半固态触变成形宏细观力学行为研究

In order to describe the semi-solid thixoforming behavior comprehensively, the macroscopic deformation mechanism and the microstructure evolution of solid and liquid phase for semi-solid aluminum alloy will be investigated by way of the thermal simulation compression tests, dynamic mechanical analysis and micro XCT -400 technique. Furthermore, secondary development of finite element software ABAQUS and numerical analyze are going to be applied to simulate and optimize the 3D semi-solid microstructure, process parameters and die design by taking the evolution characteristics of spherical structure, grain size, entrapped liquid and microscopic porosity into account. The quantitative relationship between microstructure and macroscopic properties will be therefore developed based on the above research work. According to the representative volume element (REV) and homogenization techniques, the novel multi-phase coupled macro-micro mechanical model will be proposed, as a universal and appropriate mathematical model to predict the deformation properties of semi-solid slurry. The macroscopic heterogeneity is investigated associated with the effect of solid skeleton and entrapped liquid. This is the novelty of the proposed project. This macro-micro mechanical model can demonstrate the real behavior of the semi-solid thixoforming at both macroscopic and microscopic length clearly.

为了正确描述半固态金属触变成形性，通过半固态触变坯料进行热模拟压缩试验、动态机械性能测试及三维微/纳米成像X射线显微成像技术分别对半固态材料宏观变形机制及固、液两相微结构演化进行研究，同时对非线性有限元软件ABAQUS进行二次开发，对半固态三维微观组织、工艺参数及半固态模具进行有限元模拟优化，结合应力作用下球状组织演变特征、晶粒尺寸、内含液相及微观缩孔对成形过程的影响，建立半固态细观结构和宏观性能间的定量关系。基于典型体元和均匀化技术，获得具有普适性并符合实际流动情况的数学模型来描述半固态金属浆料的变形特性，建立多相耦合作用下的半固态成形宏细观力学模型。该课题的创新点在于基于半固态材料的宏观非均匀性，同时考虑固相骨架和内含液相的影响，该力学模型将在宏观和细观两个尺度上更真实地反应半固态触变成形性能。

通过半固态触变坯料进行热模拟压缩试验、动态机械性能测试及三维微/纳米成像X射线显微成像技术分别对半固态材料宏观变形机制及固、液两相微结构演化进行了研究，同时对非线性有限元软件ABAQUS进行二次开发，对半固态三维微观组织、工艺参数及半固态模具进行有限元模拟优化，结合应力作用下球状组织演变特征、晶粒尺寸、内含液相及微观缩孔对成形过程的影响，建立了半固态细观结构和宏观性能间的定量关系。.基于典型体元和均匀化技术，获得了具有普适性并符合实际流动情况的数学模型来描述半固态金属浆料的变形特性，建立了多相耦合作用下的半固态成形宏细观力学模型。跨尺度本构模型计算结果比经验本构模型和两相模型更加精确，与半固态触变压缩实验曲线吻合更好，能够在更宽的的温度和应变范围内更加准确描述半固态触变成形过程，可以同时适用于低固相分数半固态变形行为和高固相分数半固态合金的变形行为研究，应用范围更广。、.用近液相线半连续铸造法获得6061铝合金半固态非枝晶组织坯料，两段式二次加热组织的晶粒等效圆直径小、晶粒圆整度好。通过观察6061铝合金二维金相组织，发现两段式二次加热最佳工艺为先将坯料加热到固相线温度附近585℃，保温5min，然后在10min内升温到预设的最终二次加热温度640℃，继续保温15min，使温度均匀化。其等效圆直径为121.9μm，圆整度为0.72。.创建基于连续切片法的三维重构技术重构出半固态铝合金6061触变成形二次加热微观组织三维空间结构，利用同步辐射X射线CT扫描技术对二次加热不同温度下试样组织进行扫描并三维重构。定量分析表明随着二次加热温度的升高，缩孔被液相补偿，缩孔出现比例下降，气孔出现比例上升，而内部缺陷整体比例下降，有利于半固态成形加工。富铁相的存在会阻碍液相对缩孔进行补偿，不利于内部缺陷消除。.采用三维X射线衍射层析术，即3D-XRD对全部初生α-A1相的等效球直径、球度进行表征，研究二次加热温度对初生α-A1相形貌的影响。基于三维尺度实验数据进行三维组织模拟，预测二次加热不同温度下三维组织形貌。