摘 要：半固態K型熱電偶的觸變力學性能，可采用熱力模擬機Gleeble-1500對應變誘發熔化激活法(SIMA)制備的坯料先進行壓縮試驗，利用DEFORM軟件進行半固態觸變成形過程的數值模擬。鋁合金A357壓縮變形時的流變應力和溫度及坯料的應變速率有關。具體的變化情況是：在特定的應變速率范圍(0.1-10s-1)內，鋁合金A357的應力變化趨勢是：隨著溫度的升高，流變應力降低；隨著應變速率和坯料變形量的增加，流變應力增大。

    半固態成形技術是近年發展起來的新型技術，其優點是材料的成形溫度較低，成形過程對設備的摩擦磨損較小，設備壽命長，得到的零件尺寸精度高，材料浪費少，實現了凈近成形。制品的組織致密度和力學性能高，能接近或達到鍛壓件的性能；整個半固態成形需要的溫度較低，在半固態成形過程中，伴隨著金屬部分結晶潛熱的釋放，降低了成形溫度，節約了能源。有效地提高了生產效率。因此，半固態成形技術已經成為當今冶金材料工業的重大前沿課題之一[1]。與傳統熱加工、塑性變形相比，半固態成形技術的優勢更加明顯。經過近幾十年的發展，在汽車、航空航天等零部件制造行業，鋁合金半固態成形技術得到充分的利用[2]。其能降低零件的重量，提高零件的力學性能。鋁合金半固態成形過程中的最大特點是具有觸變性能。因此，充分地研究成形過程中的觸變性能、金屬流動及探索其變形規律，對全面掌握鋁合金半固態成形過程，優化零件組織、提高零件的力學性能具有重要的研究意義。本課題選用的研究對象是K型熱電偶，首先對其試樣進行高溫壓縮，對比壓縮前后的顯微組織變化，進行晶相分析，掌握其半固態觸變變形機理，得到系列的數據和圖表，同時，為后續的半固態觸變成形有限元分析提供數據和理論支撐。

    本文以K型熱電偶為研究對象，通過單向壓縮試驗和運用有限元分析模擬軟件DEFORM，模擬半固態K型熱電偶的觸變成形過程，輸入相關的工藝參數，得到在不同的半固態變形條件下，模型的應力分布、應變分布和材料的密度分布數據，制出相應的圖表，得出相應的結論，為半固態K型熱電偶的觸變成形研究提供相應的技術支持。

    1 實驗材料
    本課題所需要的半固態坯料是通過電磁攪拌法得到的，由北京有色金屬研究總院提供。通過差熱分析方法得到K型熱電偶的液相線溫度為610℃，固相線溫度為560℃，其化學成分(如表1所示)。

    在半固態成形過程中，對溫度的控制要嚴格把握，這樣才能保證材料的固相體積，以利于半固態加工的順利進行。在加熱試樣時，要考慮加熱后試樣溫度的均勻性，因此，要進行一定時間的保溫處理，得到溫度均勻試樣，利于半固態觸變成形。

    此次半固態成形實驗設備是在熱力模擬試驗機上進行的，其型號為Gleeble-1500，為臥式加載機器，加載動力是由液壓系統提供，試樣采用水平夾持方法。在機器夾頭與半固態試樣之間用石墨片夾墊，這樣能降低試樣與夾頭之間的摩擦力。坯料的規格為Ф1012mm，夾持和壓縮示意圖(如圖1所示)。這一實驗是研究在不同的坯料變形溫度下，應變速率和半固態觸變成形的壓力—應變曲線之間的關系。

    半固態合金在實驗中，需要快速加熱達到所需要的變形溫度，并對其加熱過程中的溫度分布和溫度進行精確的控制。實驗過程中試樣的加熱采用電磁感應加熱，這樣能滿足半固態合金部分重熔加熱要求。在半固態觸變成形的實驗過程中，坯料的溫度由熱電偶測得，其中，熱電偶預先鑲嵌在試樣內，并由其反饋出溫度數值到坯料的加熱控制系統。這樣可以嚴格控制坯料的加熱速度、溫度分布，測得的數據準確可靠。

    2 微觀組織及性能分析
    根據K型熱電偶特點，實驗中設置了3個變形溫度，分別為568℃、574℃ 、580℃。為縮短加熱時間，坯料初始加熱速度較快，設置為30℃/s。當接近500℃時，加熱速度下降，設置為1℃/s，加熱結束，再進行保溫，設置時間為30秒。同樣，設置了3種應變速率，分別為0.1 s-1、1 s-1、 5 s-1。其中整個坯料的總應變量為0.5，即坯料的總壓縮量6mm。壓縮試驗結束后，立即取出水淬，其目的是穩定和固定坯料的顯微組織形態。然后，將其進行一系列的拋光研磨和腐蝕，觀察材料的晶相組織。

    圖2為等溫壓縮后的試樣的宏觀外貌，試樣經過Gleeble-1500熱力模擬壓縮機的壓縮實驗，呈現出半固態坯料變形的典型形狀—腰鼓型。主要是由于坯料在半固態的變形溫度下，液相被擠出。因此，得出這樣的結論：在同一個半固態變形溫度下，應變的速率越大，坯料中包含的液相越容易被擠出。在半固態觸變成形的最后階段，坯料包含的液相不停地沿著被破壞的位置擠出外流，使整個試樣被完全破碎。

    從圖中還可看到，壓縮試樣的主要破壞形式是在其周圍產生的側裂紋，與壓縮軸大體是平行。溫度升高后，產生的裂紋出現減少的趨勢。這主要是因為溫度升高，坯料包裹的液相較多，壓縮中出現裂紋，旋即被流出的液相所補充，因此，產生的裂紋較少。這也說明在坯料的等溫壓縮中，半固態材料內部產生了液—固相宏觀偏析。

    在坯料的頭部截取部分材料，經過研磨拋光和腐蝕等程序，觀察材料的晶相組織。圖3是K型熱電偶半固態觸變成形前的顯微組織。

    從晶相圖中看出，觸變前的微觀組織由兩部分組成。一是初生相，一是共晶相。其中，呈現白色的是固相顆粒，呈現黑色的是液相。通過電磁攪拌法得到的坯料晶粒呈非枝晶狀，近似球形。這樣形狀的顆粒懸浮在一定比例的液相中，是半固態坯料的顯著特點。

    在變形溫度是580℃，應變速率為0.1 s-1，保溫30s后，取試樣觀察晶相組織(如圖4所示)。很明顯地看出，經過半固態觸變成形，坯料的微觀組織形態主要是近球狀晶粒。一定比例的液相中包裹這些近球狀晶粒。因此，半固態的觸變成形主要是由液相包裹著、推動著固相顆粒共同流動，其中還包括固相顆粒的滑動、轉動，以及其本身的彈塑性變形機制。

    此時的半固態變形溫度在580℃。坯料內部的微觀形態是液相比例增加，固相顆粒完全被包裹。在變形過程中，材料塑性變形的絕大部分變形是由液相推動固相的滑動和轉動。固相顆粒本身的變形相對較弱。但半固態觸變成形過程中，變形量越大，固相顆粒之間的相互粘結和碰撞現象較為突出(如圖4(a)、(b)所示)。主要是由于變形過程的壓力及周圍固相之間的相互作用，阻礙了顆粒之間的滑動和轉動。這些晶粒就會在固相顆粒附近相互連接和粘連，形成新的晶粒。

    圖4(c)、(d)所示，固相顆粒的微觀尺寸比較小，大約在20μm。此處固相顆粒受到的運動約束較小，顆粒又有較強的協調和變形適應能力。因此，相互之間搭接、粘連情況減少。呈現出的微觀組織較細化。圖中還可看到，在半固態觸變成形中，伴著顆粒之間的固相和液相分離情況，呈現黑色的就是液相部分被淬火后的微觀形態。主要原因是變形溫度越高，液相的比例分數就會增加，更容易產生流動。液相固相的偏析情況就更嚴重。因此，表現出坯料破裂的側面液相較多。

    半固態模鍛中這樣的情況很少出現。因為半固態模鍛是在封閉的模具型腔產生變形，不會存在自由變化的表面，固相液相的偏析現象出現的幾率較低。相反，還會因為坯料中存在一定量的液相，使變形過程更容易進行，固相顆粒在液相的推動下運動產生塑性變形，材料變形抗力小，容易成形。反之，當半固態觸變成形在低溫下進行時，液相的比例降低，不能順利推動固相顆粒運動，因此，很多固相顆粒相互擠壓破碎，也會形成大量的細小顆粒，晶粒得到細化，但變形力會增加。

    3 結論
    半固態觸變形成中，所需的變形力以及產生的固相液相偏析情況與變形溫度和胚料的應變速率有關。具體情況如下：溫度高、應變速率小時，變形力越小，容易產生液相固態相偏析。