铝镁硅合金半固态成形机理及触变成形计算机仿真研究

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1、摘要铝镁硅合金半固态成形机理及触变成形计算机仿真研究摘要随着全球化经济竞争的加剧，开发新型的净成形技术，实现高质、高效、清洁、敏捷生产，是适应当今制造业发展趋势的。作为一种新型的净成形技术，半固态加工兼具传统铸造和锻造成形的优点，适用于轻合金材料、难加工材料以及外观形状复杂零件的净成形。目前，关于半固态加工技术相关基础理论和工业应用方面的研究还处于不断完善及成熟、发展阶段。本文通过对半固态轻合金材料成形过程基础理论研究，深入研究了半固态成形过程组织演变机理，建立了半固态材料模型和新的半固态材料触变塑性成形数学模型。采用新的半固态触变成形数学模型对半固

2、态触变成形过程进行数值模拟分析，预测了半固态材料流动行为、成形缺陷、锻造力、应力应变场和温度场等，提高了预测精度，验证了模型的合理性和有效性，对于优化工艺参数和指导生产具有一定现实意义。另外，通过本文研究对于加深半固态成形机理的认识、推动?}固态触变成形基础理论的发展具有重要理论意义。半固态加工工艺包括流变成形和触变成形工艺。一般由半固态坯料制备、二次加热和触变成形等三个工序组成。本文针对这三个关键工艺环节中涉及的关键技术进行了基础理论和实验研究，并通过半同态合金锻造工艺的计算机仿真验证建立的模型的有效性和评估精度。提出一种新的亚共晶铝镁硅合金半固态

3、坯料制备方法，即再熔融加热制备法。其特点是不需对熔融金属施加任何机械或物理的搅拌力，而是通过控制合金凝固过程的加热和冷却条件，在冷却凝同过程中加入再熔融加热处理，经过冷却保温获得具有近球状初晶相的亚共晶。铝镁硅合金半同态组织。采用功率为20kW、频率为30kHz的高频电磁感应加热装置，针对亚共晶铝镁硅合金设计了大量的再熔融加热试验，分别研究了再熔融加热过程的再熔融加热温度、再熔融加热时间、保温温度、保温时间和冷却速度等工艺参数对半固态再熔融加热组织。演变的影响，验证了再熔融加热法制备半固态坯料的可行性。依据实验结果，基于结晶、形核和凝同理论提出了再熔

4、融加热过程半固态组织演变机制。半固态二次加热的目标是重新获得近球状固相颗粒均匀分布的具有触变性的半【苟态固液两相组织。实验研究了采用再熔融加热法制备的半同态坯料的二次加热条件对ZLl01合金半固态组织演变的影响。通过控制二次加热条件如采用多步加热、控制不同加热阶段加热速率、保温时间等一[艺参数获得固相颗粒形状和尺寸满足半固态后续加T需要的半固态组织。从塑性加』=角度出发，通过ZLl01合金、#固态压缩试验，研究了?}固态材料触变成形过程压缩变形力学行为和变形机理。为确保压缩过程在稳定的变形温度下进行，从坯料二次加上海交通大学博士学位论文热到压缩变形的

5、整个过程都是在温度可调的条件下进行的。综合考虑了变形速率、变形温度(固相体份数)对压缩变形过程应力．应变曲线、压缩后压缩试样表观性状及内部组织演化的影响。从微观角度建立和分析了亚共品铝镁硅合金半固态压缩变形过程基于等大圆球六方排列的初晶相固相颗粒的变形机制以及半固态组织演变机理。建立了具有近球状固相颗粒的半固态材料模型。通过一个液相流动模型理论上预测了不同固相体份数下液相流动引起的应变和流动速度，并结合建立的多孔介质中遵循达西定律的液体流动的最大压力模型，界定了不同固相体份数和应变速率下的半固态材料塑性变形模式。半固态材料在成形过程中伴随着固相变形和

6、液相流动，所以传统的全同态或全液态金属塑性变形理论或流变理论已经不适用。本文基于连续多孔介质方法，将圃相部分假设为连续多孔介质骨架，液相为遵循达西流动定律的非牛顿流体。引入物质点的概念，允许圊相颗粒和液相占据相同的材料物理空间点，以统计学平均量来描述半圆态材料的表观材料特性参量或组织特性参量。在半固态材料物理空间上任一物质点上定义了半固态材料的应力张量场。通过单个相的质量守恒方程给出忽略相交和扩散过程的等温条件下半同态材料的连续性方程或质量守恒方程，利用线动量守恒和角动量守恒原理得出半固态材料的平衡方程。通过固相和液相的祸合，基于连续多孔介质理论、多

7、孔体塑性变形理论和达西流动定律，对半固态合金变形模式进行分类，分别建立了低应变速率和高应变速率条件下的半固态材料塑性变形力学数学模型，并通过实验和数值模拟进行了验证。在Superform有限元模拟软件平台上，通过嵌入半固态材料模型和、}固态塑性变形数学模型的二次开发子程序，分别对半固态单向压缩和圆盘状零件闭式锻造过程进行计算机仿真研究。通过计算机仿真，预测和分析了变形过程锻造力．行程曲线、半固态材料流动行为、成形缺陷、应力应变场、温度场等。预测结果与实验结果和文献模拟结果进行了对比，表明，采用本文提出的本构模型进行数值模拟的结果更接近试验结果，证实了

8、本文本构模型和模拟结果的可靠性和合理性。关键词：半固态成形铝镁硅合金再熔融加热法塑性变形数学模型计算机仿真A