1）电磁搅拌法电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸形方向的强磁场对处于液固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用产生剧烈的流动。使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备、该方法不污染合金液、金属浆料纯净，
10、不卷入气体，可以连续生产流变浆料或连铸锭坯，产量可以很大；通常，影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、搅拌时间、冷却速度、金属液温度、浇注速度等。 金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础、目前半固态浆料或坯料的制备方法很多但常用的方法主要是电磁搅拌法和机械搅拌法，其中电磁搅拌法占主导地位。不同的电磁搅拌方式示意图垂直式水平式 （2）机械搅拌法机械搅拌法分为非连续机械搅拌法和连续机械搅拌法。 非连续机械搅拌法是最早应用于制备半固态金属浆料的方法该法利用机械旋转的叶片或搅拌捧改变凝固中的金属初晶的生长与演化，以获得球状或类球状的初生固相的半固态金属流变浆料。 在搅拌过程中，通过控制搅拌室的温
11、度来控制半固态金属的初生固相分数，通过改变叶片或搅拌棒的转速来控制剪切速率，并可以保证整个搅拌过程中的剪切速率不变：该种搅拌装置结构简单、造价低、操作方便，但该种搅拌方法的半固态金属浆料的产量很小，只适用于实验室的小规模试验研究。底注式倾转式非连续机械搅拌法非连续机械搅拌法 连续机械搅拌方法也是最早应用于制备半固态金属浆料的方法，其搅拌工艺原理如图。 该装置结构较复杂，造价较高。但搅拌室上方的金属熔池可以防止卷人气体，又可保证连续供给金属液，利用连续机械搅拌方法，可以提供半固态金属浆料、也可以在连续搅拌器的出口安放一个结晶器和牵引机构来生产半固金属锭料。棒式螺旋式连续机械搅拌方法连续机械搅拌方
