轻金属半固态成形技术-第2章

(a) 未变形的树枝晶 (b) 枝晶臂弯曲
(a) 未变形的树枝晶 (b) 枝晶臂弯曲 (c) 弯曲晶格重组产生晶界
★ 在搅拌过程中，如果一个α-Al枝晶臂相对于枝晶主干 弯曲了角，就要求枝晶臂中必须存在附加的位错，这 些位错将会因为回复和再结晶过程的发生而转变成晶 界，那么该晶界就具有角大小的取向错误。
(a) 未变形的树枝晶 (b) 枝晶臂弯曲 (c) 弯曲晶格重组产生晶界 (d) 晶界能大于两倍的固液界面能，晶界被液相浸润，枝晶臂被熔断
★由于晶界的能量随着晶界取向错误的增加而增加，此 外大角度晶界的能量一般都比固液相的界面能大两倍 以上，如Al的晶界界面能量约为0.6Jm-2，而Al的固液 界面能量约为0.09Jm-2，那么这种晶界完全会被液体薄 膜所浸润。最后该枝晶臂就会由于晶界引发的熔化作 用而从枝晶主干上脱落下来。
初生固相晶粒的大小主要与凝固时的冷却速率有关，冷却速 率越高，初生固相晶粒就越小；但当剪切速率大于某一数值 时，初生固相晶粒也随剪切速率的增加而减小。
2.1 组织形成与演化机制
2.1.3 枝晶臂塑形弯曲和晶界浸润熔断机制 —— Vogel 等人的观点
★ 假设在接近熔点温度下，初生的α-Al枝晶具有一定的 韧性；虽然此温度下的α-Al枝晶较脆弱，但这种假定 的韧性使得α-Al枝晶在搅拌的紊流之中只发生弯曲而 不至于断裂。
轻合金半固态成形技术
第二章 半固态成形的基本理论
半固态金属组织形成与演化机制 半固态金属的流变行为 半固态金属的触变行为
半固态金属
若在金属பைடு நூலகம்固过程中，对其施以剧烈的搅拌作 用，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定 量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固-液混 合浆料（也称流变浆料），称为半固态金属
搅拌
树枝晶
枝晶断裂，晶体 变圆、变小
圆形或半圆形的初晶 表观粘度减低
AlSi7Mg合金显微组织
(a) 传统凝固的枝晶组织 (b) 电磁搅拌的半固态组织
半固态Sn-15wt%Pb合金流变组织
固相分数0.45，剪切速率230s-1 搅拌时间：(a)730s，(b) 2400s
2.1 组织形成与演化机制
Vogel 等人提出的凝固模型的试验证据在于：
（1）经常可以观察到弯曲的枝晶臂，尤其对于那些凝固 已经开始后才进行搅拌的金属更是如此，如4-5图；
（2）在搅拌条件下，析出的初生α-Al的晶界中经常出现 晶界浸润现象；
Al-Cu合金搅拌下的晶界浸润
（3）搅拌的半固态金属浆料组织中的大部分晶界都是小 角度晶界（<15o），其余少数大角度晶界中的大部分 都接近共格取向，晶界能较低；
由于正常的熟化作用，枝晶臂会从根部熔断，而搅拌引起的流动促使 晶粒熟化时溶质扩散，并将熔断的枝晶臂带往其他地方，如图（a）；
这些熔断的初生枝晶臂在早期的生长时会继续枝晶化，如图（b）；
随着持续地搅拌剪切、初生枝晶臂碎块之间的摩擦以及枝晶臂与液体 之间的摩擦和冲刷作用，也由于初生枝晶臂碎块的熟化作用，初生枝晶 臂碎块逐渐转变为蔷薇状，如图（c）所示；
(b)
电磁搅拌时形成的细小蔷薇状晶粒
(a) 614℃淬火，搅拌5s (b) 595 ℃淬火，搅拌964s
机制依据
① 电磁搅拌使熔体中的温度场和溶质场变得很均匀， 整个合金熔体几乎在同一时刻被冷却到相同或很相近 的形核和生长温度，整个断面的熔体几乎获得相同的 形核速率，即初生固相晶粒几乎在整个断面处处形核， 抑制了初生固相晶体的择优生长，消除了一次臂很长 的树枝晶，而是形成细小的蔷薇状初生固相，细化了 晶粒，而尺寸细小的晶粒便于随熔体一起运动将有利 于二次臂根部的熔断。
随着初生枝晶臂碎块熟化的进行，初生枝晶臂碎块逐渐转变为更加密 实的蔷薇状，如图（d）所示；
只要在较高的搅拌剪切速率和较低的冷却速率下，初生枝晶臂碎块最 后会转变为球状或椭球状，如图（e）所示。
枝晶根部熔断的根本原因：外场作用下引起流体的流动导致 溶质扩散加快、产生流动应力、促使溶质偏聚等作用。
演化过程从（a）到（e），随着剪切速率的提高和冷却速率 的降低而加快。
2.1.1 枝晶臂机械剪切断裂机制 —— Flemings 等人的观点
搅拌作用会在凝固过程的合金中引起应力应变 场，搅拌引起的黏性流体流动带来的剪切力使 得金属或合金熔体中的枝晶臂断裂。破碎的枝 晶臂可能游离成为新的晶核，从而出现晶粒细 化和增殖。
但金属或合金熔体析出的树枝晶的晶体结构几 乎完整无缺，内部不存在位错和缺陷，枝晶臂 的简单断裂似乎很困难，该假说也缺乏可靠的 实验依据，难以被广泛地接受。
2.1 组织形成与演化机制
2.1.4 电磁搅拌下的枝晶臂根部熔断机制 —— 毛卫民、Hellawell 等人的观点
在电磁搅拌下，合金熔体组织中出现许多细小的蔷薇 状初生固相，这些蔷薇状初生固相的二次枝晶臂几乎 不发生弯曲；
搅拌使熔体产生强烈的温度起伏，使得二次枝晶臂根 部熔断；
熔断的二次臂不断与合金熔体及固相之间发生摩擦与 熟化，从而逐渐球化。
2.1 组织形成与演化机制
2.1.2 生长熟化引起的枝晶根部熔断机制 —— Flemings 的观点
在搅拌的作用下，初生枝晶由于熟化作用， 也由于初生枝晶之间以及它们与液体之间发 生碰撞、摩擦和冲刷作用，初生枝晶逐渐转 变为玫瑰花状，最后转变为球状，如图所示。
（a）折断的枝晶碎块；（b）枝晶碎块长大； （c）枝晶臂弯曲变形；（d）枝晶臂进一步弯曲、熟化； （e）接近密实的球状固相。
（4）在搅拌后的初生晶粒中发现了两种晶界，一种晶界 附近的合金成分没有连续性，出现成分峰值；另一种 晶界附近的合金成分具有连续性，表明这是再结品晶 界。因此，意味着搅拌过程中存在晶界；
（5）在二次加热后的合金组织中能直接观察到液相沿着 晶界的浸润与渗透现象。
A2017合金铸坯在580度加 热时液相沿晶界的渗透
未电磁搅拌下的熔体温度场
电磁搅拌下的熔体温度场
搅拌条件：50Hz，4116W
② 电磁搅拌引起蔷薇状初生-Al枝晶出现强烈的温度起伏。 搅拌室内最外层的合金熔体的温度总要略低于心都的温度， 再由下图可知，合金熔体存在的附加流动，将使细小的初生 -Al晶体时而进入搅拌室的边缘区域，时而又进入搅拌室的中 心区域，使初生-Al小枝晶处于强烈和附加的温度起伏之中， 最终造成了初生-Al小枝晶的二次臂根部的大量熔断。