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半固态成形
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(二)、金属半固态加工的主要内容：
概述
半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为
半固态的制备方法
半固态金属触变成形
半固态金属的流变成形
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1、概述
半固其结晶造成固体颗粒的初始形貌呈树枝状，然后在剪切力作用下，枝晶会破碎，形成小的球形晶，图7未常规铸造和半固态铸造的组织对比，可见利用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微结构。球形组织的形成过程？
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球形结构的演化过程：
结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，此时晶核是以枝晶生长方式进行的；
随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式进行，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷，这样，枝晶臂被打断，形成了更多细小晶粒，其自身结构也逐渐向蔷薇形演化；
随着温度的继续下降，最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单的球形结构，演化过程如图8所示。
球形结构的最终形成要靠足够的冷却速度和足够高的剪切速率，同时这是一个不可逆的结构演化过程，即一旦球形的结构生成了，只要在液固区，无论怎样升降合金的温度(不能让合金完全熔化)，它也不会变成枝晶。
图8 球形微粒固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图
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有色金属半固态组织的演变机制主要有以下三种：
枝晶臂根部断裂机制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部断裂。
最初形成的树枝晶是无位错和切口的理想晶体，很难依靠沿着自由浮动的枝晶臂的速度梯度方向产生的力来折断。因此，必须加强力搅拌，在剪切力作用下从根部折断。
枝晶臂根部熔断机制。
晶体在表面积减小的正常长大过程中，枝晶臂由于受到流体的快速扩散、温度涨落引起的热震动及在根部产生应力的作用，有利于熔断，同时固相中根部溶质含量较高，也降低熔点，促进此机制的作用，机理如图9所示。
图9 枝晶臂发生熔断示意图
枝晶臂弯曲机制。
此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。在两相区，位错间发生攀移并结合成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20°时，界面能超过固液界面能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使直接臂从主干分离。
注：以上三种机制都有一定的依据，但附加位错如何发生恢复和再结晶或如何迁移、固液浆料的温度起伏还缺乏必要的试验依据，因此，金属半固态组织的演变机制还有很多基本理论及技术问题需要解决。
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(2) 半固态金属的力学行为
表1为用不同加工方法获得的A356铝合金的力学性能，从表中可以看出，半固态金属加工技术的优越性。如触变成形并在T6状态下的性能较金属型铸造所获得的合金有更好的力学性能，并与锻件的性能相近。
合金
加工方法
热处理状态
屈服应力/MPa
抗拉强度/MPa
伸长率/%
硬度/HB
A356
()
SSM
铸态
110
220
14
60
SSM
T4
130
250
20
70
SSM
T5
180
255
5~10
80
SSM
T6
240
320
12
105
PM
T6
186
262
5
80
PM
T51
138
186
2
——
CDF
T6
280
340
9
——
注：SSM为半固态加工；PM为金属型加工；CDF为闭模锻造
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几种铸造方法铸件性能比较
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3、金属半固态的制备方法
金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础，目前半固态浆料或坯料的制备方法很多，常用的方法是有电磁搅拌法和机械搅拌法。
(1) 电磁搅拌法
电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向的强磁场对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。
优点：不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体，
可以连续生产流变浆料或连续铸锭坯，产量
可以很大。
缺点：直径大于150mm的铸坯不宜采用电磁搅拌法
生产。
影响因素：搅拌功率，搅拌时间，冷却速度，
金属液温度，浇注速度
电磁搅拌示意图
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(2) 机械搅拌法
该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中金属初晶的生长与演化，以获得球状或类球状的初生固相的半固态金属流变浆料。
优点：搅拌装置结构简