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半固态合金熔体的表观粘度研究

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1 绪论

1.1半固态成形技术在车辆工程中的应用背景

1.2半固态成形技术简介

1.2.1半固态成形技术的产生、特征和发展

1.2.2半固态合金熔体制备技术

1.2.3半固态流变成形技术

1.3半固态合金熔体表观粘度的研究

1.3.1表观粘度的实验研究方法

1.3.2半固态合金熔体表观粘度的研究现状

1.4本研究的目标、意义和内容

1.4.1本研究的目标、意义

1.4.2本论文的研究内容

2 实验设备的研制及相关软件的开发

2.1半固态合金智能流变仪的研制

2.1.1测量原理

2.1.2测控系统设计

2.1.3误差分析及控制

2.1.4调试与标定

2.1.5性能指标

2.2半固态合金定量金相分析软件的开发

2.2.1工作原理

2.2.2金相图像处理

2.2.3软件的编制

2.2.4误差分析

2.3本章小结

3 半固态合金熔体表观粘度计算模型

3.1半固态合金流变过程中的能量耗散

3.1.1半固态合金熔体与管壁的粘性摩擦能量耗散模型

3.1.2液相绕初生固相颗粒(群)运动的能量耗散

3.1.3初生固相颗粒(群)碰撞引起的能量耗散

3.1.4半固态合金流变过程中总的能量耗散

3.2半固态合金熔体表观粘度的理论计算模型

3.2.1半固态合金熔体表观粘度理论计算模型

3.2.3分析与讨论

3.3实验验证

3.3.1半固态合金智能流变仪内熔体的表观粘度计算

3.3.2实验验证

3.4本章小结

4 半固态合金熔体制备、输送与充型过程中微观结构演变规律研究

4.1利用流变仪模拟流变成形过程中微观结构演变规律研究

4.1.1模拟实验原理

4.1.2实验设备和材料

4.1.3模拟流变成形过程中熔体微观结构的演变

4.2实际流变成形过程熔体微观结构演变规律研究

4.2.1流变挤压成形主要工艺路线

4.2.2实验设备

4.2.3半固态流变挤压成形过程中熔体微观组织的演变

4.3流变条件对流变成形微观组织演变的影响

4.3.1冷却速率的影响

4.3.2流变速率的影响

4.3.3流变时间的影响

4.4本章结论

5 半固态流变成形过程中表观粘度变化规律研究

5.1流变成形过程熔体表观粘度的计算

5.2实验验证与讨论

5.2.1实验验证

5.2.2分析与讨论

5.3本章小结

6 结论

7 参考文献

附录A:No.2~No.4实验定量金相分析结果

附录B:流变挤压成形设备及参数

作者简历

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摘要

表观粘度是半固态合金熔体流变行为的一个重要表征量,目前,半固态合金流变行为主要是通过实验观测得到唯象流变模型描述,对流变成形过程中的流变行为研究较少,特别是表观粘度在熔体制备、输送和充型等主要成形环节中的演化规律研究更少,尚不能对流变成形过程进行精确地模拟和预测。 本文研究了半固态合金熔体在流变成形的熔体制备、输送和充型三个基本环节中微观结构的演化规律,并建立了考虑半固态合金熔体微观结构和流变成形工艺条件的表观粘度计算模型,这对系统掌握半固态流变成形过程中的流变规律,完善半固态合金流变理论有着重要的学术和工程价值,同时,为半固态挤压铸造、半固态连铸、半固态铸造和半固态模锻等流变成形技术的推广应用提供理论依据。根据同轴双桶流变仪的工作原理研制的半固态合金智能流变仪能模拟半固态合金熔体制备、熔体输送和充型等流变过程主要环节,并能进行表观粘度的测量。实验检验和理论计算表明,该流变仪的测量误差<5%,从而保证了实验测量数据的可靠性,为精确研究半固态金属熔体的表观粘度提供了实验基础。基于金相分析的基本原理,利用VB和Matlab语言开发了一套适用于半固态合金的定量金相分析软件。该软件能对晶粒边界平滑处理,进行粘连晶粒的分离,根据设定的阈值筛选并剔除取样过程中新生的小晶粒。通过该软件可以进行半固态合金熔体有效固相分数、晶粒大小和圆整度等微观组织特征参量的测量与计算,计算结果误差较小,能够满足实际应用需要。 通过对半固态合金熔体在管道中流动时的能量耗散分析可知,熔体与管壁的粘性摩擦能量耗散、液相绕流固相颗粒的能量耗散、颗粒(群)间的碰撞能量耗散是半固态熔体能量耗散的三种主要方式。本文依据流变学、不可压缩流体流变理论和能量耗散理论,推导出了半固态熔体的能量耗散方程,并以此为基础建立了半固态合金熔体表观粘度的计算模型。采用半固态合金智能流变仪进行实验验证,理论计算值与测量结果的最大相对偏差为9.25%,一般在2%~7%内。采用螺旋线流变挤压成形和流变仪模拟流变成形两种实验方法,研究了熔体有效固相分数、初生固相颗粒直径、圆整度和微观结构特征参量G和β在半固态熔体制备、熔体输送和充型三个阶段随时间演化的规律;研究了流变条件对熔体微观组织的影响规律。在此基础上,结合半固态合金熔体表观粘度计算模型,把半固态熔体制备、输送、成形三个环节中半固态合金熔体的流变规律与半固态流变成形工艺联系起来,建立了流变成形过程中表观粘度随时间演化的计算模型,该模型对实际生产具有指导意义,为半固态合金流变成形过程的模拟、预测、控制以及缺陷防止提供理论依据。

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