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K型热电偶

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半固态K型热电偶的触变性能研究

来源:www.wqhhs.com作者:发表时间:2019-11-16

    摘 要:半固态K型热电偶的触变力学性能,可采用热力模拟机Gleeble-1500对应变诱发熔化激活法(SIMA)制备的坯料先进行压缩试验,利用DEFORM软件进行半固态触变成形过程的数值模拟。铝合金A357压缩变形时的流变应力和温度及坯料的应变速率有关。具体的变化情况是:在特定的应变速率范围(0.1-10s-1)内,铝合金A357的应力变化趋势是:随着温度的升高,流变应力降低;随着应变速率和坯料变形量的增加,流变应力增大。

    半固态成形技术是近年发展起来的新型技术,其优点是材料的成形温度较低,成形过程对设备的摩擦磨损较小,设备寿命长,得到的零件尺寸精度高,材料浪费少,实现了净近成形。制品的组织致密度和力学性能高,能接近或达到锻压件的性能;整个半固态成形需要的温度较低,在半固态成形过程中,伴随着金属部分结晶潜热的释放,降低了成形温度,节约了能源。有效地提高了生产效率。因此,半固态成形技术已经成为当今冶金材料工业的重大前沿课题之一[1]。与传统热加工、塑性变形相比,半固态成形技术的优势更加明显。经过近几十年的发展,在汽车、航空航天等零部件制造行业,铝合金半固态成形技术得到充分的利用[2]。其能降低零件的重量,提高零件的力学性能。铝合金半固态成形过程中的最大特点是具有触变性能。因此,充分地研究成形过程中的触变性能、金属流动及探索其变形规律,对全面掌握铝合金半固态成形过程,优化零件组织、提高零件的力学性能具有重要的研究意义。本课题选用的研究对象是K型热电偶,首先对其试样进行高温压缩,对比压缩前后的显微组织变化,进行晶相分析,掌握其半固态触变变形机理,得到系列的数据和图表,同时,为后续的半固态触变成形有限元分析提供数据和理论支撑。

    本文以K型热电偶为研究对象,通过单向压缩试验和运用有限元分析模拟软件DEFORM,模拟半固态K型热电偶的触变成形过程,输入相关的工艺参数,得到在不同的半固态变形条件下,模型的应力分布、应变分布和材料的密度分布数据,制出相应的图表,得出相应的结论,为半固态K型热电偶的触变成形研究提供相应的技术支持。

    1 实验材料
    本课题所需要的半固态坯料是通过电磁搅拌法得到的,由北京有色金属研究总院提供。通过差热分析方法得到K型热电偶的液相线温度为610℃,固相线温度为560℃,其化学成分(如表1所示)。

 

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    在半固态成形过程中,对温度的控制要严格把握,这样才能保证材料的固相体积,以利于半固态加工的顺利进行。在加热试样时,要考虑加热后试样温度的均匀性,因此,要进行一定时间的保温处理,得到温度均匀试样,利于半固态触变成形。

    此次半固态成形实验设备是在热力模拟试验机上进行的,其型号为Gleeble-1500,为卧式加载机器,加载动力是由液压系统提供,试样采用水平夹持方法。在机器夹头与半固态试样之间用石墨片夹垫,这样能降低试样与夹头之间的摩擦力。坯料的规格为Ф1012mm,夹持和压缩示意图(如图1所示)。这一实验是研究在不同的坯料变形温度下,应变速率和半固态触变成形的压力—应变曲线之间的关系。

 

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    半固态合金在实验中,需要快速加热达到所需要的变形温度,并对其加热过程中的温度分布和温度进行精确的控制。实验过程中试样的加热采用电磁感应加热,这样能满足半固态合金部分重熔加热要求。在半固态触变成形的实验过程中,坯料的温度由热电偶测得,其中,热电偶预先镶嵌在试样内,并由其反馈出温度数值到坯料的加热控制系统。这样可以严格控制坯料的加热速度、温度分布,测得的数据准确可靠。

    2 微观组织及性能分析
    根据K型热电偶特点,实验中设置了3个变形温度,分别为568℃、574℃ 、580℃。为缩短加热时间,坯料初始加热速度较快,设置为30℃/s。当接近500℃时,加热速度下降,设置为1℃/s,加热结束,再进行保温,设置时间为30秒。同样,设置了3种应变速率,分别为0.1 s-1、1 s-1、 5 s-1。其中整个坯料的总应变量为0.5,即坯料的总压缩量6mm。压缩试验结束后,立即取出水淬,其目的是稳定和固定坯料的显微组织形态。然后,将其进行一系列的抛光研磨和腐蚀,观察材料的晶相组织。

    图2为等温压缩后的试样的宏观外貌,试样经过Gleeble-1500热力模拟压缩机的压缩实验,呈现出半固态坯料变形的典型形状—腰鼓型。主要是由于坯料在半固态的变形温度下,液相被挤出。因此,得出这样的结论:在同一个半固态变形温度下,应变的速率越大,坯料中包含的液相越容易被挤出。在半固态触变成形的最后阶段,坯料包含的液相不停地沿着被破坏的位置挤出外流,使整个试样被完全破碎。

    从图中还可看到,压缩试样的主要破坏形式是在其周围产生的侧裂纹,与压缩轴大体是平行。温度升高后,产生的裂纹出现减少的趋势。这主要是因为温度升高,坯料包裹的液相较多,压缩中出现裂纹,旋即被流出的液相所补充,因此,产生的裂纹较少。这也说明在坯料的等温压缩中,半固态材料内部产生了液—固相宏观偏析。

 

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    在坯料的头部截取部分材料,经过研磨抛光和腐蚀等程序,观察材料的晶相组织。图3是K型热电偶半固态触变成形前的显微组织。

    从晶相图中看出,触变前的微观组织由两部分组成。一是初生相,一是共晶相。其中,呈现白色的是固相颗粒,呈现黑色的是液相。通过电磁搅拌法得到的坯料晶粒呈非枝晶状,近似球形。这样形状的颗粒悬浮在一定比例的液相中,是半固态坯料的显著特点。

 

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    在变形温度是580℃,应变速率为0.1 s-1,保温30s后,取试样观察晶相组织(如图4所示)。很明显地看出,经过半固态触变成形,坯料的微观组织形态主要是近球状晶粒。一定比例的液相中包裹这些近球状晶粒。因此,半固态的触变成形主要是由液相包裹着、推动着固相颗粒共同流动,其中还包括固相颗粒的滑动、转动,以及其本身的弹塑性变形机制。

 

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    此时的半固态变形温度在580℃。坯料内部的微观形态是液相比例增加,固相颗粒完全被包裹。在变形过程中,材料塑性变形的绝大部分变形是由液相推动固相的滑动和转动。固相颗粒本身的变形相对较弱。但半固态触变成形过程中,变形量越大,固相颗粒之间的相互粘结和碰撞现象较为突出(如图4(a)、(b)所示)。主要是由于变形过程的压力及周围固相之间的相互作用,阻碍了颗粒之间的滑动和转动。这些晶粒就会在固相颗粒附近相互连接和粘连,形成新的晶粒。

    图4(c)、(d)所示,固相颗粒的微观尺寸比较小,大约在20μm。此处固相颗粒受到的运动约束较小,颗粒又有较强的协调和变形适应能力。因此,相互之间搭接、粘连情况减少。呈现出的微观组织较细化。图中还可看到,在半固态触变成形中,伴着颗粒之间的固相和液相分离情况,呈现黑色的就是液相部分被淬火后的微观形态。主要原因是变形温度越高,液相的比例分数就会增加,更容易产生流动。液相固相的偏析情况就更严重。因此,表现出坯料破裂的侧面液相较多。

    半固态模锻中这样的情况很少出现。因为半固态模锻是在封闭的模具型腔产生变形,不会存在自由变化的表面,固相液相的偏析现象出现的几率较低。相反,还会因为坯料中存在一定量的液相,使变形过程更容易进行,固相颗粒在液相的推动下运动产生塑性变形,材料变形抗力小,容易成形。反之,当半固态触变成形在低温下进行时,液相的比例降低,不能顺利推动固相颗粒运动,因此,很多固相颗粒相互挤压破碎,也会形成大量的细小颗粒,晶粒得到细化,但变形力会增加。

    3 结论
    半固态触变形成中,所需的变形力以及产生的固相液相偏析情况与变形温度和胚料的应变速率有关。具体情况如下:温度高、应变速率小时,变形力越小,容易产生液相固态相偏析。