功率超声对Al- Fe铝合金的凝固组织和性能的影响.doc

功率超声对Al-3%Fe铝合金的凝固组织和性能的影响 1、相关定义 1.1、包晶合金凝固的基本概念 第一章 绪 论 晶反应开始生长,直至参与包晶反应的两相中有一相完全耗尽。若液相先于初生相耗尽,则 获得的凝固组织为包晶相包覆初生相的结构;若初生相先于液相被耗尽,则剩余的液相将直 接转变为包晶相,最后获得完全由包晶相构成的组织。 根据上述分析,包晶反应完成后,对 k1 的情形,包晶和亚包 晶合金的平衡凝固组织为完全的包晶相,过包晶合金的平衡凝固组织为初生相+包晶相(如图 1-2)。 1.2、包晶凝固的定义 一个固相和液相反应生成另一个固相的相变过程称为包晶反应,许多合金在凝固过程中 都涉及到二元或赝二元包晶反应[3],如图 1-1 所示,其典型特征是冷却时在包晶温度下初生相 α与液相L反应生成包晶相β,即L+α→β。定义Tp为包晶温度,Cα、Cp、Cl分别为此温度下的 初生相、包晶相和液相成分。成分介于Cα与Cl之间的合金在凝固时均可以发生一定程度的包 晶反应,统称为包晶合金。 图 1-1 包晶凝固相图,(a) k1 对于k1 的情况,人们同 样将低于Cp的合金称为亚包晶,高于Cp的合金称为过包晶[4],此时介于Cl和Cp之间的合金为亚 包晶合金,而成分介于Cp 和Cα之间的合金为过包晶合金。 图 1-2 包晶合金平衡凝固过程示意图 k1: (a) 亚包晶合金;(b)包晶合金;(c)过包晶合金 包晶合金平衡凝固可以描述如下[5]:当体系温度降低到初生相液相线以下时,初生相开 始形核并且生长;当温度进一步降低到包晶温度Tp时,包晶相依附于初生相形核,并通过包 2 1.3、包晶合金基本概念 图 1-1 为典型的二元包晶合金相图(k1.4、材料的定义 由于本实验采用的是 6063 铝合金,DEFORM 的材料库中包含有该合金的相关数 据,所以可以直接对坯料的材料进行设定。由于本实验属于冷挤压,所以不涉及热传 导问题,所以不需要研究坯料与模具之间热传递,也没有必要给模具定义材料。 1.5、用户自定义本构模型的输入方法 在当今的科学研究方向中,新材料的开发占据了一个重要的角色。不同的材 料工作者开发了不同的新材料,得到了不同的本构模型,需要对这种新材料进行 模拟,为了满足这种需求,DEFORM 提供了两种用户自定义本构模型的输入方法 : (1)以函数形式输入本构模型。DEFORM 提供了若干常用本构模型,如图 4.6 所示。若用户的本构模型与系统提供的本构模型一致,则可直接输入其相关系数 即可;若用户的本构模型在系统中不存在,则可通过二次开发编程的方式将用户 的本构模型加入到 DEFORM 中,然后在图 4.6 中选择”User routine”并输入所调 用的本构模型子程序的编号。 图 4. 6 DEFORM 提供的本构模型 (2)以数据形式输入本构模型。DEFORM 还允许通过输入数据的方式来定义材 料的塑性流动行为。具体方法是根据材料的真应力-真应变曲线,取若干个数据点, 逐个输入该材料在某个温度、某个变形速率和某个真应变下的真应力。该方法的 优点是既不用求取材料的本构模型,也不用进行二次开发编程,就可以定义材料 的塑性流动行为,同时,若输入的数据点较多,得到的精度比输入函数形式的本 构方程要精确得多。 本论文采用第一种方式,将求取的本构方程输入到 DEFORM 中。 P/MPa H g / W m - 2 K - 1 47 1.6、慢压射技术的概念及发展 众所周知,压铸过程中铸件内气孔与合金种类及压铸工艺密切相关,因此研究新型 压铸工艺对于尽量减少压铸件中孔洞的形成,改善力学性能,提高产品质量具有重要意 义[35-37]。在卧式冷室压铸中,压室内金属液流的上部空间被气体所占据。在慢压射阶段, 这些气体一部分通过模具分型面与排气槽排出,另一部分卷入金属液内一同进入型腔, 这是铸件内部产生气孔的主要原因。因此,对慢压射阶段的动态行为进行深入的试验研 究与理论分析,进一步了解在慢压射阶段金属液的流动行为,是减少铸件孔洞缺陷,提 高铸件性能和质量的关键。近年来,通过大量的试验与分析,关于慢压射阶段的生产实 践与理论研究已取得了重大的进展,并建立了慢压射理论。随着科技的迅猛发展,在理 论的指导和推动下,压铸机也不断改进,压铸工艺也有了新的提高,于是,便配套地发 华南理工大学硕士学位论文 12 展成新型压铸技术——慢压射压铸技术。 慢压射技术是指金属液在很低的速度下进行填充型腔,直至最后充填完毕。其功能 就是从压射的第一阶段开始就对气体的影响加以抑制或阻止,为后面的工艺阶段提供有 利条件。慢压射技术的关键参数是临界压射速度。Garber 理论[16]认为,在慢压射压铸过 程中,冲头启动时金属液的前沿会掀起形成”波”,波掀起