半固态成型数值模拟的研究进展
半固态成型数值模拟的研究进展
闫洪华，
吉泽升
（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨１５００４０）
铸造过程数值模拟的研究始于２０世纪４０年代，当时美国哥伦比亚大学的Ｐａｓｃｈｋｉｓ教授用大型模拟计算机对铸件凝固过程进行了研究［１］。近年来，作为计算机辅助铸造过程设计和生产的一部分，铸造过程数值模拟技术
的应用范围不断扩大，已开始应用于半固态铸造［２～５］。
采用计算机模拟技术模拟半固态成型过程对于成型工艺参数的确定、模具设计周期的缩短以及铸造工艺优化等无疑都具有重要的指导意义。
１流变铸造过程的数值模拟
研究半固态浆料在型腔中的流动规律及流动特性，对
半固态流变铸造成形具有重要意义。试验表明，浆料的表观粘度均与固相分数和剪切速率呈一定的函数关系［６］。
ＡｌｉＳｈａｈ等人［７］建立了粘度模型：
η＝ｋγ
!ｎ－１式中：ｋ是幂律系数，ｎ－１是幂率指数。并利用计算流体动力学模型（ＣＦＤ），采用流体软件模拟了半固态金属在毛细管粘度计中的流动情况。
Ｍ．Ｐｅｒｅｚ等人［８］研究了低固相分数
（＜５０％）时含有固液两相金属合金的流变性。同时引入了格子模型模拟了浆料在剪切力下的聚合、分离过程。当达到稳态时，计算了诱发的液相分数，得出了粘度随固相分数和剪切速率的变化规律以及剪应力下三维原子团的结构形态和形核规律。模拟结果与试验结果基本吻合。
Ｎ．Ｔｏｎｍｕｋａｙａｋｕｌ等人［９］应用ＭＨＤ
（ｔｈｅｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏ－ｄｙｎａｍｉｃｓｔｉｒｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ）研究了Ａ３５６铝合金在转速不变
的情况下的瞬时流变性，使用高温流变仪测量，得出了合金的瞬时流变性是一个转速的函数。并采用商业软件Ｐａｎｄａｔ测出了指定温度下浆料的固相率。
这与用流变学测量方法测出的温度为５９７℃时的固相率是相吻合的。
利用有限的流变研究成果，ＰｉｅｒｒｅＣｅｚａｎｄ等人［１０］用一个新的Ｍｉｃｒｏ－Ｍａｃｒｏ模型来描述了在大范围应变率下半固态材料的等温稳流特性。通过选择典型的微观结构组织说明了固液两相的空间分布以及变形机制。并且用有限元软件Ｆｏｒｇｅ２实现了这个Ｍｉｃｒｏ－Ｍａｃｒｏ模型。
同时用两种本构关系模拟了压缩试验。其中一种本构关系是用
Ｎｏｒｔｏｎ－Ｈｏｆｆ模型来描述的典型的粘塑性材料，另一种本
构关系是用Ｍｉｃｒｏ－Ｍａｃｒｏ模型描述的易软化的材料。分析
了本构关系的影响并提出了自己的观点。
２触变铸造过程的数值模拟
半固态合金具有一定的触变特性，其形变抗力不仅与
剪切速率有关，还与时间有密切关系，因此要跟踪流体微
团变形历史［１１～１３］。目前，对触变成型过程的模拟研究大多
在一些商业有限元平台上进行。Ｃ．Ｇ．Ｋａｎｇ等人［１４］通过有限元方法（ＦＥＭ）实现了半固态铝合金涡旋形零件的近净成形。同时采用商业有限元软件ＤＥＦＯＲＭＴＭ成功地分析了涡旋件的应力分布及固相率超过５５％时的应变率，并得出冲模行程越长，有效应变率的变化随之急剧增加的结论。另外，Ｃ．Ｇ．Ｋａｎｇ等人［１５］还提出了一个新的有限元程序Ｓｅｍｉ－Ｆｏｒｍ，并用它来预测了半固态材料中固相的畸变状况、充型缺陷以及液相的偏析。同时验证了Ｓｅｍｉ－Ｆｏｒｍ是一种对触变成型优化和设计的有效而又经济的工具。
Ｇ．Ｆａｎｇ等人［１６］采用了三维刚塑性有限元法模拟分析
了十字楔辊（ｃｒｏｓｓ－ｗｅｄｇｅｒｏｌｌｉｎｇ简称ＣＷＲ）的成形过程。选用有限元软件ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ模拟了ＣＷＲ的整个成形情况。利用软件本身的自动调整重划分网格技术生成了四面体实体网格，分析了成形件横截面的应力分布，解释了工件中部的变细与破坏情况的原因。
ＸｉｏｎｇＳｈａｎｇＷｕ等人［１７］采用了一种新的手段分析平面
应变辊，这种新方法是结合了ＥＦＧ（ｅｌｅｍｅｎｔｆｒｅｅＧａｌｅｒｋｉｎ）和ＢＥＭ（ｂｏｕｎｄａｒｙｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ）两种方法。其中ＥＦＧ法是用工件的数学模型来预算辊所承受的破坏力、转矩和沿着辊表面的接触力，同时应用ＢＥＭ法计算辊的弹性变形。这两种数值方法的结合保证了用ＥＦＧ法来预测沿辊表面方向的接触力来定义边界条件，进而用ＢＥＭ法对辊进行弹性分析。作者通过实验数据与理论预测的对比证实了这种方法的可靠性。
触变成型以塑性变形为主，但因变形体是半固态，其本构关系的描述与固体金属的本构关系有较大的差别。
摘要：综述了国内外关于数值模拟技术在半固态流变铸造过程、触变铸造过程及二次加热等方面的研究进展，并展望
了半固态成型数值模拟的应用前景及意义。同时，采用商业有限元软件ＤＥＦＯＲＭ３ＤＴＭ成功地模拟了半固态镁合金ＡＺ９１Ｄ的成型过程，并利用自制的模具，对ＡＺ９１Ｄ镁合金５７０℃时的触变成型作了试验验证。通过对比得出模拟结果与试验结果基本吻合。
关键词：固态成型；触变成型；数值模拟；有限元中图分类号：ＴＧ２１文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－２３３３（２００６）０１－００５２－０３
ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ
制造业信息化５２
机械工程师２００６年第１期
国内外不少学者对半固态金属加工过程的模拟进行了大量研究工作。
ＫｒｚｙｓｚｔｏｆＳｏｌｅｋ等人［１８］对单相采用Ｎｏｒｔｏｎ－Ｈｏｆｆ模型描述了加工过程中材料的机械性质，采用商业有限元软件ＦＯＲＧＥ３进行了数值模拟，研究半固态加工过程中的流动特性。这个本构方程经过了挤出试验的验证。通过模拟结果与试验结果进行对比，得出了触变铸造过程中材料的实际特性。
Ｄ．Ｈ．Ｋｉｒｋｗｏｏｄ等人［１９］对半固态合金的触变流动提出了一种新模型，这种模型与时间和剪切速率有关。用这种模型来预测当半固态圆柱试样在两压盘间快速压缩时的流动特性。模拟采用了ｓｔｅｆａｎ方程和Ｆｌｏｗ－３Ｄ模拟软件。模拟结果与试验结果一致。
李兴刚等人［２０］在Ｇｌｅｅｂｌｅ－１５００材料热模拟试验机上实现了压缩试验。考察了温度在５１０℃～５７０℃范围内及应变率在０．１～２０ｓ－１范围内的ＡＺ９１Ｄ镁合金半固态的变形特性，在刚粘塑性有限元理论和实验数据的基础上，用回归法确立了本构方程（σ＝Ａ?εＢＴ＋Ｃ?ε#ＤＴ＋Ｅ?ｅＦ／Ｔ＋ＧεＴ）。并用商业有限元软件ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ模拟了实际最小尺寸的汽车车轮的触变成型过程。由此获得了触变过程中的流场和应力应变场。同时分析了应力、应变率和温度之间的关系。
另外，由于各自模拟的实际情况存在差异，许多研究者开发了有针对性的模拟系统。国内崔成林等人［２１］建立了连续方程、动量方程和守恒标量的方程，开发了适用于半固态合金触变铸造充型过程的数值模拟系统。并在自制的半固态合金触变成型装置上进行了半固态合金成型工艺的研究。其数值模拟结果与试验充型结果基本相符。齐乐华等人［２２］针对液－固挤压复合材料管材的成型过程，采用热刚塑性准耦合有限元法进行了数值模拟，通过自行开发的有限元模拟系统软件，利用网格重新划分技术，得到了复合材料半固态成形过程的应力场、应变场及变形力。并通过试验验证了该系统的可靠性。
３二次加热的数值模拟
半固态的二次加热（局部重熔）的目的是为了获得不同工艺所需的固相体积分数，同时获得触变成型所需的有利组织结构。为了能了解坯料凝固过程的组织演变，ＭｉｃｈｅｌＢｅｌｌｅｔ等人［２３］对二元合金凝固过程中两相的热力学模型作了基本假设，认为只有固相和液相。由于微观上，液相是牛顿流体，而固相是低动力流体，因此认为宏观上质量和动量守恒、局部热平衡、能量守恒。并采用二维有限元作了等温模拟，特别清晰地描述了混合相在整个凝固过程中的演变过程。
坯料的二次加热的作用在半固态触变成型工艺中也是承上启下的，由于在生产中定量地检测坯料局部重熔程度几乎无法实现，因此以试验为基础进行工艺优化的努力十分艰难。先进的数值模拟技术给我们提供了新的切入点。
张恒华等人［２４］用带多匝线圈的中频感应加热器对不同条件不同尺寸的Ａ３５６铝合金坯料进行加热，并通过有限元模拟和实验测量的方法详细地研究了被加热坯料的温度场。同时介绍了一种可以有效模拟不同尺寸和类型的铝合金坯料的温度场的模拟方法。通过模拟方便地优化了感应加热过程中的参数，来满足半固态成形的要求。李海江等人［２５］对感应加热进行了有限元理论分析，采用商业用有限元软件ＡＮＳＹＳ对半固态坯料触变成型感应加热进行了数值模拟。模拟了频率、加热时间、线圈电流强度系数、坯料尺寸半径、线圈尺寸大小等参数对坯料温度的影响。
管仁国等人［２６］利用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件包中ＦＬＯ－ＴＲＡＮＣＦＤ１４１单元，对制备２Ａｌ１半固态材料过程中耦合场进行了数值模拟，得出了温度场的分布规律。由于轧辊的转动，使合金等温线发生偏移，近轧辊侧温度偏高。
二次加热的要求是均匀、迅速，因此目前半固态成形普遍采用电磁感应加热。这种方法可以根据需要快速调整加热参数，能耗也相对较低。
电磁感应加热有限元模拟问题是电磁感应－热相互耦合分析的问题，交流电场分析计算出热源的数据，作为瞬态热分析的热载荷求解温度场随时间的变化。ＤｏｍｉｎｉｑｕｅＢｏｕｃｈａｒｄ等人［２７］描述了半固态Ａ３５６铝合金铸造工艺中的接触热交换率的特点。分别考察了暂态和稳态时的接触热交换率的变化，并把这个测量出的参数带入数学模型中，用Ｐｒｏｃａｓｔ软件模拟了零件铸造冷却过程中的温度变化。模拟结果说明冷却３０ｓ后脱模较好，这与实际铸造实验中观察到的是相符的。
４半固态ＡＺ９１Ｄ镁合金触变成型的数值模拟及实验验证模拟试验是在ＤＥＦＯＲＭ－３ＤＴＭ上进行的，在ＤＥＦＯＲＭ－３ＤＴＭ的前处理器中建立好几何模型和物理模型（包括材料的材料特性、成形温度、模具和坯料之间的摩擦关系等）以后，设定各种控制参数，如非线性方程迭代解法、增量步长、网格重画控制参数等等［２８］，同时保存好数据库文件，然后就可以用求解器进行计算求解了。模拟计算结果如图１所示。
验证试验是把ＡＺ９１Ｄ镁合金用ＳＩＭＡ法制成半固态坯料，然后把模具拿到电阻炉内进行３００℃预热；把加工好的半固态坯料试样放入预热好的模具中，一起放置在液压万能试验机上的电阻炉子里阶段式升温；半固态等温温度为５７０℃，分别等温不同的时间５ｍｉｎ、１５ｍｉｎ、３０ｍｉｎ、４５ｍｉｎ、６０ｍｉｎ；到时间后在ＷＥ－６０液压万能试验机上进行半固态流动压缩试验。成型结束，马上连同模具一起水淬；最后取出成形件，打磨模具。试验结果如图２所示。从图１、２的对比中可以看出模拟结果与试验结果基本吻合。
５半固态成型数值模拟的发展前景
目前对半固态成型的数值模拟大部分都采用各种商业有限元软件，这些软件用起来的确比较方便，但由于这些软件开发的可适用领域比较广，应用到具体的某一领域时考虑的因素比较粗线条化，大多应用时都需做一些假设，所以模拟结果和真实的试验情况还是有一定的差
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机械工程师２００６年第１期
制造业信息化
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距。故对模拟半固态成型时还需找到符合半固态材料实际情况的真实数学、物理模型。同时，针对粘度随时间的变化关系、模具内的热交换、触变成型时坯料和模具之间的摩擦及流变成形时浆料的凝固过程等复杂现象作出具体的理论计算。
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（编辑黄
荻）
作者简介：闫洪华（１９８１－），女，硕士研究生。
吉泽生（１９６２－），男，博士学位，教授，研究方向为有色金属压铸及金属改性。
收稿日期：２００５－０９－１９
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ｎａｌｉｚａｔｉｏｎ
制造业信息化５４
机械工程师２００６年第１期
金属半固态成型技术发展详解
4 金属半固态加工 4.1概述 4.1.1半固态加工的概念与特点 4.1.1.1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、拉拔、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)；如果将流变浆料凝固成锭，接需要将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(semi-solid forming or processing of metals)，目前在国际上，通常将半固态加工简称为SSM(semi-solid metallurgy)。 就金属材料而言，半固态是其从液态向固态转变或从固态向液态转变的中间阶段，特别对于结晶温度区间宽的合金，半固态阶段较长。金属材料在液态、固态和半固态三个阶段均呈现出明显不同的物理特性，利用这些特性，产生了凝固加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形方法。 凝固加工利用液态金属的良好流动性，以完成成形过程中的充填、补缩直至凝固结束。其发展趋势是采用机械压力替代重力充填，从而改善成形件内部质量和尺寸精度．但从凝固机理角度看，凝固加工要想完全消除成形件内部缺陷是极其困难的，甚至是不可能的。 塑性加工利用固态金属在高温下呈现的良好塑性流动性，以完成成形过程中的形变和组织转变。与凝固加工相比，采用塑性加工成形的产品质量明显好，但由于固态金属变形抗力高，所需变形力大，设备也很庞大，因此要消耗大量能源，对于复杂零件往往需要多道成形工序才能完成。因此，塑性加工的发展方向是降低加工能耗和成本、减小变形阻力、提高成形件尺寸精度和表面与内部质量。由此出现了精密模锻、等温锻造和超塑性加工等现代塑性加工方法。 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 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。 图4-l表示金属在高温下 三态成形加工方法的相互关系。
材料成型数值模拟设计实验
学生学号实验课成绩 学生实验报告书 实验课程名称材料成型数值模拟设计实验 开课学院材料学院 指导教师姓名 学生姓名 学生专业班级成型1001班 2012-- 2013学年第二学期
实验教学管理基本规范 实验是培养学生动手能力、分析解决问题能力的重要环节；实验报告是反映实验教学水平 与质量的重要依据。为加强实验过程管理，改革实验成绩考核方法，改善实验教学效果，提高 学生质量，特制定实验教学管理基本规范。 1、本规范适用于理工科类专业实验课程，文、经、管、计算机类实验课程可根据具体情况参 照执行或暂不执行。 2、每门实验课程一般会包括许多实验项目，除非常简单的验证演示性实验项目可以不写实验 报告外，其他实验项目均应按本格式完成实验报告。 3、实验报告应由实验预习、实验过程、结果分析三大部分组成。每部分均在实验成绩中占一 定比例。各部分成绩的观测点、考核目标、所占比例可参考附表执行。各专业也可以根据具体情况，调整考核内容和评分标准。 4、学生必须在完成实验预习内容的前提下进行实验。教师要在实验过程中抽查学生预习情况， 在学生离开实验室前，检查学生实验操作和记录情况，并在实验报告第二部分教师签字栏签名，以确保实验记录的真实性。 5、教师应及时评阅学生的实验报告并给出各实验项目成绩，完整保存实验报告。在完成所有 实验项目后，教师应按学生姓名将批改好的各实验项目实验报告装订成册，构成该实验课程总报告，按班级交课程承担单位（实验中心或实验室）保管存档。 6、实验课程成绩按其类型采取百分制或优、良、中、及格和不及格五级评定。 附表：实验考核参考内容及标准 观测点考核目标成绩组成 实验预习1．预习报告 2．提问 3．对于设计型实验，着重考查设计方案的 科学性、可行性和创新性 对实验目的和基本原理 的认识程度，对实验方 案的设计能力 20% 实验过程1．是否按时参加实验 2．对实验过程的熟悉程度 3．对基本操作的规范程度 4．对突发事件的应急处理能力 5．实验原始记录的完整程度 6．同学之间的团结协作精神 着重考查学生的实验态 度、基本操作技能；严 谨的治学态度、团结协 作精神 30% 结果分析1．所分析结果是否用原始记录数据 2．计算结果是否正确 3．实验结果分析是否合理 4．对于综合实验，各项内容之间是否有分 析、比较与判断等 考查学生对实验数据处 理和现象分析的能力； 对专业知识的综合应用 能力；事实求实的精神 50%
半固态镁合金成形技术概述
重庆科技学院 课程结业考试（论文）题目半固态镁合金成形技术概论 院（系）冶金与材料工程学院 专业班级材料工程技术08-02 学生姓名刘明强学号2008630578 任课教师孙建春职称讲师 评定成绩___ _ __ 评语： 年月日
半固态镁合金成形技术概述 姓名：刘明强学号：2008630578 摘要：半固态镁合金制备是在20世纪末新起的最新制备镁合金的技术，半固态技术被认为是21世纪最具发展前途的近终成形技术之一［1］。本文旨在为大家阐述半固态镁合金成形技术的基本概论，包括镁合金的相关阐述（性能、应用、加工技术等）；半固态成形技术的概念，半固态金属浆料的制备，以及半固态加工材料的制备技术等；重点是镁合金与半固态成形技术的结合，包括半固态镁合金浆料的制备，半固态镁合金材料的制备，半固态镁合金材料的热处理，半固态镁合金成形技术的国内国外现状和未来展望，同时阐述半固态镁合金制备的优缺点。 关键词：半固态、镁合金、浆料、半固态成形、流变成形 前言：镁及镁合金作为一种新型的应用材料，近年来已广泛应用于军用、民用领域，如在航空航天、航海、通信、医疗、广播电视、音响影像器材、微电子技术、光学仪器等领域内，在汽车、摩托车、工具、家电电器、手机、计算机及电子设备等制品中都可看到镁合金的终极，在炼钢脱硫、铝合金生产、防腐工程中都离不开镁原料。在汽车行业，上海汽车集团公司、一汽集团、东风汽车集团、江铃汽车公司等国内大的汽车公司均开始使用镁制零部件。根据相关研究，汽车单车自重没减轻100Kg，每百公里耗油可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少二氧化碳排放量 2.5g。而通过镁合金零部件的使用可有效的实现汽车轻量化目标。镁合金应用于交通工具，除减中和降低油耗，还可以提高整车加速、制动性能，还能降低行驶振动和噪声，提高舒适度，可以加快散热，使发动机的综合性能提高一个档次，具有良好的经济效益。 镁合金的半固态成形目前是各国研究的热点：Ya-no Ei ji等利用余热的冷却斜槽近液相线铸造或得了半固态AZ91D镁合金组织；J M Kim等利用两步加热法得到了半固态AZ91镁合金浆料；Czerwinski F开发了半固态加工与挤压、喷射成形结合在一起的心的镁合金加工技术，一Mg-9% Al-1%Zn为例分析力组织性能变化规律；Chen J Y和Fan Z研究了半固态浆料的流变模型；Koren Z等研究了AZ91和AM503镁合金半固态热压铸和冷压铸成形。［2］ 可以看到镁合金半固态的研究虽然很多，但主要之中在浆料制备、二次加热重熔、触变成形几个方面，仅有几个流变成形研究也只是在实验室，工艺还不成
塑性成形过程的数值模拟汇总
实验报告 塑性成型过程的数值模拟 班级：机自07 姓名：欧阳罗辉 学号：10011170 2012年12月
一、实验目的： 通过本实验的教学，使学生基本掌握有限元技术在板料塑性成形领域的应用情况，拓宽学生的知识面，开阔视野，使学生对塑性成形过程的数值模拟技术有深刻的理解，预测板料弯曲成形的性能。 二、教学基本要求： 学会使用Dynaform数值模拟软件进行板料弯曲成形过程的仿真模拟，对模拟结果具有一 定的分析和处理能力。 三、实验内容提要： 掌握前处理的关键参数设置，如零件定义、网格划分、模型检查、工具定义、坯料定义、 工具定位和移动、工具动画、运行分析。了解后处理模块对模拟结果的分析，如读入d3plot 文件、动画显示变形和生成动画文件、成形极限图分析、坯料厚度变化分析等。 四、软件操作过程: 1. 导入压边圈、板料、下模板、上模板图形文件 点击File —Import，出现Import File 对话框，找到“ L型弯曲零件图” 选中binder.igs,点击Import，如此，依次导入四个模型文件，最后点击“确定”确认
四个模型导入后，结果如图 2. 重命名文件 点击PartLEdit ，出现Edit Part 对话框，这里便要依次更改文件名 首先选用红色文件名“ cOOIvOOO 1 ”，在上面的Name 对话框中输入binder ，然后点击 Modify ，以此类推输入 banker 、die 、punch 。 Edit Part 3. 对各图形文件划分有限元网格 1. Binder 零件网格划分
n 点击口图标，出现Part Turn。。。对话框，依次单击banker 2, die 3, punch 4,它们都会被取消选中，只留下binder 1被显示，点击0K确定。然后点击右下角的Current Part，弹出Current Part对话框，选择binder 1，点击OK确定。 点击Preproces L Element，弹出Element对话框，选择Part Turn On/Off Select by Cursor 第四个图标（自动模式），将Max Size改为10，点击Select Surfaces点击Displayed Surf，点击OK，点击Apply，点击Yes,点击Exit，点击OK，于是第一个零件网格划分完 成。 2. Banker零件网格划分 n 点击i□图标，取消Binder 1零件的显示，添加Banker 2 Select Dy Name All On |AllOfi OK Undo F Only SeledOn 零件的显示，点击OK确定。然后点击右下角的Current Part图标，将当前零件选成Banker 2, 点击OK确定。 点击Preproces A Element,弹出Element对话框，选择第三个图标，弹出Control Keysto ne对话框，点击POINTS/NODES，弹出In put Coo。。。对话框，选中Poi nt,然后在绘图区沿顺时针或者逆时针方向依次选中Ba nker零件的四个顶点，如下图所示
材料成型计算机模拟(纯手工打造)
材料成型计算机模拟(纯手工打造)
一、名词解释 1计算机模拟的概念：根据实际体系在计算机上进行模拟实验，通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验由模型导出的解析理论作为所作的简化近似是否成功。1 2材料设计是指（主要包含三个方面的含义）：理论计算→预报→组分、结构和性能；理论设计→订做→新材料；按照生产要求→设计→制备和加工方法。1 3数学模拟的定义：就是利用数学语言对某种事务系统的特征和数量关系建立起来的符号系统。 4数学建模是一种具有创新性的科学方法，它将实现问题简化，抽象为一个数学问题或数学模型，然后采用适当的数学方法进行求解，进而对现实问题进行定量分析和研究，最终达到解决实际问题的目的。1 5数学模型的建立方法——理论分析法：应用自然科学中的定理和定律，对被研究系统的有关因素进行分析、演绎、归纳，从而建立系统的数学模型。 6数学模型的建立方法——模拟方法：如果模型的结构及性质已经了解，但是数量描述及求解却相当麻烦。如果有另一种系统，结构和性质与其相同，而且构造出的模型也是类似的，就可以把后一种模型看作是原来模型的模拟，对后一个模型去分析或实验，并求得其结果。 7数学模型的建立方法——类比分析法：如果有两个系统，
的情况为差分方程的收敛性。2 15初截荷法是将塑性变形部分视为初应力或初应变来处理，将塑性变形问题转化为弹性问题的求解方法。4 16刚塑性有限元法不计弹性变形，采用屈服准则和方程，求解未知量为节点速度。5 17凝固模拟技术：用计算机高速度大容量的计算能力，对浇注凝固过程中相关的各物理场进行数值求解，可以预见一定工艺方案下，浇注凝固过程中的各物理行为方式，从而可以推断是否会产生缺陷以及产生缺陷的定量特征。6 18可视化处理：必须按照这些数据既定的数据结构和取值的规定性，通过计算机程序去求解、去识别，并将其组织、构造成相应的图形、图像、曲线乃至动画等等，使其直观可视，直接反应出工程相关的信息，直接揭示出工程相关的因果关系，为铸造工艺的优化提供准确的决策依据。6 19数据阵列：作为数值求解结果的解数据，是一个庞大的数值阵列，这些琐碎而沉繁的数据本身并不能直接向人们揭示充型或凝固过程的物理内涵。6 20前处理：在凝固模拟技术中，值域的离散化、方程的差分化通常被称为前处理。 21后处理：用计算机图形表示分析计算所得的数值结果，结果数据的可视化、动画化通常被称为后处理。 22导热——物体个部分之间不发生相对位移，依靠分子、原
铝合金半固态成形工艺的研究现状
铝合金半固态成形工艺的研究现状 作者：上海大学 余忠土 张恒华 邵光杰 许珞萍 新型的成形技术─―半固态成形 技术（SSM ）是一种近终成形（Near-net-shape ）的成形工艺。与传统的成形工艺相比，它有一系列突出的优点：成形温度低，成形件力学性能好，并较好地综合了固态金属模锻与液态压铸成形的优点。本文阐述了铝合金半固态成形技术的主要工艺方法，其工艺参数与传统液态压铸成形的差异，以及半固态成形件在不同状态下的力学性能 图1 半固态金属压铸流程图 20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings 等人在实验中发现了半固态金属的流变性能，到70年代中期，Joly 等人进一步探索了半固态金属的这种性能，并出现了半固态金属加工的概念。所谓半固态金属加工技术即在金属凝固过程中，进行剧烈搅拌，将凝固过程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生长，然後直接进行流变铸造或制备半固态坯锭後，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然後进行成形加工。铝合金的半固态加工技术主要有三道工序：半固态坯料的制备、二次重熔和触变成形。触变成形作为半固态加工技术的最後一道工序，是影响半固态成形件组织和性能的关键工序，直接影响着半固态成形件的组织和性能。自该技术被开发以来，已经历了30馀年的研究发展，并已召开了六次有关半固态的国际会议，发达国家已经进入生产实用阶段。因为半固态成形技术有一系列突出的优点：半固态金属成形技术具有高效、优质、节能和近终成形等优点，可以满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。
半固态成型技术
半固态成形技术及其应用 【摘要】本文介绍了半固态成形技术的基本原理、技术优点，重点论述了搅拌、非搅拌浆料制备方法的优缺点及触变、流变、注射成形工艺的特点，并阐述了半固态成形技术工业化应用的现状和发展前景. 【关键词】半固态成形技术原理浆料制备成形方法应用 1前言 20世纪70年代，美国麻省理工学院的Flemimgs提出了金属半固态成形技术(SSM)，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固一液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60%)，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，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态成形技术。 2半固态成形工艺的基本原理 2.1半固态组织的形成机理 2.1.1枝晶断裂机制 在合金的凝固过程中，当结晶开始时晶核是以枝晶方式生长的。在较低温度下结晶时，经搅拌的作用，晶粒之间将产生相互碰撞，由于剪切作用致使枝晶臂被打断，这些被打断的枝晶臂将促进形核，形成许多细小的晶粒。随着温度的降低，这些小晶粒从蔷薇形结构将逐渐演化成更简单的球形结构。 2.1.2 枝晶熔断机制 在剧烈的搅拌下，晶粒被卷入高温区后，较长的枝晶臂容易被热流熔断，这是由于枝晶臂根部的直径要比其它部分小一些，而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比它表面稍微高一些，因此枝晶臂根部的熔点要低一些，所以搅拌引起的热扰动容易使枝晶臂根部发生熔断。枝晶碎片在对流作用下，被带入熔体内部，作为新的长大核心而保存下来，晶粒逐渐转变为近球形。 2.1.3 晶粒漂移、混合—抑制机制 在搅拌的作用下，熔体内将产生强烈的混合对流，凝固过程是就在激烈运动的条件下进行，因而是一种动态的凝固过程。结晶过程是晶体的形核与长大的过程，强烈的对流使熔体温度均匀，在较短的时间内大部分熔体温度都降到
半固态流变铸造和触变铸造
半固态流变铸造和触变铸造 所谓流变铸造(压铸)是将液态金属制备成半固态浆糊料然后将其压铸成形的方法，主要设备由一台流变浆液连续制备器和一台压铸机组成。 所谓触变铸造(压铸)，是将由浆液连续制备器出来的浆液不直接压铸成形，而先制成料锭，并将料锭熔成一定的尺寸，可作为商品出售，用户在使用时先将其加热，并送入压铸机内压铸成型的方法。整个系统包括压铸机、感应炉和刚玉质的料锭软度指示计组成。 1970年，美国马萨诸塞州技术研究所在研究部分凝固合金的流动性时，意外地发现了应用半凝固金属糊状浆料进行压铸的可能性。这种糊状浆料的初生固体颗粒包含有粗化的树枝晶或是球形的团块。它们彼此不连结，并且冷在液态基质中，其固相体积比可高达80%，可以在任意长的搅拌时间内阻止这些固相颗粒进行接触，得到具有流变性和触变性的半固态糊浆料(其粘度随剪切速率或随时间的增加而减小，并有可逆性)。近30年来，有关流变铸造和触变铸造压铸专利技术的报道不断涌现。 由于二次加热能耗大，工艺过程较复杂，加之具有触变性的金属材料种类不多。因此，半固态金属铸造的工业应用受到限制。近年来，世界各国的研究人员们在研究新的半固态金属压铸工艺技术时，将塑料的注射成形原理应用于固态金属铸造工艺中，形成了流变注射成形(1theo.moulding)和触变注射成形(1~ixomoulding)新工艺，它们集半固态金属浆料的制备、输送、成形等过程于一体，较好地解决了半固态金属浆料的保存、输送、成形控制困难等问题，使得半固态金属铸造技术的大量工业应用出现了光明的前景。 (一)触变注射成形 由美国’Fhixomat公司提出的半固态金属触变注射成形工艺(‘rhixomoulding)，采用了塑料注射成型的方法和原理，它由给料器、驱动及注射系统、剪切螺旋、加热剪切镁合金的粒料或屑料可变成含固相率在60%以上的半固态浆料，剪切螺旋的平移速度为380cra/s。 其成形过程为：被制成粒料、屑料或细块料的镁合金原料从料斗中加入;一定量的半固态金属液在螺旋的前端累积;最后在注射缸的作用下，半固态金属液被注射入模具成形。 (二)流变注射成形 美国(~onell大学的K.K.Wang等，首先将半固态金属流变铸造(sSM.Rheocasting)结合起来，形成了一种 称之为“流变注射成形”(]Rheomoulding)的半固态金属成形新工艺。 流变注射成形的工作原理是：液态金属依靠重力从熔化保温炉中进入搅拌筒体，然后在螺旋的搅拌作用下(螺旋没有向下的推压力)冷却至半固态，积累至一定量的半固态金属液后，由注射装置注射成形。上述过程全在保护气体下进行。 温度控制精度是半固态金属成形的关键因素之一。
材料成型计算机模拟(纯手工打造)
二、填空题 1材料科学：以材料的组成、结构、性能和加工等为研究对象的一门科学。1 2材料、能源和信息称为当代文明的三大支柱。1 3材料的分类：组成与结构:金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等。1 4材料的分类：性能和作用：结构材料和功能材料。1 5数学建模的过程包括：建模准备、建模假设、构造模型、模型求解、模型分析、模型检验、模型应用。1 6对实体的认识过程：描述性数学模型、解释性数学模型。1 7建立立模型的数学方法：初等模型、图论模型、微分方程模型、随机模型。1 8模型的应用领域：人口模型、环境模型、水资源模型、污染模型。1 9模型的特征：静态模型和动态模型、离散模型和连续性模型。1 10对模型的了解程度：白箱模型、灰箱模型和黑箱模型。1 11材料成型方法涉及到的物理、化学和力学现象。1 12材料成型过程的基本规律可应用一组微分方程来描述：流动方程、热传导方程、平衡方程或运动方程、即场方程或控制方程。1 13材料成型问题——场方程——定解条件——边值条件，初始条件——方程解析解。1 14金属型模具温度场的分析内容：前处理——求解——后处理。6 15流场与缺陷形成有紧密的相关性，通过流场的模拟可以预测可能产生缺陷的位置和程度，从而提高改进的方向。 16导热特点：1）物体之间不发生宏观相对是位移；2）依靠微观粒子（分子、原子、电子等）的无规则热运动。3）是物质的固有本质。6 17计算机仿真包括两方面的工作：1）建立仿真对象的（数学模型）；2）求解，并将结果表示出来。 18有限元分析的后处理程序的功能：1）对计算结果的加工处理；2）计算结果的（图形）表示。2 19用于表示计算结果的图形表示形式：1）结构变形图；2）等值线图；3主应力迹线图；4）等色图。2 20一维空间Fourier 定律表示成下式：q=x ??-t λ 。7 21当x 方向的温度分布呈线性时，温度梯度表达式： 1 21 2x T x T T x --= ??。722虚拟现实技术重要特征：多感知性、（存 在感）、交互性、自主性。 223初始条件：温度初始条件、（压力）初始条件、速度初始条件、组织初始条件。3 三、简答题。。。。。。1数值模拟方法的基本特点?1 答：将微分方程的边值问题的求解域进行离散化，将原来求得在求解域内处处满足场方程，在边界上处处满足边界条件得解析解 的要求降低为求得在给定的离散点（节点）上满足由场方程和边界条件所导出的一组代数方程的数值解。因此使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。 2有限元法的特点？1 答：将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在节点处相互连接的单元的集合体，在每个单元内用一个满足一定要求的差值函数描述基本未知量在其中的分布。随着单元尺寸的缩小，近似德尔数值求解越来越逼近精确解。有限元法适应任意复杂的和变动的边界。 3有限差分法的特点？1 答：以差分代替微分，将求解对象，在时间与空间上进行离散对每个离散单元进行各种物理场分析（温度场、流动场、应力场），然后将所有单元的求解结果汇总，得到整个求解对象在不同时刻的行为变化，并对分析对象的可能变化趋势作出预测。有限差分法有点：求解过程简单，速度快，前后置处理易于实现。 5做金属成形工艺数值模拟需要客户准备哪些数据？1 答：客户需要提供数据包括：工艺参数，坯料、模具的形状尺寸数据和材料性能数据，压力机数据等。对于冲压工艺：材料性能数据只包括板料在室温条件下的力学性能能数据例如：应力应变曲线、n 值（应变硬化指数）的测定与r 值（厚向异性系数），成形极限图等。 对于锻造工艺：如果客户需要了解模具的变形和应力数据，则还需要提供模具的力学性能数据。如果是热锻，除了需要提供模具和坯料在锻造温度条件下的力学性能数据外，还需要提供与坯料与微观组织有关的数据。 8有限差分法在材料成形领域的应用？ 答：1）材料加工中的传热分析——铸造成型过程的传热凝固，塑性成形中的传热，焊接成型中的传热；2）材料加工中的流动分析——铸件充型过程，焊接熔池的产生，移动，激光熔覆中的动量传递；3）应力分析。 9有限差分法差分原理？2 答 ： 函 数 y=f(x) 对 x 的 导 数 x x f x x f x y dx y x x ?-?+=??=→?→?) ()(d lim lim 00 向前差分：=?y f(x+ x ?)-f(x)； 向后差分：=?y f(x)-f(x- x ?)；中心差分：=?y f(x+ x ?21)-f(x x ?2 1) 10有限差分法二阶向前差分形式？2 答 [][][]) ()(2)2()()()()2() ()()()()y 2x f x x f x x f x f x x f x x f x x f x f x x f x f x x f y +?+-?+=-?+-?+-?+=?-?+?=-?+?=??=?（ 11有限差分法n 阶向前差分形式？2 答：
半固态金属成形应用的新进展与前景展望
半固态金属成形应用的新进展与前景展望 毛卫民赵爱民钟雪友 摘要论述了半固态金属坯料制备工艺、成形工艺、半固态金属成形件的性能和半固态金属成形在一些发达国家应用的最新进展，并展望了半固态金属成形在我国应用的前景及意义。 关键词：半固态金属流变成形触变成形力学性能 在传统的铸造中，浇注的金属都是过热的金属液，如压铸、挤压铸造(液态模锻)；而在传统的金属锻造中，坯料都是固态金属。但从70年代至今，国外研究开发出一种崭新的零件成形工艺，称为金属的半固态加工。所谓的金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈地搅拌作用，充分打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%)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工，这种方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming);如果将流变浆料凝固成铸锭，再按需要将此金属铸锭分切成一定大小，使其重新加热(坯料的二次加热)至金属的半固态区，这时的金属铸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(semi-solid forming or processing of metals)［1～3］。 半固态金属成形具有许多独特的优点：铸件凝固收缩减少，成形不易裹气，因此铸件致密，可以热处理强化；铸件晶粒细小，不存在宏观偏析，性能更均匀；半固态金属成形速度高，且易于近终化(net-shape)成形，机加工量减少；模具寿命长，所以半固态金属成形技术在国外获得了广泛的应用。 1半固态金属坯料的生产 半固态金属坯料的制备是金属半固态成形的基础，目前进入工业应用的制备工艺主要有电磁搅拌、应变激活方法。 1.1电磁搅拌工艺 电磁搅拌方法则利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。电磁搅拌不
(工艺技术)半固态金属铸造工艺
半固态金属铸造工艺 3.1 概述 自1971 年美国麻省理工学院的D.B.Spencer 和M.C.Flemings 发明了一种搅动铸造（stir cast ）新工艺，即用旋转双桶机械搅拌法制备出Sr15% Pb 流变浆料以来，半固态金 属（SSM铸造工艺技术经历了20余年的研究与发展。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（Partially Solidified Casting Alloys ）。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。此后，逐渐在其它领域获得应用，生产高性能和近净成形的部件。半固态金属铸造工艺的成形机械也相继推出。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形和新材料制备技术之 一。 3.2 工艺原理 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。 3.3 合金制备 制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法 （SIMA）、喷射沉积法（Spray）、控制合金浇注温度法等。其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和SIMA法，是最具工业应用潜力的方法。 3.3.1 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。 3.3.2 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。 3.3.3 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的拉长形变结构，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。 SIMA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
半固态成形技术及应用
半固态成形技术及应用 摘要 介绍了半固态成形技术的工艺原理,分析了机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜 坡等浆料制备方法和流变加工、触变加工、注射加工等成形方法。分析了各种计算机模拟技术和模拟方法在半固态成形方面的应用,论述了目前国内外半固态成形技术的应用状况和发展趋势。随着半固态成形技术研究水平的不断提高,成形产品及应用不断增多,发展前景广阔。 关键词: 半固态加工; 浆料制备; 成形工艺; 计算机模拟 0引言 20世纪70年代初,美国麻省理工学院D.B.Sepcner等研究人员在自制的高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时,发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为图,即金属在凝固过程中进行强力搅拌,使枝晶破碎,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相率甚至可高达60%),具有很好的流动性,易于通过普通加工方法制成产品,并冠以半固态加工[1],人们一直沿用至今。 半固态成形技术与其它的成行技术的区别在于：①半同态浆料具有流变性和触变性，变形抗力小，可提高成形速度，进行复杂件成形，缩短加工周期，利于节能节材，也可进行连续形状的高速成形；②与液态金属加工相比，半固态浆料随着同相分数的降低，呈现粘性流体特性，在微小外力作用下可发生变形流动，但粘度比液态金属高，容易控制；③当固相分数在极限值(约75％)以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维，完成复合材料制备和成形；④应用广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压，也正是这个优点，才产生了多种金属半固态成形工艺[2]，所以被誉为2l世纪最有发展前景的现代加工新技术。 半固态金属成形过程的模拟仿真，如半同态材料的二次加热过程、凝固过程的温度场的模拟仿真，充型过程流动场的模拟仿真，触变成形过程工件应力应变场的模拟仿真和组织变化的模拟仿真等，通过对这些单一或复合过程的模拟仿真技术的研究，可以对SSM过程中产生的诸如裂纹、气孔缺陷等各种品质问题进行分析，对工艺方案进行优化，对产品品质和性能进行预测，从而达到改善产品品质、提高生产率和降低成本的目的。 半固态金属成形技术在许多发达国家如美国、意大利、瑞士、法国、德国、日本等已进入了工业应用阶段。半固态金属成形制品的主要市场是汽车工业，如空压机、制动器、发动机、燃料供给装置、悬挂装置及汽车轮毂等。由于制品质量优异，大量用于安全性能要求较高的地方。另外，在电子、军事和娱乐设施等方面也有着广泛的用途。而我国的半固态金属加工技术起步较晚，开始于20世
半固态触变注射成型镁合金组织性能分析定稿版
半固态触变注射成型镁 合金组织性能分析 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】
半固态触变注射成型镁合金组织性能分析 摘要：本文对半固态触变注射成型镁合金AZ91D 的组织与性能进行了分析，结果表明，该成形法所生产的镁合金产品的组织及力学性能均优于压铸产品，从而为应用半固态触变注射成型法进行镁合金汽车零部件的生产奠定基础。 关键词：触变注射成型镁合金组织力学性能 1 引言 近年来，随着对绿色、环保等方面要求的提高，镁合金以其重量轻、比强度高、比刚度高、减震性好、耐电磁屏蔽、易回收等特点从众多金属材料中脱颖而出，广泛的应用于航空、航天、电子和汽车等行业。目前，镁合金应用的两大热点产业是电子业和汽车业。一方面，用于“3C” (Computer、Communication、Consumption Electronics Products)产品的壳体，有逐渐取代可回收性较差的塑料壳体的趋势；另一方面，作为实际应用中最轻的结构金属，镁合金能够满足交通运输业日益严格的节能和尾气排放要求，从而生产出重量轻、耗油少、环保的新一代交通工具。
国内外广泛采用的镁合金成形方法为压铸法。压铸镁合金产品具有尺寸稳定性好、生产率高等优点，但也具有夹杂多、气孔多、成形后难热处理、尺寸近净成形差等不足。采用压铸法制造的零件很难满足诸如用于“ 3C”产品中所广泛使用的薄壁壳体类零件以及用于汽车工业中的高性能镁合金零部件的要求。 同压铸法相比，半固态方法制造的产品具有铸造缺陷少，产品的力学性能、尺寸精度、表面和内在质量高等优点，此外还有节约能源、安全性好、近净成形性好等优点。目前世界上已经成功工业化的镁合金半固态成型技术是触变注射成型技术[1]。长春华禹镁业有限公司是我国最早引进此项技术的厂家，本文利用该公司的触变注射成型机制备试样，对触变注射成型镁合金的组织及力学性能进行了分析，从而为公司下一步进行汽车用高性能镁合金的研究开发作适当的技术储备。 2 半固态触变注射成型技术的原理及工艺过程 2.1 半固态触变注射成型技术的原理 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。半固态成形是在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，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[2～4]。
铝合金半固态锻造工艺研究
铝合金半固态锻造工艺研究
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轻金属半固态模锻工艺研究 1、前言 2０世纪70年代初,美国麻省理工学院研究人员发现，金属材料在凝固过程中施加强烈的搅拌,可以打破传统的枝晶凝固模式，形成近球状的组织,从而得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定球状或类球状初生固相的固—液混合浆料,即半固态浆料，这种浆料具有良好的流变性和触变性,采用这种既非液态又非完全固态的金属浆料跟常规加工方法如压铸、挤压、模锻等结合实现成形加工的方法称为半固态金属加工(Seｍｉ-Solid MetaｌProcｅssinｇ,简称ＳSM)。从理论上讲，凡具有两相区的合金及其复合材料均可以实现半固态成形加工。该方法之所以能够发展成为一种先进的成形加工技术，完全基于半固态金属材料所具有的特殊流变学性能，即触变性：当半固态金属坯料所受的剪切力不大时,坯料具有很高的粘度近似固态,可以方便地放置和搬运；而当受到较大剪切变形时,坯料便表现出较小的粘度可以像液态一样随意流动成形。但是采用具有枝晶状初生相组织的固—液混合体成形加工时,由于枝晶状组织的相互搭结、缠绕，变形阻力大,流动性很差，固液相极易分离，产生严重的热裂与宏观偏析。因此,半固态金属成形具有多方面的优点：相对于普通液态成形（如压力铸造或挤压铸造）,由于半固态浆料中已有一半左右的固相存在而且温度低于液态金属近1０0℃，因此可以消除常规铸件固有的皮下气孔和疏松等缺陷，而且模具寿命成倍提高;相对于常规固态成形(如模锻或挤压），由于半固态浆料具有很好的流动性,因此变形抗力极低，可以一次加工成形复杂的零件，减少了成形道次、模具投入及后续机加工量,而力学性能则与固态锻造相当。正是半固态金属锻造技术具有高效、优质、节能和近终成形等突出优点,可以满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。 半固态金属锻造与半固态金属触变压铸实质上并无明显差别，其主要不同之处在于前者是用半固态金属在锻造设备上加工成形。锻造半固态金属可以在较低的压力下进行，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以在半固态金属锻造方法来生产,其锻造设备可分为立式和卧式压力机两种。半固态锻造是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行以压缩变形为主的模锻以获得所需形状、性能制品的加工方法。半固态锻造可以成形变形力较大的高固相率的半固态材料，并
半固态金属加工成形
半固态金属加工成形 s2*******材料国重 摘要:半固态金属成形技术是现代工业发展的一个新领域。本文主要对半固态金属成形技术进行了简单的分析、归纳和论述。然后根据半固态金属加工成形技术的特点展望半固态金属加工的发展趋势及应用前景。 关键词：半固态成形，加工技术，趋势及前景 1．前言 半固态成形工艺，泛指对温度处于固相线温度与液相线温度之间的半固态金属坯料进行的成形工艺。该工艺的基本理念及工艺于20世纪70年代由美国麻省理工学院的弗莱明斯教授以及他的科研团队所提出和创立。其工艺特征是对正在凝固的金属进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，制备具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料。此种浆料在外力的作用下，即使固相率达到60%。仍具有较好的触变流动性，可以利用压铸、挤压、模锻、铸轧等工艺进行加工成形。 目前，大部分金属构件的制造依赖于传统的铸造和锻造工艺，然而，在全球倡导“节能减排”、“绿色制造”的今天，传统的铸造和锻造工艺在材料质量利用率和材料性能利用率的双重标准的考量下，都显示出了一定的局限性。 2.半固态金属加工的特点 2.1半固态金属的特点 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。 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。半固态金属的金属学和力学主要有以下几个特点：（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 （2）由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分，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，呈现黏性流体特征，在微笑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%）以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维 （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，又可很容易地将分离的部位连接形成一体，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很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，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的情况下都很难发生，主要是在中间
材料成形数值模拟概念
等以液态铸造成形，固态塑性成形和连续成形以及黏流态注射成形等为代表的材料加工工程。 将一个成形铸造过程定义为由一组控制方程加上边界条件构成的数学的有解的问题，是在计算机系统平台上利用数值方法仿真（虚拟）材料的成形过程。目的：帮助人们认识与掌握材料特性、成形方案、工艺参数等内在、外在因数对材料成形质量和工模具寿命 分）成有限个形状简单的子域单元②利用有限个节点将各子域连接起来，使其分别承受相应的等效节点载荷③借助子域插值函数和“平衡”条件构建各子域的物理场控制方程④将这些方程按规则组合⑤在给定的 载荷、建立边界初始条件②求解计算过程，内容：计算刚度曲线、节点位移、应变应力③后置处理过程， 件或曲面零件的一种冲压加工方法。②胀形：在模具作用下，迫使毛坯厚度减薄和表面积增大，以获得零件几何形状的冲压加工方法。③修边：指利用模具刃口切除拉深件上工艺补充部分材料的冲压加工方法。 ④翻边：指利用模具将板坯或制作上的内外边缘翻制成竖边的冲压加工方法。⑤弯曲：指在模具的作用下，将板料或板料局部按设计要求弯制成一定角度和一定曲率半径的冲压加工方法。⑥落料和冲孔：两者都是 利用模具刃口沿封闭轮廓曲线冲切毛坯而完成加工，落料获得平板零件或板坯， 具体有：①起皱缺陷模拟：起皱是薄板冲压成形中常见的缺陷之一，起皱严重到一定程度将使零件报废，仿真技术能较好地预测给定条件下冲压件可能产生的起皱，并通过修改模具或工艺参数予以消除。②拉裂：是冲压件成形失效的另一种形式，采用计算机仿真技术能够较为准确地计算材料在冲压成形中的流动情况，因而可较准确地预测变形体内的应变分布和板坯的减薄，为判断是否存在拉裂可能性提供科学、可靠的依据。③回弹：冲压成形件卸载后的回弹是不可避免的物理现象，冲压成形数值模拟技术的诞生为计算复杂冲压件的回弹提供了有 、①在UG 软件中生成零件模型，将生成零件另存为iges格式文件。②在Dynaform软件中点击菜单栏中的“文件”，出现下拉菜单，选择“导入”，弹出对话框，选择对象文件，点击“确定”。 2、零件网格划分：①打开后缀名为“.df“的零件，并设为当前零件。②点击菜单栏中“前处理”选择“单元”，弹出单元对话框。③点击对话框中“曲面网格化”，点击右上角“网格划分”按钮，弹出网格对话框。 ④在网格对话框中点击“选择曲面”，用十字光标点击曲面使之变白，点击确定。⑤点击“应用”，并接受自动网格划分结果即可。