DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.03.006
液固温区不同初生α相形态A356合金的流变行为
唐靖林 殷雅俊 范钦珊 曾大本
清华大学力学工程系
清华大学机械工程系 北京100084
摘 要：
对传统的静态剪切流变实验方法进行了改进 , 研究了不同初生α相形态半固态A35 6合金的流变规律。通过对实验结果进行分析 , 提出用 6个特征参数描述半固态A35 6合金的静态剪切流变特征 :加载瞬时切变γ1, 卸载瞬时恢复切变γ2 , 加载过程总切变γ3 , 卸载稳定状态下的切变γ4 , 加载时间t1及卸载稳定时间t2 。采用回归分析得到流变参数与切变应力、初生α相组织以及固相体积分数之间的关系 , 为系统评定半固态A35 6合金的流变行为提供了实验依据
关键词：
A356合金 ;初生α相 ;流变行为 ;静态剪切 ;
中图分类号： TG146
收稿日期： 2001-02-05
基金： 中国博士后基金资助项目 (中博基 2 0 0 0 0 31);
Rheological behavior of semisolid A356 alloy with different morphology of primary α phases
Abstract：
Traditional static shear tests were revised so as to study the rheological behavior of semisolid A356 alloy with different microstructure morphology. Six characteristic parameters, consisting of transient shear strain γ 1 after loading, transient recovery shear strain γ 2 after unloading, total shear strain γ 3 during the period of loading, residual shear strain γ 4 after unloading, time t 1 of loading and time t 2 between the initial unloading and the steady state after unloading, were put forward on the basis of analysis of different kinds of rheological curves. The relations of characteristic parameters to shear stress, morphology of primary α phases, as well as solid fraction were obtained by regression analysis, so that the rheological behavior of semisolid A356 alloy can be evaluated systematically.
Keyword：
A356 alloy; primary α phase; rheological behavior; static shear;
Received： 2001-02-05
对于半固态合金流变行为的研究, 浸入式静态剪切试验是主要的研究手段之一
[1 ,2 ,3 ,4 ]
。 迄今为止, 静态剪切流变实验的研究对象仅仅局限于枝晶组织半固态合金, 而对退化枝晶半固态合金的研究还有待于实验方法和实验手段的进一步改进
[2 ]
。 以往的研究表明, 随着初生α 相由枝晶向退化枝晶转变, 半固态合金的流变性能将产生显著变化
[5 ,6 ,7 ,8 ,9 ]
。 因此, 研究不同初生相形态半固态合金的流变行为, 无论是对于丰富流变理论还是指导半固态成形过程都具有十分重要的意义。
本研究对传统静态流变实验方法进行改进, 使之可以考察半固态合金的组织状态对其流变行为的影响, 其主要目的是系统研究不同组织状态半固态A356合金在不同固相体积分数下的流变规律, 从而为评定半固态合金流变性能以及确定流变模型提供依据。
1 实验条件和方法
所用实验材料为A356.2合金, 其化学成分 (质量分数, %) 为Si 6.74, Fe 0.072, Cu 0.005, Mg 0.26, Mn 0.001, Zn 0.022, Ti 0.18, Sr 0.005, Ca 0.001 3, Al余量。
静态剪切实验装置如图1所示。 静态剪切实验温度分别为571, 580和590 ℃。 由差热分析可知, 对应的固相体积分数f s 分别为0.80, 0.40和0.26。 采用金属型在室温下凝固, 得到具有枝晶初生α 相组织的合金; 在合金凝固至液固温区后施加等温搅拌, 通过控制等温搅拌时间得到具有不同初生α 相形态的退化枝晶组织的合金。 当试样加热至液固温区某一温度时进行加载, 使之产生蠕变, 直至蠕变非常缓慢时卸载, 随后试样进入反蠕变恢复阶段, 直至达到平衡态。 与此同时, 数据采集系统同
图1 静态剪切实验原理
Fig.1 Schematic diagram of static-shearing test步记录下试样在加载和卸载过程中的蠕变量和反蠕变恢复量, 最后经过计算得到其应变—时间流变曲线。
2 实验结果
试样的微观组织见图2, 图中黑色部分为初生α 相, 而白亮的基体则为共晶组织。 对试样的初生α 相进行定量分析, 并采用以下参数描述初生α 相的形貌:
F
s
=
4
π
A
a
v
l
a
v
2
?
?
?
(
1
)
式中 F s —形状系数, 当其等于1时, 初生α 相的二维形貌为圆形; 当其等于0时, 初生α 相的二维形貌为发达树枝状; 当其介于0和1之间时, 初生α 相的二维形貌为退化枝晶。 A av —初生α 相面积的算术平均值。 l av —初生α 相周长的算术平均值。
初生α 相的定量分析结果见表1。 对不同实验条件下应变—时间曲线进行分析, 可以归纳出不同组织A356合金静态剪切流变规律的一般特征 (见图3) 。 由图3可见, 流变曲线由加载蠕变曲线和反蠕变恢复曲线两部分组成。 加载瞬间首先产生瞬时变形, 随后变形进入弹性前效阶段, 经过一定时间后曲线进入稳定状态; 卸载瞬间将产生瞬时反蠕变恢复变形, 随后进入弹性后效阶段, 经过一段时间后恢复至稳定状态。
图2 A356合金的显微组织 (SEM)
Fig.2 SEM microstructures of A356 alloyTime of isothermal shearing: (a) —0; (b) —1 200 s; (c) —3 000 s; (d) —5 400 s; (e) —7 200 s
图3 静态剪切流变曲线的一般形式示意图
Fig.3 General type of static rheologic curves of A356 alloy
表1 A356合金初生相形貌的图像分析结果
Table 1 Result of graphic analysis of primary α phase of A356 alloy
0
1?200
3?000
5?400
7?200
F s 0.06
0.36
0.45
0.86
0.95
可以利用图3所示的6个特征参数来描述半固态A356合金的静态剪切流变特征, 即加载瞬时切变γ 1 、 卸载瞬时反蠕变恢复切变γ 2 、 加载过程总切变γ 3 、 卸载稳定状态切变γ 4 、 加载时间t 1 及卸载稳定时间t 2 。
这些特征参数的主要作用是确定流变模型类型和评价材料的流变性能。 加载瞬时切变γ 1 反映了半固态材料在一定切应力作用下的瞬时变形能力; 卸载瞬时反蠕变恢复切变γ 2 反映了材料在卸载情况下变形反弹的大小; 加载过程总切变γ 3 反映了材料在一定载荷作用下的总变形能力; 卸载稳定切变γ 4 反映了材料保持形变的程度, 即残余切变的大小; 加载时间t 1 为实验加载过程的持续时间; 卸载稳定时间t 2 反映了材料变形恢复的时间。
对于不同组织形态的半固态合金, 可以根据静态剪切应变—时间流变曲线确定各流变特征参数。 特征参数与加载应力、 初生α 相形态、 固相体积分数之间的关系, 反映了半固态合金流变规律的主要特征, 成为评定半固态合金流变行为以及确定流变模型的基本依据。
2.1 加载时的瞬时切变
对加载瞬时切变与应力之间的关系进行拟合, 得出瞬时切变与加载应力的关系式
γ
1
=
{
0
?
?
?
(
τ
c
≤
b
1
/
a
1
)
a
1
τ
c
-
b
1
(
τ
c
>
b
1
/
a
1
)
?
?
?
(
2
)
式中 a 1 (>0) , b 1 (>0) —拟合系数; τ c —加载应力, kPa。
拟合系数a 1 和b 1 与半固态合金的初生α 相形貌系数和固相体积分数的关系见表2。
2.2 加载过程总切变
对加载过程的总切变γ 3 与加载应力之间的关系进行拟合, 得出加载过程总切变与加载应力的关系式:
γ
3
=
{
0
?
?
?
(
τ
c
≤
b
3
/
a
3
)
a
3
τ
c
-
b
3
(
τ
c
>
b
3
/
a
3
)
?
?
?
(
3
)
式中 a 3 (>0) , b 3 (>0) —拟合系数; τ c —加载应力, kPa。
拟合系数a 3 和b 3 与半固态合金的初生α相形貌系数和固相体积分数的关系见表3。
2.3 卸载瞬时恢复切变
卸载瞬时恢复反映了半固态合金的弹性特征, 往往与瞬时加载切变是相互对应的。 因此考察加载瞬时切变γ1 与卸载瞬时恢复切变γ2 的相对大小与加载应力之间的关系是十分必要的, 具体结果见表4。 结果表明, 随初生α 相形貌参数f s 逐渐增加, 即随着初生α 相不断退化, 半固态合金的瞬时恢复切变逐渐减小。 当初生α 相为枝晶时, γ 2 与γ 1 之比近似为1, 说明加载过程产生的瞬时切变与卸载时的瞬时恢复切变相等, 这是枝晶组织半固态A356合金静态剪切流变规律的主要特征之一。 当初生α 相为近似球状 (F s =0.95) 时, γ 2 与γ 1 之比为0, 这是球状初生α 相组织半固态A356合金静态剪切流变规律的主要特征之一。 当初生α 相形态介于上述组织形态之间时, 半固态A356合金卸载瞬时恢复切变量γ 2 小于加载瞬时切变量γ 1 , 而且γ 2 与γ 1 之比近似为常数。
表2 瞬时切变—加载应力拟合曲线系数及其R平方值
Table 2 Parameters of regression analysis of transient strain—stress and its R -square
F s f s =0.80f s =0.40f s =0.26
a 1 b 1 R 2 a 1 b 1 R 2 a 1 b 1 R 2
0.06
0.003?9
0.000?5
0.959?3
0.098?6
0.037?4
0.953?6
0.154?3
0.059?4
0.950?5
0.005?4
0.002?2
0.855?8
0.198?9
0.060?8
0.956?1
0.334?6
0.075?0
0.942?2
0.012?3
0.006?2
0.908?4
0.233?7
0.065?2
0.972?4
0.409?3
0.094?2
0.963?2
0.017?6
0.007?4
0.944?8
0.269?3
0.074?0
0.967?4
0.680?4
0.095?8
0.925?0
0.023?0
0.008?8
0.956?8
0.304?1
0.075?0
0.951?0
0.794?4
0.113?9
0.988?9
表3 加载过程总切变-加载应力拟合曲线系数及其R平方值
Table 3 Parameters of regression analysis of total strain-stress and its R -square
F s f s =0.80f s =0.40f s =0.26
a 3 b 3 R 2 a 3 b 3 R 2 a 3 b 3 R 2
0.06
0.009?3
0.001?6
0.982?2
0.115?0
0.010?9
0.885?6
0.268?2
0.033?0
0.991?3
0.009?6
0.002?2
0.986?6
0.365?3
0.086?3
0.987?1
0.878?9
0.180?3
0.964?5
0.016?7
0.003?4
0.981?2
0.593?0
0.125?1
0.983?8
1.280?9
0.200?5
0.989?6
0.030?2
0.005?2
0.990?7
0.948?5
0.129?3
0.990?7
1.825?2
0.240?3
0.959?7
0.037?5
0.007?3
0.990?2
1.417?5
0.213?9
0.976?4
2.344?2
0.271?2
0.992?7
表4 不同条件下的γ2/γ1值
Table 4 Values of γ 2 /γ 1 under different test conditions
F s f s =0.80f s =0.40f s =0.26
0.98
0.98
1.00
0.79
0.66
0.66
0.65
0.43
0.54
0.27
0.18
0.24
0
0
0
2.4 卸载残余切变
卸载稳定切变γ 4 反映了材料保持形变的程度, 即残余切变的大小。 对实验结果进行拟合, 得出卸载残余切变与加载应力的关系式
γ
4
=
{
0
?
?
?
(
τ
c
≤
b
4
/
a
4
)
a
4
τ
c
-
b
4
(
τ
c
>
b
4
/
a
4
)
?
?
?
(
4
)
式中 a 4 (>0) , b 4 (>0) —拟合系数; τ c —加载应力, kPa。
拟合系数a 4 和b 4 与半固态合金的初生α 相形貌系数和固相体积分数的关系见表5。
2.5 加载时间t1及卸载稳定时间t2
在实验过程中, 加载时间t 1 =480 s, 卸载稳定时间可由流变曲线上测量。 卸载稳定时间是计算卸载平均切变速率的重要参数, 限于篇幅这里不再赘述。
3 分析讨论
上述实验结果表明了不同固相体积分数条件下, 半固态A356合金的流变特征参数与加载应力和初生α 相形貌参数F s 之间的关系。 τ c 的量纲为kPa, a i -1 , 而b i b i a i b i a i τ i minτ i minα 相的形态有关, 分别根据表2, 3和5可以计算出相应的τ i minR 平方值称为决定系数, 是取值范围为0到1的指示器, 它表示拟合曲线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度。 当拟合曲线的R 平方值等于或接近1时, 其可靠性最高; 由表2, 3和5可知, 上述拟合关系式具有较高的可靠性。
由实验结果可知, 半固态A356合金的加载瞬时切变量和加载过程总切变量随加载应力和温度的增加而增加。 在加载应力相同的条件下, 半固态合金的瞬时切变量随初生α 相形貌参数F s 的增加而增加。 结果表明, 随着初生α 相由枝晶逐渐退化, 半固态合金的切变能力显著增加。
由式 (4) 和 (5) 可知, 拟合系数a 1 和a 3 是相应切变—加载应力曲线的斜率, 表征加载切变量对加载应力的敏感程度, 可以定义为应力敏感系数, 并且其大小与固相体积分数和初生α 相形态有关。 由实验结果可知, 当半固态合金的初生α 相由枝晶退化到球状晶时, 应力敏感系数有较大幅度的增加, 表明加载切变量对应力的敏感性越来越显著。 由上述结果可知, 固相体积分数对应力敏感系数随组织的变化规律也有着显著的影响。
表5 残余切变—加载应力拟合曲线系数及其R平方值
Table 5 Parameters of regression analysis of residual strain—stress and its R -square
F s f s =0.80f s =0.40f s =0.26
a 4 b 4 R 2 a 4 b 4 R 2 a 4 b 4 R 2
0.95
0.017?3
0.003?3
0.980?5
0.497?4
0.057?6
0.995?8
0.520?1
0.077?3
0.869?2
0.012?2
0.002?7
0.977?5
0.294?1
0.032?7
0.994?2
0.512?1
0.074?0
1.000?0
0.005?8
0.002?9
0.950?4
0.163?0
0.045?6
0.973?3
0.328?8
0.051?9
0.996
0.003?9
0.002?4
0.905?8
0.051?0
0.021?0
0.833?0
0.198?4
0.041?4
0.992?5
0.002?9
0.002?2
0.813?5
0.003?3
0.002?4
0.835?4
0.012?7
0.006?8
0.834?7
由2.4的实验结果可知, 半固态A356合金的残余切变量随加载应力增加而增加, 随初生α 相固相体积分数的增加而减小。 在加载应力相同的条件下, 半固态合金的残余切变量随初生α 相形貌参数F s 值的增加而增加, 即随着初生α 相由枝晶逐渐退化, 半固态合金卸载稳定状态下的残余切变逐渐增加。
随着半固态合金初生相的逐渐退化, 初生相形态逐渐趋近于球状 (见图2) 。 由文献和实验结果可知, 这种微观组织的不同造成了半固态合金的流变行为的显著差异
[10 ,11 ,12 ,13 ]
。 由于退化枝晶在剪切过程中的内摩擦力大大降低 (流动变形原理见图4) , 从而使退化枝晶半固态合金的流变性能比发达枝晶半固态合金显著提高, 这也使得半固态成形变成可能。
图4 退化初生相组织半固态合金的流变行为
Fig.4 Rheological behavior of volume element of semisolid nondendritic alloy
总之, 枝晶组织半固态A356合金的静态剪切流变特征与其它文献中的结果是一致的
[1 ,2 ]
; 但是, 退化枝晶半固态A356合金则呈现出不同的流变特征, 而此流变特征的差异将有助于建立更加精确的流变模型, 从而为半固态成形过程的预测提供理论依据
[14 ,15 ,16 ]
。
4 结论
1) 在相同固相体积分数条件下, 初生α 相形态对液固温区A356合金的流变行为有显著影响。 随着初生α 相由枝晶逐渐退化, 半固态合金的切变能力显著增加, 卸载后的残余切变量也逐渐增加。
2) 根据流变实验结果, 引入6个特征参数来描述半固态A356合金的静态剪切流变特征: 加载瞬时切变γ 1 , 卸载瞬时恢复切变γ 2 , 加载过程总切变γ 3 , 卸载稳定状态下的切变γ 4 , 加载时间t 1 及卸载稳定时间t 2 。 通过回归分析得到了特征参数与加载应力、 半固态合金初生α 相组织以及固相体积分数之间的定量关系, 成为评定半固态合金流变行为以及确定流变模型的基本依据。
3) 实验结果表明, 随着初生α 相不断退化, 半固态合金的瞬时反蠕变恢复切变逐渐减小。 枝晶组织半固态A356合金的主要流变特征是加载产生的瞬时切变与卸载反蠕变恢复切变相等。 球状初生α 相组织半固态A356合金的主要流变特征是卸载反蠕变瞬时恢复切变为零。
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