半固态成型技术经典考试例题（昆明理工大学）

半固态成型技术经典考试例题（昆明理⼯⼤学）
半固态成型技术期末作业
1推导匀质形核的临界形核半径、形核功表达式
解：在过冷的条件下，⾦属液体中晶胚的形成和增⼤，将引起系统⾃由能变化：⼀⽅⾯，转变为固态的那部分体积能引起⾃由能下降；另⼀⽅⾯，晶胚与液相之间增加的界⾯会造成⾃由能（表⾯能）增⼤。

设单位体积⾃由能的下降为ΔGv (ΔGv < 0)，单位⾯积的表⾯能为σ；假设晶胚为球体，半径为r, 则过冷条件下形成⼀个晶胚时，系统⾃由能的变化为：
（1）形核半径
过冷⾦属液体中的晶胚只有⼤于⼀定尺⼨（r*）后才能稳定存在并继续长⼤，即晶胚成为了晶核（图1）。

半径为r*的晶胚称为临界晶核（Critical nucleus）。

图1⾃由能变化与晶胚（核）半径的关系
临界晶核半径r*的数学推导：
由式，令，则可求得r*
.
将代⼊上式，得
由该式可得：
随过冷度ΔT增⼤，临界晶核半径减⼩。

就是说，⾦属液体中有更多的晶胚可以成为晶核，即形核的⼏率增⼤。

（2）临界形核形核功表达式的推导
由图1可以看出，形成临界晶核时⾃由能的变化ΔG* > 0，这说明形成临界晶核是需要能量的。

形成临界晶核所需的能量ΔG*称为临界形核功(Critical nucleation power)。

临界形核功的数学推导：
形成⼀个临界晶核时，⾃由能的变化（即临界形核功）为：
将或者代⼊上式，可得：
由于临界晶核的表⾯积为：
所以
即，临界晶核形成时的⾃由能增加量等于其表⾯能的三分之⼀。

这意味着液、固两相之间⾃由能的差值只能提供形成临界晶核所需表⾯能的三分之⼆，⽽另外的三分之⼀，即临界形核功△G*需要依靠液体中存在的能量起伏来提供。

2成分过冷的判据及推导过程
（1）“成分过冷”条件和判据
当K0﹤1时，界前沿形成溶质富集层→液相线温度TL(x‘)→随距离x'逐渐上升→当界⾯前沿液相的实际温度梯度GL⼩于液相线的
时则出现“成分过冷” 。

液相只有扩散时形成“成分过冷”的判据
液相部分混合时形成“成分过冷”的判据
由判据
可以推断，下列条件有助于形成“成分过冷”：
a.液相中温度梯度⼩（GL⼩）；
b.晶体⽣长速度快，R⼤；
c.mL⼤，即陡的液相线斜率；
d.原始成分浓度⾼，C0⼤；
e.液相中溶质扩散系数DL低；
f.K0＜1时，K0⼩；K0＞1时，K0⼤
（2）成分过冷判据的推导
如下图：
图2.1合⾦⽣长过程中平界前沿稳定的溶质富集层
图2.2合⾦中“成分过冷”的形成
“成分过冷”判别式的推导如下：设液相线的斜率为ML，则液相熔点温度分布梯度可表⽰为：
2.1式
在平界⾯凝固条件下，界⾯处液体内实际温度应⼤于或等于液相熔点温度分布的梯度，即：
式2.2
⼜因为
所以
式2.3
式2.3为“成分过冷”判别式的通⽤式
（1）设在液相没有对流只有扩散的情况下，，将式2.3变为：
或者
式中为结晶温度间隔，即。

可见结晶温度间隔
愈⼤“成分过冷”愈⼤，平界愈容易破坏。

三元合⾦凝固形成单相固溶液时，“成分过冷”的判别式基本上和⼆元的相似。

设溶剂组元为A，溶质组元分别为B和C。

其液相⾯是组元B在液相浓度和组元C在液相中的浓度
的函数，即：
在固——液界⾯处的液相温度梯度为：
式2.3
式中
在稳定态时，固——液界⾯处由于溶质质量守恒，下式成⽴，即
式中
将该两式及
带⼊式2.3，并在实际温度梯度GL⼤于的情况下得：
3触变成形与流变成形的优缺点。

答：（1）触变成形：获得半固体浆料后，在对其坯料加⼯时，根据需要将坯料切分，然后把切分的坯料重新加热成半固态坯料进⾏加⼯成型的⽅法叫触变成型。

它的优缺点都有：触变成型⼯艺中，半固态浆料中固相粒⼦由母材晶体颗粒未融化的部分⽽组成的，颗粒尺⼨与形状主要依赖于母体材料，⽽且容易维持在⾼固相状态，适⽤于凝固区间较⼤的合⾦。

与流变成型相⽐，它具有很多流变成形所不具有的优点，触变成型解决了半固态浆料制备与成型设备相衔接的难题，容易实现⾃动化操作。

缺点是：浆料制备成本⾼、设备投资⼤、坯料的成分和微观结构的不均匀性、浆料制备过程控制难度⼤等，成为制约触变成型发展的⼀⼤障碍，也是世界各国近年来⽐较重视的研究重点。

（2）流变成型
在⾦属凝固过程中，通过施加搅拌、或扰动、或改变⾦属的热状态、或加⼊晶粒细化剂等⼿段，改变合⾦熔体的凝固⾏为，以达到获得⼀种液态⾦属母液中均匀地悬浮着⼀定球状初⽣固相的固——液混合物浆料，并利⽤该浆料直接加⼯成型的加⼯⽅法。

其优缺点有：流变成型过程中，半固态浆料中的固相颗粒的尺⼨形状与冷却速度、搅拌⽅法、搅拌速度等显著相关、⽽且容易维持在低固相状态，通过搅拌的⽅法可以⽤于凝固区间⼩，甚⾄共晶合⾦或纯⾦属。

它具有⼯艺流程短、设备简单、洁⾝能源、适⽤合⾦不受限制等特点，是未来半固态合⾦的主要研究⽅向。

它的缺陷是：半固态⾦属浆料的保存和输送很不⽅便，这是流变成型的推⼴使⽤的⼀⼤障碍。

4简述半固态⾦属浆料的制备⽅法及其优缺点
半固态⾦属浆料的制备⽅法是：对半固态浆料制备的研究以往的研究是集中在制备⽅法及微观的形成机理上，⽬前半固态⾦属浆料的制备⽅法有：（1）机械搅拌法，它是最早的半固态浆料制备⽅法，主要由两个同⼼带齿的圆筒所组成，内筒不动，外筒旋转。

或者是在熔融的⾦属液中插⼊⼀根搅拌棒进⾏搅动。

其优点是：设备简单，容易实现。

缺点是：操作复杂且存在许多缺陷，如卷⼊⽓体，易氧化，搅拌器的溶解造成浆料的污染，搅拌不均，⽣产效率低，所以⼀般不⽤在⼯业⽣产中。

（2）电磁搅拌法，它是利⽤电磁感应在半固态⾦属溶液中产⽣电磁感应电流，在外加磁场的作⽤下进⾏固液浆料的搅动，实现三维搅动的⽅法。

其优点是：搅拌效果较好，对熔体的污染⽐较⼩，⽓体卷⼊量也少，不易氧化，设备简单，⽽且⽣产效率⾼。

缺点是：设备投资⼤，⼯艺复杂等。

（3）应变诱发熔体激活法，该⽅法主要通过将铸造枝晶组织在⾼温下进⾏挤压变形，破碎枝晶组织，再加⾜够的变形剂后加热到两相区，在组织中预先存储变形能量。

其优点是：浆料不易污染，⽽且产量⼤，⽣产效率⾼，对熔点较⾼的合⾦有着特殊的优越性。

缺点是：⼯艺⽐较复杂，因为增加了预变形处理，导致⽣产成本⾼，⽣产效率低，⽽且⼯业中仅适⽤于⼩尺⼨半固态坯料的制备。

（4）等温热处理法，它主要是在半固态温度区间等温处理⼀段时间使原晶界处得共晶组织熔⼊初⽣晶，破坏晶界，原来的等轴晶变为球形颗粒，随着等温世间的推移，共晶组织熔化，使组织分离为球状颗粒。

其优点是：与其他半固态浆料制备⽅法相⽐，它省略了半固态成形中专门的浆料制备过程，使触变铸造⼯艺的流程简化，是⼀种很好的浆料制备⽅法。

其缺点是：耗能⾼。

（5）固液混合铸造法，此⽅法是通过向过热的合⾦熔体中加⼊同种合⾦粉末或异种合⾦粉末来获得半固态⾮枝晶组织，使合⾦粉末均匀化。

其优点是：解决了⾼合⾦化铸件难于挤压的问题，因为很多⾼合⾦铸件由于析出粗⼤、偏聚严重等问题，挤压时产⽣不均匀变形，引起铸件开裂。

它和其他热加⼯⼯艺结合起来使⽤，是⼀种很有前途的浆料加⼯⽅法。

其缺点是：（6）新MIT⼯艺，它的主要⽅法是：在快速热释放的同时进⾏搅拌。

该⽅法设别简单，操作⽅便，⽽且形成的组织均匀、颗粒尺⼨相当，是⼀种很不错的浆料制备⽅法。

其缺点是：不能完全避免搅拌器对浆料的污染。

（7）冷却斜槽法，它的形成机理是：将稍⾼于液相线温度的熔融⾦属倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作⽤，在屑槽上有细⼩的晶粒长⼤，⾦属流体的冲击和重物⾃⾝的的重⼒作⽤使晶粒从斜槽滑下并翻转，可达到搅拌效果。

其优点有：成本低、流程短、易推⼴操作及应⽤等。

缺点是：起步晚，⼯艺技术还不是很成熟。

（8）NRC⼯艺。

其优点有：⽣产成本低，相对于传统的触变成形，费⽤低，⽣产效率⾼，⼯具寿命长，产品⼒学性能好，最⼤的优点是采⽤NRC⼯艺可以从熔融⾦属中直接制备出含有球状晶粒的半固态浆料，采⽤这种⽅法制备的产品具有良好⼒学性能和微观组织。

（9）斜管法制浆⼯艺。

其优点是：扩⼤了应⽤范围，避免了⾦属过度氧化和污染，通过将静态斜管转变为转动管，来获得更多的游离晶粒。

（10）其他⼯艺，如粉末冶⾦、液相线凝固法、超声波处理法、紊流效应法、脉冲法等。

这些⽅法还处于研究阶段其优缺点还未很明显。

5半固态成型技术的发展趋势
近年来半固态⾦属成形技术也⽇趋成熟，引起⼯业界的普遍关注。

这种新的⾦属加⼯技术可分为半固态锻造、挤压、轧制和压铸等⼏种主要⼯艺类型，具有节省原材料、降低能耗、提⾼模具寿命、改善制品性能等⼀系列优点，并可⽣产复合材料的产品，被誉为21世纪新兴⾦属塑性加⼯的关键技术。

随着世界各国对计算机的应⽤⽇益重视，半固态成型技术的⾃动化会越来越得到⼈们的重视，对它的研究也会不断得到重视。

计算机在半固态成型技术中的应⽤也会逐步深⼊，如计算机辅助设计技术也会逐步推⼴到该领域，模拟其成型过程的⼯作会逐步实现，相应的软件
也会不断地开发出来。

世界著名的CAD/CAM系统，如CADDS5，Pro/E和UGⅡ等，均实现了CAD/CAM系统与塑料注射过程模拟、模具结构设计和模具型腔数控加⼯的初步集成并取得了显著的经济和社会效益。

为了适应国际发展潮流，华中理⼯⼤学模具技术国家重点实验室正在开发新⼀代塑料注射模软件。

在虚拟技术的⽀持下，它的⽣产成本也会逐步降低，半固态产品质量也会不断地提⾼，它将是材料研究的主导⽅向。

对于⼀些操作简单，成本较低，污染较少的半固态加⼯⼯艺会不断得到⼈们的重视，它会在将来的很长⼀段时期内成为材料科学领域内成为主导⽅向。

为了是半固态技术更快⾛向成熟，还必须在以下⽅⾯进⾏研究。

（1）适合半固态浆料制备新⼯艺的研究和开发，尤其是成本低，污染少，节能降耗，设备简单的研究。

（2）半固态浆料⾮枝晶组织结构形成规律的研究。

（3）冲型⼯艺参数对半固态合⾦冲型性能的影响，尤其是粘度随时间的变化关系的定量研究。

（4）适合于进⾏半固态加⼯的合⾦成分的开发与应⽤，尤其是开发有⾊⿊⾦属、复合材料的半固态铸造技术。

（5）适合于进⾏半固态加⼯的模具设计。

（6）计算机应⽤技术的研究，包括成型过程计算机模拟，重点是铸件过程的微观模拟，因为铸件凝固过程的微观模拟在国际上有着相当重要的地位，所以铸件凝固过程微观模拟的研究也越来越引起⼈们的重视。

（7）半固态⾦属的基本⼒学性能及加⼯⼯艺、设备等的基础理论研究。

这些都将是世界各国、各地区、各公司不断深⼊研究的趋势，这也是未来半固态技术发展的主要趋势。

⽬前半固态加⼯已被美国、⽇本等国列为振兴钢铁⼯业和机械⾏业的⼏项新技术之⼀，与外国相⽐，我国在这⽅⾯的研究与应⽤⽔平还有相当⼤的差距，⾯对21世纪，我国的半固态技术的研究与应⽤必须加强，推进冶⾦⼯业的迅猛发展。

只有这样，我国的材料才能成为世界的栋梁之材，我国的制造业也才能领跑世界。