金属流变

金属的流变性能研究主要是针对铸造和凝固过程，金属在浇注进入铸型以及随后的凝固冷却过程中，都会出现多种多样的流动变形现象。1

介绍金属流变根据同轴圆筒旋转法粘度测量原理自行研制了1台半固态金属流变仪，并通过测量甘油的粘度来检验流变仪的测量精度。在3个不同温度下测得的甘油绝对粘度值与标准值接近。

首先是金属熔体的充型过程。液态金属的流动性能研究直接指导铸件浇注系统的设计，继而提高铸型的充填性能。一般简单地把液态合金视为牛顿流体，从水力模型的角度来考虑铸造合金的流变性能。水力模拟也成为浇注系统设计的重要实验方法。近年来对Wood合金(Bi：30%～60%，Pb：15%一35%，Sn：10%～20%，Cr：7%～15%四种金属元素组成的低熔点合金)研究时发现，只有当合金的温度具有较高过热度时，金属液才可以视为牛顿体；当合金过热度较小时，合金出现屈服极限，呈现宾汉体的流变性能，此时便不可以用牛顿流体的流动规律来探讨液态金属充填铸型的规律。如在压力铸造浇注温度较低的时候，则应注意可能由宾汉体的流变性能影响金属充填浇注系统和型腔的过程。

铸造金属在进人铸型以后，随着其本身温度的降低，凝固过程开始，合金由液态金属开始转变为液固态(类液浆料，固相质点较少，分布于液态合金中)、固液态(类固浆料，固态树枝晶连成骨架，但在骨架间仍有液态合金)和全固态。在这一过程中产生补缩、偏析、异相质点的沉浮和应力、变形等现象，这些现象都与金属的流变性能密切相关。在金属由全液态向全固态转变的过程中，其流变性能发生剧烈的变化。每种状态下，合金流变性能往往又不是简单的绝对刚体、理想液体、黏性体、弹性体或塑性体，往往是几种流变特性的结合。在铸件凝固过程中，铸件的主要缺陷都是在该金属处于固相线以上温度，即固、液两相区温度之间形成的，如铸件的致密度、成分的均匀性、热裂、夹渣等缺陷，都与固相线温度以上铸造系统流变性能密切相关。金属在冷却凝固过程中，其流变性能可以认为是由牛顿流体转变为宾汉体，这样可以从合金流变性能的角度来理解铸件中缺陷的形成。比如，具有宾汉体流变性能的流体将阻碍密度不同的质点上浮或下沉，这样在固相线附近析出的大量气体所形成的气孔便不能上浮，而停留在所析出的地点，使铸件形成分散的析出性气孔。与此同时，铸件合金凝固时析出的密度较大的颗粒也不能像在一般黏性液体中一样下沉，它们停留在所析出的地方，增大了凝固区域，使铸件从层状凝固转为体积凝固，在铸件上形成分散性缩松，降低致密度。另外，铸件在固、液两相区凝固时，如在某处出现固体体积收缩而引起的缩孔，具有宾汉体流变性能的液体虽有通道使缩孔相连，但作用在液体上的切应力如不足以克服金属的屈服应力时，液体便不能流动填补缩孔，从而使铸件中出现枝晶间连通形式的缩孔，导致铸件渗漏。

特征用该台流变仪研究半固态A356铝合金的流变特性表明：

半固态浆料稳态表观粘度随着剪切速率的增大而下降，且浆料温度越低，伪塑性越明显；当固相率小于10%时，在高剪切速率下浆料呈现出牛顿流体的特征。

液态金属在成形过程中，经历了两个基本过程，其一是充型（充填），其二是充型后凝固定形。充型一般时间较短，可以认为是一种牛顿型流动，但极为复杂且多变。随着液态金属温度下降，由全液态转变为液固态（固态颗粒被液相包围）、固液态（固态树枝晶连成骨架，液态合金被分割成岛）及至全固态过程中，将出现补缩、偏析、异相质点沉浮、热应力及应变等现象，均离不开液态金属流变学行为。2

研究内容金属材料流变学的研究内容主要包括结构流变学和加工流变学。

(1)结构流变学 结构流变学是研究材料流变特性与材料组织结构的关系，即研究金属材料在不同状态下取何种流动形式，与其微观组织的关系。例如，金属液体结构与铸造过程的充填、补缩的关系；半固态球晶组织与触变性的关系；超塑性材料组织与黏性流动的关系等。另外，还要研究此刻的变形与前一时刻的变化的差异性、遗传性。

(2)加工流变学 加工流变学主要研究加工条件与形状尺寸、组织性能改变的关系。这里包括加载方式、流动速率、模具结构及温度条件等外部因素对变形结果的影响，即对加工尺寸形状、组织性能的影响。

(3)相关性 相关性主要研究流动特性对形变效应的影响。流动特性可以理解为在不同加工条件下（如温度、压力、辐射和电磁场等），以应力、应变和时间等变量，来定量描述材料的状态方程，亦可称流动状态方程或本构方程，以此指导金属材料典型加工成形操作单元（如填充、注射、压实等）过程的流变分析，建立一种高效低耗的加工过程，发挥其最大工艺性，确保获得尺寸形状精度和性能的良好效应。

意义流变学与材料加工原理结合在一起，对材料加工模具设计、工艺条件的选择、设备选用或设计无疑具有指导意义，以优选最佳的成形方案，使成本消耗降到最低，获得形状复杂美观、内在质量健全的制件。

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学