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A2017合金半固态压缩变形力学特性

作者：王顺成李英龙陈彦博温景林

1前言

半固态金属加工（Semi-solidMetalProcessing）是在金属或合金的固相线和液

相线温度区间进行的加工，与传统的全液态铸造相比，半固态加工具有收缩率小，

无宏观偏析，减小缩松和提高模具寿命等优点。与传统的全固态塑性加工相比，

半固态金属屈服强度低，流动性能好，可实现高速近终成形，且精度高，一次成

形具有复杂形状的制件。半固态金属加工所具有成形力低的特点，对于一些难变

形金属或合金来讲，是一种有前途的加工工艺，由于半固态合金组织的特殊性质，

使其力学行为及形变机制与固态合金相比有所不同。因此，研究半固态金属的特

殊力学行为以及形变机制，对推进半固态金属加工的实际应用具有现实意义。

单辊剪切冷却技术（Shearing/CoolingRollProcess，简称SCR）是一种半固态

加工新技术。目前，该技术在日本东京大学已进行了卓有成效的实验室阶段的开

发研究。本文采用实验室自行设计的SCR实验机制备的非枝晶A2017合金和常

规铸造枝晶A2017合金进行半固态压缩变形实验，测定不同变形温度和不同变形

速率下的真应力-应变曲线，对SCR技术制备的A2017合金的半固态压缩变形力

学特性进行了研究。

2实验

2.1实验材料

所用实验材料为工业用铝合金A2017。其固相线温度为513℃，液相线温度为

641℃，半固态区温度范围为128℃，半固态敬意非常大，适合于半固态加工。

A2017合金是Al-Cu-Mg系合金，其主要化学成分（质量分数，%）为：Cu3.8～

4.8，Mg0.4～0.8，Mn0.4～0.8，Al余量。图1为SCR实验机装置示意图，将

合金在石墨坩埚中熔化，精炼扒渣后进行浇注，在辊靴型腔中，轧辊所提供的高

剪切力与较高的冷却强度使凝固过程中产生的初始枝晶在剪切搅拌作用下破碎形

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成非枝晶，半固态浆料排出辊-靴间隙后，直接进入水冷铜模铸成半固态锭坯，实

验工艺参数为：浇注温度760℃，辊靴间隙4mm，轧辊冷却水流量200ml/s，轧

辊转速0.2m/s。

2.2实验方法

将制备的关固态坯料加工成φ8×15mm的圆柱件，在Gleeble-1500热学-力学模

拟实验机上进行压缩实验，测定真应力-真应变曲线，压缩变形温度分别取440℃、

520℃、540℃、560℃，压缩速率分别选取0.001s-1、0.1s-1、10s-1，压缩工艺

见图2。压缩实验之前，试样在加热炉以600℃恒温保温30min，使合金完全恢

复到半固态状态，压缩变形后试样立即水淬。另外，为了减小压缩过程中试样与

工具之间摩擦力的影响，在压缩试样两端涂油质石墨。为了对比，对常规铸造

A2017合金进行了不同变形温度下的固态和半固态压缩实验。

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3实验结果与讨论

3.1A2017合金半固态组织

图3a为常规铸造A2017合金组织，由图可以看到，其组织树枝发达，一次枝晶

臂和二次枝晶臂都很粗大，且晶粒生长很不均匀。图3b为常规铸造A2017合金

氩速度600℃恒温保温30min后水淬组织，从图可以看到，常规铸造A2017合

金经二次加热后仍然保留粗大的枝晶网络结构，只有部分液相在晶界出现。

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图4a、b为SCR技术制备的A2017半固态合金试样内部组织和试样在600℃恒

温保温30min后水淬组织。从图可知，SCR技术制备的A2017半固态坯料内部

组织与常规铸造组织完全不同，其初始晶粒大部分为细小均匀的非枝晶等轴晶，

少部分为枝晶或菊花晶，但枝晶臂大大缩短。