一種高固相率金屬半固態(tài)漿料粘度的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高固相率金屬半固態(tài)漿料粘度的測量方法，屬于金屬熔體粘度測 量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)70年代初，美國麻省理工學(xué)院D. B. Spencer等研究人員發(fā)現(xiàn)金屬在凝固過 程中，進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，即使在較高固相體積分?jǐn)?shù)時，半固態(tài)金屬仍只有相當(dāng)?shù)偷募羟袘?yīng)力， 這種特殊性能是由于液態(tài)金屬母液中均勻懸浮著一定比例的球狀固相結(jié)構(gòu)所致。美國麻省 理工學(xué)院研究人員很快意識到金屬凝固這一特征將具有許多潛在的價(jià)值，隨即對此進(jìn)行了 廣泛深入的研究，并發(fā)展成為金屬半固態(tài)成形技術(shù)。金屬半固態(tài)成形技術(shù)綜合了凝固加工 和塑性加工的長處，即加工溫度比液態(tài)低，充型平穩(wěn)，對模具熱沖擊小；變形抗力比固態(tài)小， 從而有利于成形較復(fù)雜的零件并減少功耗，提高生產(chǎn)效率。由此可見它必將成為21世紀(jì)金 屬加工技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，是面向未來汽車，航天、航空等零件制造技術(shù)中最具有應(yīng) 用潛力的成形技術(shù)之一。
[0003] 金屬半固態(tài)漿料的流變行為及其組織演變控制是金屬半固態(tài)成形的關(guān)鍵，測定金 屬半固態(tài)漿料的表觀粘度是研究其流變行為的一個非常重要的表征量，用以分析其成形過 程中的流動特性及分析成形性能，為消除成形件缺陷，優(yōu)化工藝，指導(dǎo)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理 論基礎(chǔ)。
[0004] 目前，金屬半固態(tài)漿料的流變學(xué)性質(zhì)一般通過采用同軸圓筒式粘度計(jì)測定合金的 表觀粘度來研究，其測試原理是把兩個直徑不同的圓筒，同軸套在一起，被測的含有一定固 相分?jǐn)?shù)的金屬半固態(tài)熔體裝在兩筒之間的環(huán)形空間里。驅(qū)動內(nèi)筒或外筒旋轉(zhuǎn)，在粘性作用 下，轉(zhuǎn)筒表面產(chǎn)生切應(yīng)力，也就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動力矩。通過裝在旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩傳感器記錄扭矩 和轉(zhuǎn)速，并把力矩轉(zhuǎn)換成切應(yīng)力，由轉(zhuǎn)速計(jì)算出切變速率，就可以根據(jù)牛頓粘性定律計(jì)算出 該固相率金屬半固態(tài)漿料的表觀粘度。它有兩種類型：外筒靜止，內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)的為Searle型； 內(nèi)筒靜止，外圓筒旋轉(zhuǎn)的為Couette型。
[0005] 同軸圓筒式粘度計(jì)的測量誤差主要有兩方面，一是內(nèi)外筒間隙處被測流體各部分 的剪切速率不一致，只有當(dāng)內(nèi)外筒間隙很小或間隙寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)外筒半徑時，剪切速率 才能接近均一。但是由于儀器構(gòu)造的限制，即便操作上正確無誤，也會使受測試樣的實(shí)際流 動狀態(tài)和測量的假設(shè)條件不完全相符，造成一定的測量誤差；另一方面由于儀器構(gòu)造的限 制，實(shí)際上進(jìn)行黏度的測定時，不可能用無限長的圓筒，因此由圓筒的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的黏性力 矩，不僅受兩筒側(cè)面部分的影響，也受圓筒的上下兩個端面部分的影響，特別是底面部分的 影響更大，將圓筒底面間的距離加大，可適當(dāng)縮小這個影響。
[0006] 同軸圓筒式粘度計(jì)最早應(yīng)用于聚合物流變性能的研究和粘度測量，后經(jīng)改進(jìn)用于 測定金屬半固態(tài)漿料的表觀粘度，尤其是分析輕合金低固相率金屬半固態(tài)漿料的穩(wěn)態(tài)流變 性能。低固相率金屬半固態(tài)漿料粘度相對較低，狀態(tài)與液態(tài)金屬更為接近，無固定形態(tài)，使 用同軸圓筒式粘度計(jì)測量粘度時半固態(tài)漿料可與內(nèi)外筒充分潤濕，并在較小的內(nèi)外筒間隙 處保持穩(wěn)定的液面高度，從而獲得較為可靠的某剪切速率下的粘度結(jié)果。但當(dāng)金屬半固態(tài) 漿料固相分?jǐn)?shù)較大時，其粘度呈指數(shù)量級增加，狀態(tài)更類似于固態(tài)，由于內(nèi)外筒間隙一般 較小，半固態(tài)漿料不能均勻的充滿內(nèi)外筒間隙，液面出現(xiàn)波動，甚至出現(xiàn)半固態(tài)漿料結(jié)塊現(xiàn) 象，無法測量出其粘度結(jié)果，對于觸變成形用半固態(tài)坯料的粘度更是無法測量。
[0007] 因此，提供一種適合于高固相率金屬半固態(tài)漿料粘度的測量方法就成為該技術(shù)領(lǐng) 域急需解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種高固相率金屬半固態(tài)漿料粘度的 測量方法，觸變成形作為金屬半固態(tài)加工的重要成形方式，工業(yè)應(yīng)用更加成熟，采用的半固 體坯料屬于高固相率金屬半固態(tài)漿料，該方法對于測量其粘度分析流變行為具有重要的意 義。
[0009] 本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案達(dá)到的：
[0010] -種高固相率金屬半固態(tài)漿料粘度的測量方法，采用熱力模擬試驗(yàn)機(jī)對高固相率 金屬半固態(tài)漿料在一定應(yīng)變速率下進(jìn)行壓縮變形，獲得其變形過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，然 后對測量結(jié)果進(jìn)行修正并用數(shù)學(xué)公式換算出金屬半固態(tài)漿料的粘度。
[0011] 本發(fā)明整個測量過程包括粘度測量試樣制備、熱壓縮及數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)修正和粘 度計(jì)算三個步驟，具體操作如下：
[0012] 1)粘度測量試樣制備
[0013] 在金屬半固態(tài)坯料上取一個圓柱試樣，在圓柱試樣1/2高度處鉆取小孔；
[0014] 2)熱壓縮及數(shù)據(jù)記錄
[0015] 將測量試樣水平放置在熱力模擬試驗(yàn)機(jī)夾頭中間并使試樣與夾頭對中，試樣端面 和夾頭之間放置石墨片做潤滑劑，以減少摩擦對應(yīng)力與變形狀態(tài)的影響；熱力模擬試驗(yàn)機(jī) 夾頭施加較小的壓應(yīng)力，以固定試樣并防止試樣脫落；將熱力模擬試驗(yàn)機(jī)測溫?zé)犭娕疾迦?測量試樣上預(yù)設(shè)的小孔，然后開始熱壓縮實(shí)驗(yàn)；熱力模擬試驗(yàn)機(jī)采用電阻加熱的方式對試 樣進(jìn)行加熱，升溫方式采用兩段式，首先將試樣快速加熱至低于固相線溫度30~50°C，升 溫速率彡KTC /s，再以較為緩慢的升溫速度加熱試樣到半固態(tài)區(qū)間溫度，升溫速率為rc / s~5°C /s，然后保溫IOs~60s，得到金屬半固態(tài)漿料試樣，對該金屬半固態(tài)漿料試樣進(jìn)行 壓縮變形，壓縮變形中，熱力模擬試驗(yàn)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)記錄變形過程中的溫度、時間、壓頭 壓力及行程；
[0016] 3)數(shù)據(jù)修正和粘度計(jì)算
[0017] 對所測的壓力（即高固相率金屬半固態(tài)漿料的應(yīng)力）進(jìn)行摩擦修正，修正后的壓 力值（應(yīng)力值）通過公式轉(zhuǎn)換為高固相率金屬半固態(tài)漿料的粘度，并計(jì)算出對應(yīng)的金屬半 固態(tài)漿料變形剪切速率。
[0018] 步驟1)中，所述的圓柱試樣的尺寸為：直徑Φ為6~15mm，高度H為6~20mm， 并且試樣高度與直徑的比值在1~1. 5倍之間，即Η/Φ = 1~1. 5。所述的小孔的直徑與 測溫?zé)犭娕嫉闹睆较嗥ヅ洌缧】椎闹睆綖?~3mm，深為1~3mm，用于放置測溫用熱電 偶，以獲得準(zhǔn)確的被測試樣溫度。
[0019] 升溫方式采用兩段式，第一段升溫速率彡KTC /s，優(yōu)選為10~15°C /s。
[0020] 步驟2)中，金屬試樣的半固態(tài)固相分?jǐn)?shù)在40%~80%之間。在壓縮變形時，變形 速率在1~20s 1之間，工程應(yīng)變?yōu)?0 %~80 %。
[0021] 由于試樣端面與夾頭之間存在摩擦，限制了材料的徑向流動，改變了試樣的單向 應(yīng)力狀態(tài)，因此，需對所測的高固相率金屬半固態(tài)漿料的應(yīng)力進(jìn)行摩擦修正，熱力模擬試驗(yàn) 機(jī)壓縮變形實(shí)驗(yàn)的摩擦修正方法極為常見，再此不過多贅述。修正后的應(yīng)力值通過公式轉(zhuǎn) 換為高固相率金屬半固態(tài)漿料的粘度，并計(jì)算出對應(yīng)的金屬半固態(tài)漿料變形剪切速率。由 此，就得到了該高固相率金屬半固態(tài)漿料在某一剪切速率下的粘度值。
[0022] 本發(fā)明利用現(xiàn)有的金屬材料熱力模擬試驗(yàn)機(jī)，測定高固相率金屬半固態(tài)漿料在壓 縮過程中變形抗力與變形量的定量關(guān)系，將修正后的測量結(jié)果根據(jù)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換公式獲得其某 一剪切速率下的粘度值。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1)針對高固相率金屬半固態(tài)漿料狀態(tài)更類似于固態(tài)的現(xiàn)象，采用塑性變形方式測 量其粘度，可以消除傳統(tǒng)流體粘度測量方法中的太多近似和假設(shè)，從而獲得更加精確地粘 度測量結(jié)果。
[0025] 2)高固相率金屬半固態(tài)漿料成形技術(shù)