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出版社：机械工业出版社

图书类别：金属材料

书名：铝镁合金半固态成形理论与工艺技术

书号：978-7-111-32534-5

作者：王开坤 编著

出版日期：2011年1月

开本：A5

页数：256页

字数：233千字

定价：28.00元

内容简介

理论与工艺技术王开坤编著机械工业出版社金属材料半固态成形技术是一种在介于普通铸造（纯液态）和锻造（纯固态）之间的短流程近净成形工艺。针对节能减排对汽车轻量化加工的迫切需求，结合作者多年来在承担国家“863” 、“973” 、德意志科研联合会重大基础研究项目（DFG?SFB289）和北京市自然科学基金等所取得的部分研究成果，以典型轻质金属材料——铝合金和镁合金为研究对象，论述了半固态成形技术基本工艺、常用半固态金属及复合材料组织性能、金属材料在半固态下的本构模型。重点阐述了基于半固态成形理论开发的A356铝合金复杂零件半固态感应加热和触变锻造成形工艺以及模拟技术；详细介绍了铝镁合金双层复合管半固态多坯料挤压成形工艺，包括不同形状半固态坯料制备、半固态加热及组织性能分析、双层管半固态共挤压成形数值模拟等。另外，还介绍了第11届合金及复合材料半固态加工国际学术会议展品情况。

本书可为高等院校师生、研究院所研究人员，以及从事有色金属及复合材料加工的企事业单位工程技术人员在材料制备、成形加工等方面提供阅读参考。

前言

半固态加工是对具有一定液相组分的固液混合浆料进行压铸、挤压或模锻成形，是一种介于普通铸造（纯液态）和锻造（纯固态）之间的成形方法。与普通的加工方法相比，半固态金属加工具有如下优点：可一次精确成形复杂形状零件，实现近净成形；凝固收缩小，成形件尺寸精度高；成形件力学和组织性能好；可实现对难加工材料的成形加工；且成形压力低，模具使用寿命高等。20世纪70年代以来，该技术得到了美国、德国、意大利和日本等发达国家的普遍重视，已先后对铝、镁、铜、钢铁等合金和复合材料在半固态工艺试验和理论等方面开展了广泛的研究。广大科技工作者在半固态合金的浆料制备（如电磁搅拌法制备半固态铝合金、钢铁浆料和坯料、斜槽法制备合金浆料、半固态缓合金双螺旋流变制备装置）、合金的半固态触变和流变成形、半固态组织的形成机制、触变成形过程的数值模拟等基础理论和试验研究方面开展了大量卓有成效的研究工作。

近些年来，随着对半固态成形技术研究工作的不断深入和对轻质合金半固态成形技术的成熟掌握，研究重点已逐步从以半固态组织研究为主的理论研究向以半固态成形实用复杂结构零件加工和复合材料制各加工的方向迈进。

作者在师从R.kopp教授于德国亚琛工业大学金属成形所攻读博士期间，有幸负责了Kopp教授主持的德意志科研联合会（DFG-Deutsche ForschungsGemeinschaft）特殊领域研究项目SFB289（Sonder Forschungs Bereich）（也称为重大基础研究项目）课题：“金属材料半固态成形技术及其性能”中的子项目——有色金属及其复合材料的半固态锻造技术及其模拟。该SFB289项目从1996年起分4期共连续12年从德国政府获得资金支持（总项目于2007年结束），是公认的水平很高的半固态研究项目，先后共有12个研究所和3个公司参与合作，涉及研究领域包括冶金、材料学、表面工程、摩擦技术、陶瓷、自动化控制、热能控制技术、成形技术、模拟技术等，对半固态成形技术进行了全面、深入和系统的基础研究和工业开发。在研究过程中，作者独立设计了一复杂标准零件成形的整套模具，对A356铝合金及其颗粒增强复合材料从半固态坯料制备、感应加热到半固态锻造成形从理论和试验上进行了系统的研究，在试验中实现了半固态锻造成形中等规模的生产。此外，使用有限元软件（Larstran/Shape）对锻造成形过程成功进行模拟。首次提出半固态浆料流动前沿等体积流量概念，在试验中成功得到验证。对半固态复合连接成形技术进行了系统研究，成功实现半固态铝合金与黄铜、纯铜、普通碳素钢和不锈钢的无缺陷连接。

双层复合管的加工制造是近几年发展起来的一种先进成形工艺，主要应用于汽车、建材、石油化工、暖通以及航空航天等领域。用常规方法生产的双层管，其内层管与外层管之间的连接有缝隙，在对强度和连接有极高要求的领域如航空航天领域，这些缝隙会对飞行器安全构成致命威胁，因为在高温下缝隙中的空气会受热膨胀使复合管变形而损害。此外，生产复合管通常至少需要两个工步：第一步是分别生产出同质材料的单层管；第二步是采用包覆或焊接的方法将第一步生产出的单层管进行复合连接。该工艺生产周期长、能耗高、不能实现一次成形。针对上述问题，作者提出了用半固态成形技术与多坯料挤压成形相结合的新方法来制备加工双层复合管，使双层管制备过程与连接过程同时完成。该技术是一项高度集成的原创性技术，不但可以实现双层管生产过程短流程、近终形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高产品质量。

作者多年以来一直从事半固态成形技术方面的研究工作，为了促进该项技术的发展和应用，在对金属材料半固态成形技术理论分析总结的基础上，将作者近些年所从事半固态研究的部分成果进行了总结，并作为本书的主要内容。全书共分8章：第1章绪论；第2章半固态成形用铝镁合金及颗粒增强复合材料；第3章金属材料在半固态下的本构模型；第4章A356铝合金半固态感应加热及复杂零件触变锻造成形；第5章复杂零件触变锻造成形的有限元模拟；第6章铝镁合金双层复合管半固态多坯料挤压成形；第7章双层复合管半固态多坯料挤压成形有限元模拟；第8章等体积流量法在触变锻造成形流动前沿中的应用。附录介绍了第11届合金及复合材料半固态加工国际学术会议展品情况。

本书第3章中的3.2节单相模型和3.3节双相模型主要根据Helen V.Atkinson编写的《Modelling of Semi-solid Processing》书中第3章和第4章翻译而来；第6章、第7章主要内容选自课题组毕业研究生张鹏和杜艳梅硕士学位论文。其他章节由作者撰写。在此对所采用文献的作者表示衷心感谢。

衷心感谢德意志科研联合会（DFG）、德意志政府学术中心（DAAD）、国家“863”计划和北京市自然科学基金多年来为作者提供了研究经费，使作者有精力专注于半固态成形技术的研究开发。

由于作者水平有限和时间仓促，不足之处在所难免，虚心接受广大读者的批评指正。

目录

前言

第1章 绪论

1.1 轻金属在汽车工业中的应用

1.2 半固态成形技术及其成形方法

1.3 半固态浆料的制备方法及组织形成机理

1.4 半固态加工技术的国内外研究进展

参考文献

第2章 半固态成形用铝镁合金及颗粒增强复合材料

2.1 半固态成形铝合金的材料及性能

2.2 半固态成形镁合金的材料及性能

2.3 颗粒增强金属基复合材料及其半固态成形

参考文献

第3章 金属材料在半固态状态下的本构模型

3.1 半固态金属材料的物理参数

3.2 金属材料在半固态状态下的单相模型

3.3 半固态加工建模的双相法

参考文献

第4章 A356铝合金半固态感应加热及复杂零件触变锻造成形

4.1 感应加热的原理

4.2 感应加热中功率选择的准则和坯料加热方式

4.3 A356铝合金的感应加热及分析

4.4 A356铝合金的触变锻造

4.5 复杂零件触变锻造成形中的液固相分离

4.6 断口分析

参考文献

第5章 复杂零件触变锻造成形的有限元模拟

5.1 有限元模拟技术在半固态成形中的应用

5.2 金属塑性成形专用商业有限元软件Larstran/Shape简介

5.3 用Larstran /Shape软件建立触变锻造模拟的模型

5.4 两种不同触变锻造成形工艺中的金属流动行为

5.5 A356铝合金零件的触变锻造与其模拟结果比较

参考文献

第6章 铝镁合金双层复合管半固态多坯料挤压成形

6.1 双层复合管的应用及制备技术概述

6.2 铝镁合金棒状和环状半固态坯料的制备

6.3 棒状和环状坯料半固态的二次加热与微观组织

6.4 双层复合管半固态多坯料挤压成形模具设计

6.5 双层复合管半固态多坯料挤压成形界面的结合原理

参考文献

第7章 双层复合管半固态多坯料挤压成形有限元模拟

7.1 有限元仿真软件ABAQUS简介

7.2 双层复合管有限元模拟模型的建立

7.3 双层复合管不同挤压成形方式的有限元模拟及分析

7.4 三种挤压成形方式的比较

参考文献

第8章 等体积流量法在触变锻造成形流动前沿中的应用

8.1 流动前沿的设计

8.2 使用平锻模和带有16°角的锻模进行工步挤压

8.3 使用平锻模和带有16°角的锻模进行镦粗

8.4 触变锻造流动前沿研究结果讨论

参考文献

附录 第11届合金及复合材料半固态加工国际学术会议展品介绍