一種高固相率金屬半固態漿料粘度的測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高固相率金屬半固態漿料粘度的測量方法，屬于金屬熔體粘度測 量領域。
【背景技術】
[0002] 20世紀70年代初，美國麻省理工學院D. B. Spencer等研究人員發現金屬在凝固過 程中，進行強烈攪拌，即使在較高固相體積分數時，半固態金屬仍只有相當低的剪切應力， 這種特殊性能是由于液態金屬母液中均勻懸浮著一定比例的球狀固相結構所致。美國麻省 理工學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值，隨即對此進行了 廣泛深入的研究，并發展成為金屬半固態成形技術。金屬半固態成形技術綜合了凝固加工 和塑性加工的長處，即加工溫度比液態低，充型平穩，對模具熱沖擊小；變形抗力比固態小， 從而有利于成形較復雜的零件并減少功耗，提高生產效率。由此可見它必將成為21世紀金 屬加工技術的重要發展方向之一，是面向未來汽車，航天、航空等零件制造技術中最具有應 用潛力的成形技術之一。
[0003] 金屬半固態漿料的流變行為及其組織演變控制是金屬半固態成形的關鍵，測定金 屬半固態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，優化工藝，指導模具結構設計提供理 論基礎。
[0004] 目前，金屬半固態漿料的流變學性質一般通過采用同軸圓筒式粘度計測定合金的 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 相分數的金屬半固態熔體裝在兩筒之間的環形空間里。驅動內筒或外筒旋轉，在粘性作用 下，轉筒表面產生切應力，也就產生了轉動力矩。通過裝在旋轉軸上的扭矩傳感器記錄扭矩 和轉速，并把力矩轉換成切應力，由轉速計算出切變速率，就可以根據牛頓粘性定律計算出 該固相率金屬半固態漿料的表觀粘度。它有兩種類型：外筒靜止，內筒旋轉的為Searle型； 內筒靜止，外圓筒旋轉的為Couette型。
[0005] 同軸圓筒式粘度計的測量誤差主要有兩方面，一是內外筒間隙處被測流體各部分 的剪切速率不一致，只有當內外筒間隙很小或間隙寬度遠遠小于內外筒半徑時，剪切速率 才能接近均一。但是由于儀器構造的限制，即便操作上正確無誤，也會使受測試樣的實際流 動狀態和測量的假設條件不完全相符，造成一定的測量誤差；另一方面由于儀器構造的限 制，實際上進行黏度的測定時，不可能用無限長的圓筒，因此由圓筒的旋轉所產生的黏性力 矩，不僅受兩筒側面部分的影響，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，可適當縮小這個影響。
[0006] 同軸圓筒式粘度計最早應用于聚合物流變性能的研究和粘度測量，后經改進用于 測定金屬半固態漿料的表觀粘度，尤其是分析輕合金低固相率金屬半固態漿料的穩態流變 性能。低固相率金屬半固態漿料粘度相對較低，狀態與液態金屬更為接近，無固定形態，使 用同軸圓筒式粘度計測量粘度時半固態漿料可與內外筒充分潤濕，并在較小的內外筒間隙 處保持穩定的液面高度，從而獲得較為可靠的某剪切速率下的粘度結果。但當金屬半固態 漿料固相分數較大時，其粘度呈指數量級增加，狀態更類似于固態，由于內外筒間隙一般 較小，半固態漿料不能均勻的充滿內外筒間隙，液面出現波動，甚至出現半固態漿料結塊現 象，無法測量出其粘度結果，對于觸變成形用半固態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漿料粘度的測量方法就成為該技術領 域急需解決的技術難題。
【發明內容】
[0008] 本發明目的在于，針對現有技術不足，提供一種高固相率金屬半固態漿料粘度的 測量方法，觸變成形作為金屬半固態加工的重要成形方式，工業應用更加成熟，采用的半固 體坯料屬于高固相率金屬半固態漿料，該方法對于測量其粘度分析流變行為具有重要的意 義。
[0009] 本發明的上述目的是通過以下技術方案達到的：
[0010] -種高固相率金屬半固態漿料粘度的測量方法，采用熱力模擬試驗機對高固相率 金屬半固態漿料在一定應變速率下進行壓縮變形，獲得其變形過程的應力-應變曲線，然 后對測量結果進行修正并用數學公式換算出金屬半固態漿料的粘度。
[0011] 本發明整個測量過程包括粘度測量試樣制備、熱壓縮及數據記錄、數據修正和粘 度計算三個步驟，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)熱壓縮及數據記錄
[0015] 將測量試樣水平放置在熱力模擬試驗機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，以減少摩擦對應力與變形狀態的影響；熱力模擬試驗機 夾頭施加較小的壓應力，以固定試樣并防止試樣脫落；將熱力模擬試驗機測溫熱電偶插入 測量試樣上預設的小孔，然后開始熱壓縮實驗；熱力模擬試驗機采用電阻加熱的方式對試 樣進行加熱，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區間溫度，升溫速率為rc / s~5°C /s，然后保溫IOs~60s，得到金屬半固態漿料試樣，對該金屬半固態漿料試樣進行 壓縮變形，壓縮變形中，熱力模擬試驗機數字控制系統記錄變形過程中的溫度、時間、壓頭 壓力及行程；
[0016] 3)數據修正和粘度計算
[0017] 對所測的壓力（即高固相率金屬半固態漿料的應力）進行摩擦修正，修正后的壓 力值（應力值）通過公式轉換為高固相率金屬半固態漿料的粘度，并計算出對應的金屬半 固態漿料變形剪切速率。
[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 測溫熱電偶的直徑相匹配，如小孔的直徑為2~3mm，深為1~3mm，用于放置測溫用熱電 偶，以獲得準確的被測試樣溫度。
[0019] 升溫方式采用兩段式，第一段升溫速率彡KTC /s，優選為10~15°C /s。
[0020] 步驟2)中，金屬試樣的半固態固相分數在40%~80%之間。在壓縮變形時，變形 速率在1~20s 1之間，工程應變為50 %~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 應力狀態，因此，需對所測的高固相率金屬半固態漿料的應力進行摩擦修正，熱力模擬試驗 機壓縮變形實驗的摩擦修正方法極為常見，再此不過多贅述。修正后的應力值通過公式轉 換為高固相率金屬半固態漿料的粘度，并計算出對應的金屬半固態漿料變形剪切速率。由 此，就得到了該高固相率金屬半固態漿料在某一剪切速率下的粘度值。
[0022] 本發明利用現有的金屬材料熱力模擬試驗機，測定高固相率金屬半固態漿料在壓 縮過程中變形抗力與變形量的定量關系，將修正后的測量結果根據數學轉換公式獲得其某 一剪切速率下的粘度值。
[0023] 本發明的優點：
[0024] 1)針對高固相率金屬半固態漿料狀態更類似于固態的現象，采用塑性變形方式測 量其粘度，可以消除傳統流體粘度測量方法中的太多近似和假設，從而獲得更加精確地粘 度測量結果。
[0025] 2)高固相率金屬半固態漿料成形技術