剪切/振動(dòng)耦合作用下Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形：工藝、組織與性能研究一、緒論1.1研究背景與意義在現(xiàn)代材料科學(xué)與工業(yè)制造的不斷發(fā)展進(jìn)程中，高性能材料的研發(fā)與制備技術(shù)一直是核心關(guān)注點(diǎn)。鎂合金作為一種輕質(zhì)金屬材料，具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、阻尼性能好、電磁屏蔽能力強(qiáng)以及可回收性好等一系列優(yōu)異特性，在航空航天、汽車制造、電子設(shè)備等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，在航空航天領(lǐng)域，使用鎂合金制造零部件能夠顯著減輕飛行器重量，從而提高燃油效率、降低運(yùn)營(yíng)成本并提升飛行性能；在汽車工業(yè)中，鎂合金的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，進(jìn)而降低能耗、減少尾氣排放并增強(qiáng)汽車的操控性能。然而，傳統(tǒng)鎂合金在應(yīng)用過(guò)程中存在一些限制因素，其中耐熱性能不足是較為突出的問(wèn)題之一。在較高溫度環(huán)境下，傳統(tǒng)鎂合金的力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)明顯下降，這嚴(yán)重制約了其在高溫工作條件下的應(yīng)用范圍。為了解決這一問(wèn)題，科研人員致力于開(kāi)發(fā)新型耐熱鎂合金，Mg-Sn系合金便是其中備受關(guān)注的一類。Mg-Sn合金中，Sn元素的加入能夠通過(guò)多種機(jī)制提高合金的性能。一方面，Sn在Mg中具有較高的固溶度，在凝固過(guò)程中會(huì)析出Mg?Sn相。Mg?Sn相的熔點(diǎn)高達(dá)771.5℃，遠(yuǎn)高于MgZn（熔點(diǎn)347.0℃）和Mg??Al??（熔點(diǎn)402.0℃）等常見(jiàn)強(qiáng)化相，并且其硬度較高，主要沿晶界分布，能夠有效阻礙位錯(cuò)遷移和晶粒長(zhǎng)大，通過(guò)位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化顯著提高材料的力學(xué)性能。另一方面，通過(guò)合理的合金化設(shè)計(jì)，如添加Ca、Zr、Gd、Li、Al、Zn、Ag等合金元素，可以進(jìn)一步細(xì)化Mg?Sn相，并形成新的強(qiáng)化相，從而改善合金的綜合性能。Mg-3Sn-1Mn合金作為Mg-Sn系合金的一種典型代表，除了具備Mg-Sn合金的基本特性外，Mn元素的添加也為合金性能帶來(lái)了積極影響。Mn元素可以有效凈化合金熔體，減少雜質(zhì)元素對(duì)合金性能的不利影響，同時(shí)還能夠細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度和韌性。然而，目前Mg-3Sn-1Mn合金在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨一些挑戰(zhàn)，其中成形技術(shù)便是關(guān)鍵問(wèn)題之一。傳統(tǒng)的成形方法，如鑄造、軋制等，在制備Mg-3Sn-1Mn合金材料時(shí)存在一定的局限性，例如，鑄造工藝可能導(dǎo)致合金組織粗大、成分偏析等問(wèn)題，從而影響合金的性能；而常規(guī)軋制過(guò)程中，鎂合金由于其密排六方晶體結(jié)構(gòu)，室溫下塑性變形能力較差，邊裂現(xiàn)象嚴(yán)重，成材率較低，這在很大程度上限制了Mg-3Sn-1Mn合金的廣泛應(yīng)用。流變軋制作為一種新型的材料成形技術(shù)，為解決上述問(wèn)題提供了新的途徑。流變軋制是將半固態(tài)加工技術(shù)與軋制工藝相結(jié)合的一種成形方法，在流變軋制過(guò)程中，金屬材料處于固液共存的半固態(tài)狀態(tài)，此時(shí)材料具有較好的流動(dòng)性和變形能力。與傳統(tǒng)的固態(tài)軋制相比，流變軋制具有諸多優(yōu)勢(shì)。一方面，半固態(tài)金屬的流變應(yīng)力較低，能夠降低軋制力和能耗，減少設(shè)備投資和運(yùn)行成本；另一方面，流變軋制可以細(xì)化晶粒，改善合金的組織和性能，提高材料的綜合性能。此外，通過(guò)控制流變軋制過(guò)程中的工藝參數(shù)，如澆注溫度、軋輥轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率等，可以進(jìn)一步優(yōu)化合金的組織和性能。近年來(lái)，隨著材料加工技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員開(kāi)始關(guān)注在流變軋制過(guò)程中引入外部場(chǎng)，如剪切場(chǎng)、振動(dòng)場(chǎng)等，以進(jìn)一步改善合金的成形質(zhì)量和性能。剪切/振動(dòng)耦合作用下流變軋制是在傳統(tǒng)流變軋制的基礎(chǔ)上，同時(shí)施加剪切力和振動(dòng)力，這種耦合作用能夠?qū)辖鹑垠w的凝固過(guò)程和變形行為產(chǎn)生顯著影響。在剪切作用下，合金熔體中的晶粒被破碎和細(xì)化，形成細(xì)小均勻的等軸晶組織；而振動(dòng)作用則可以促進(jìn)合金熔體的流動(dòng)和傳質(zhì)，減少成分偏析，同時(shí)還能夠激發(fā)合金內(nèi)部的微觀缺陷，促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，進(jìn)一步細(xì)化晶粒。通過(guò)剪切/振動(dòng)耦合作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Mg-3Sn-1Mn合金組織和性能的精確調(diào)控，從而獲得具有優(yōu)異綜合性能的合金材料。綜上所述，開(kāi)展剪切/振動(dòng)耦合作用下Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，該研究有助于深入揭示剪切/振動(dòng)耦合作用下合金的凝固機(jī)制、變形行為以及組織演變規(guī)律，豐富和完善材料成形理論體系。通過(guò)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和物理模型，對(duì)合金在流變軋制過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)、流動(dòng)和變形等過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，能夠?yàn)椴牧铣尚喂に嚨膬?yōu)化提供理論依據(jù)。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，該研究成果有望解決Mg-3Sn-1Mn合金在成形過(guò)程中面臨的問(wèn)題，提高合金的成材率和性能穩(wěn)定性，推動(dòng)其在航空航天、汽車制造、電子設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，該研究對(duì)于開(kāi)發(fā)新型高性能鎂合金材料以及拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域也具有重要的指導(dǎo)意義，有助于促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展。1.2Mg-Sn合金研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景鎂是地殼中儲(chǔ)量較為豐富的金屬元素之一，其密度僅為1.74g/cm3，約為鋁的2/3、鋼的1/4，是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。鎂合金是以鎂為基體，加入其他合金元素（如Al、Zn、Mn、Sn、Ca、稀土元素等）形成的合金。由于鎂合金具有一系列優(yōu)異的特性，使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在航空航天領(lǐng)域，鎂合金的低密度特性能夠顯著減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量，從而提高飛行器的燃油效率、增加航程并提升飛行性能。例如，在一些先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)和民用客機(jī)中，鎂合金被用于制造機(jī)翼、機(jī)身框架、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等，有效降低了飛機(jī)的整體重量，提高了其機(jī)動(dòng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性。在汽車工業(yè)中，隨著全球?qū)?jié)能減排和環(huán)保要求的日益提高，汽車輕量化成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。鎂合金的應(yīng)用可以使汽車零部件重量大幅減輕，進(jìn)而降低汽車的能耗和尾氣排放。據(jù)研究，汽車每減重10%，燃油消耗可降低6%-8%，尾氣排放可減少5%-6%。因此，鎂合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、變速器殼體、輪轂等部件中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在電子設(shè)備領(lǐng)域，鎂合金的高比強(qiáng)度、高比剛度以及良好的電磁屏蔽性能使其成為制造手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等電子設(shè)備外殼的理想材料。使用鎂合金外殼不僅可以減輕設(shè)備重量，方便攜帶，還能提高設(shè)備的散熱性能和抗沖擊性能，同時(shí)有效屏蔽電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射，保護(hù)用戶健康。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)材料在高溫環(huán)境下的性能要求越來(lái)越高。耐熱鎂合金作為一類重要的結(jié)構(gòu)材料，在高溫環(huán)境下仍能保持較好的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性和抗氧化性能，因此在航空航天、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、電子設(shè)備散熱等高溫應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件制造中，耐熱鎂合金可以替代部分傳統(tǒng)材料，在減輕重量的同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和可靠性；在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋等部件中應(yīng)用耐熱鎂合金，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低燃油消耗。目前，耐熱鎂合金的研究主要集中在合金化設(shè)計(jì)、制備工藝優(yōu)化以及微觀組織調(diào)控等方面。通過(guò)添加合金元素（如稀土元素、Sn、Ca、Si等），可以形成高溫穩(wěn)定的強(qiáng)化相，提高鎂合金的耐熱性能。例如，稀土元素（如Ce、Y、Gd等）的加入可以細(xì)化晶粒，形成高溫穩(wěn)定的稀土化合物相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界滑移，從而提高鎂合金的高溫強(qiáng)度和蠕變性能。Sn元素在Mg-Sn合金中的作用前文已提及，其形成的Mg?Sn相具有高熔點(diǎn)和高硬度，能夠有效提高合金的耐熱性能。制備工藝對(duì)耐熱鎂合金的性能也有顯著影響。采用先進(jìn)的制備工藝，如快速凝固、粉末冶金、噴射沉積等，可以獲得細(xì)小均勻的微觀組織，減少成分偏析，提高合金的綜合性能。此外，通過(guò)熱加工工藝（如軋制、鍛造、擠壓等）和熱處理工藝（如固溶處理、時(shí)效處理等）的合理配合，可以進(jìn)一步優(yōu)化耐熱鎂合金的微觀組織和性能。Mg-Sn合金作為一種重要的耐熱鎂合金體系，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注和研究。研究人員對(duì)Mg-Sn合金的成分設(shè)計(jì)、制備工藝、組織性能以及強(qiáng)化機(jī)制等方面進(jìn)行了深入的探索。在成分設(shè)計(jì)方面，除了基礎(chǔ)的Mg-Sn二元合金，還通過(guò)添加其他合金元素來(lái)優(yōu)化合金性能。如添加Zn元素可以形成Mg-Sn-Zn合金，Zn的加入能夠與Mg和Sn形成多元強(qiáng)化相，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和硬度；添加Al元素形成Mg-Sn-Al合金，Al既能固溶強(qiáng)化基體，又能與Sn協(xié)同作用，細(xì)化Mg?Sn相，改善合金的綜合性能。在制備工藝方面，傳統(tǒng)的鑄造工藝仍然是制備Mg-Sn合金的常用方法，但存在組織粗大、成分偏析等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，新型制備工藝如半固態(tài)成形、噴射成形、粉末冶金等逐漸被應(yīng)用于Mg-Sn合金的制備。半固態(tài)成形技術(shù)可以使合金在固液共存狀態(tài)下進(jìn)行加工，改善合金的流動(dòng)性和充型能力，獲得細(xì)小均勻的等軸晶組織，提高合金的力學(xué)性能；噴射成形技術(shù)能夠快速凝固合金液滴，抑制成分偏析，獲得具有良好綜合性能的合金材料；粉末冶金工藝通過(guò)將合金粉末經(jīng)過(guò)壓制、燒結(jié)等過(guò)程制備合金，能夠精確控制合金成分和組織，獲得高性能的Mg-Sn合金。在組織性能研究方面，研究人員通過(guò)觀察和分析Mg-Sn合金的微觀組織，如晶粒尺寸、相組成、相分布等，深入研究其與合金力學(xué)性能、耐熱性能之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)細(xì)小的晶粒和均勻分布的強(qiáng)化相能夠顯著提高合金的強(qiáng)度和韌性，而高溫穩(wěn)定的強(qiáng)化相（如Mg?Sn相）則對(duì)合金的耐熱性能起著關(guān)鍵作用。在強(qiáng)化機(jī)制研究方面，Mg-Sn合金的強(qiáng)化機(jī)制主要包括固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化等。Sn元素在Mg基體中的固溶可以產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用；凝固過(guò)程中析出的Mg?Sn相通過(guò)析出強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化提高合金強(qiáng)度；通過(guò)合金化和工藝控制細(xì)化晶粒，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化。盡管Mg-Sn合金在研究和應(yīng)用方面取得了一定的進(jìn)展，但仍然存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。例如，Mg-Sn合金的室溫塑性較低，成形難度較大，限制了其在一些對(duì)成形性要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用；合金中的Mg?Sn相在高溫下可能會(huì)發(fā)生粗化，導(dǎo)致合金的耐熱性能下降；此外，Mg-Sn合金的耐腐蝕性能相對(duì)較差，在實(shí)際應(yīng)用中需要采取有效的防護(hù)措施。針對(duì)這些問(wèn)題，未來(lái)的研究將主要集中在進(jìn)一步優(yōu)化合金成分和制備工藝，提高合金的室溫塑性和成形性；探索新的強(qiáng)化機(jī)制和微觀組織調(diào)控方法，抑制Mg?Sn相的粗化，提高合金的高溫穩(wěn)定性；研發(fā)有效的表面處理技術(shù)和防護(hù)涂層，提高M(jìn)g-Sn合金的耐腐蝕性能。同時(shí)，隨著科技的不斷進(jìn)步，Mg-Sn合金在新能源汽車、航空航天、電子信息等領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊，對(duì)其性能和質(zhì)量的要求也將不斷提高，這將推動(dòng)Mg-Sn合金的研究不斷深入和發(fā)展。1.3鎂合金鑄軋技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景鎂合金鑄軋技術(shù)作為一種重要的材料制備方法，在鎂合金材料的生產(chǎn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與未來(lái)前景都備受關(guān)注。鎂合金鑄軋技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段。早期，傳統(tǒng)的金屬板帶坯鑄軋方式主要有半連續(xù)鑄軋法和連續(xù)鑄軋法。半連續(xù)鑄軋法，又稱連鑄連軋，其加工工藝為合金熔煉→鑄造→銑面→加熱→熱軋→冷軋；連續(xù)鑄軋法的加工工藝則是熔煉→鑄軋→冷軋。傳統(tǒng)的連續(xù)鑄軋工藝按金屬澆鑄流向方式分類有水平下注式鑄軋、傾斜側(cè)注式鑄軋以及垂直平注式鑄軋。其工藝原理是通過(guò)前箱或供料嘴將液態(tài)金屬澆鑄到兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的冷卻輥間，金屬液體在兩輥之間發(fā)生凝固結(jié)晶，通過(guò)兩輥產(chǎn)生的軋制力，經(jīng)受一定量的變形，直接生產(chǎn)金屬帶材，是一種將快速凝固與加工變形結(jié)合于一體的工藝。然而，由于鑄軋機(jī)本身的特點(diǎn)以及鑄軋工藝的局限性，早期的鑄軋技術(shù)只能生產(chǎn)合金強(qiáng)度較低、中間合金元素含量較低以及兩相溫度差較小的合金。隨著科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代鑄軋技術(shù)得到了快速發(fā)展。電磁鑄軋技術(shù)便是其中的典型代表，該技術(shù)是在連續(xù)鑄軋機(jī)的鑄嘴區(qū)或者鑄軋區(qū)引入電磁場(chǎng)，利用電磁振動(dòng)作用，控制鑄軋區(qū)合金熔體溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等凝固成形條件，改變合金結(jié)晶凝固規(guī)律，從而達(dá)到細(xì)化晶粒、消除偏析、調(diào)整晶粒取向等效果，獲得高質(zhì)量的鑄軋帶坯。許光明等人對(duì)5182鋁合金進(jìn)行電磁鑄軋研究，結(jié)果表明，鑄軋過(guò)程中施加電磁場(chǎng)可以細(xì)化5182鋁合金帶坯的晶粒，提高晶內(nèi)合金元素的含量，減少板帶橫截面上的宏觀偏析，且施加振蕩磁場(chǎng)對(duì)晶粒細(xì)化效果比施加靜磁場(chǎng)的效果更明顯。李婷等人采用電磁鑄軋工藝成功制備出厚3mm、寬200mm的AZ31B鎂合金鑄軋板，檢測(cè)結(jié)果顯示，在鑄軋過(guò)程中施加電磁場(chǎng)能顯著細(xì)化AZ31B鎂合金鑄軋板的晶粒組織，晶粒平均尺寸由不加電磁場(chǎng)的28-30μm減小至12μm左右。目前，鎂合金鑄軋技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，鎂合金的化學(xué)活性較高，在鑄軋過(guò)程中容易與空氣中的氧氣、氮?dú)獾劝l(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氧化夾雜和氣孔等缺陷，影響鑄軋板的質(zhì)量。另一方面，鎂合金的凝固收縮率較大，容易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，需要通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)來(lái)加以解決。此外，現(xiàn)有的鑄軋技術(shù)在生產(chǎn)某些高性能鎂合金時(shí)，難以滿足其對(duì)組織和性能的嚴(yán)格要求。盡管存在挑戰(zhàn)，但鎂合金鑄軋技術(shù)的未來(lái)前景依然十分廣闊。隨著對(duì)鎂合金性能要求的不斷提高，未來(lái)的研究將朝著進(jìn)一步優(yōu)化鑄軋工藝參數(shù)、開(kāi)發(fā)新型鑄軋技術(shù)和設(shè)備的方向發(fā)展。例如，研究人員可能會(huì)探索更加精確的電磁場(chǎng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂合金凝固過(guò)程的更精準(zhǔn)調(diào)控；開(kāi)發(fā)新型的模具材料和表面處理技術(shù)，提高模具的使用壽命和鑄軋板的表面質(zhì)量。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)數(shù)值模擬可以深入研究鎂合金鑄軋過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)和流動(dòng)行為，為工藝優(yōu)化提供更有力的理論支持。與傳統(tǒng)鑄軋技術(shù)相比，流變軋制技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)鑄軋過(guò)程中，金屬熔體在鑄軋區(qū)快速凝固，容易形成粗大的晶粒組織和成分偏析，導(dǎo)致材料性能下降。而流變軋制是將半固態(tài)加工技術(shù)與軋制工藝相結(jié)合，金屬材料在固液共存的半固態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行軋制。此時(shí)，半固態(tài)金屬具有較好的流動(dòng)性和變形能力，流變應(yīng)力較低，能夠降低軋制力和能耗。同時(shí)，流變軋制過(guò)程中，晶粒在剪切力和軋制力的作用下被破碎和細(xì)化，形成細(xì)小均勻的等軸晶組織，有效改善了合金的組織和性能。此外，流變軋制還可以減少加工工序，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。然而，流變軋制技術(shù)也面臨一些技術(shù)難題，如半固態(tài)漿料的制備和輸送技術(shù)還不夠成熟，需要進(jìn)一步研究和完善。1.4鎂合金流變軋制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景鎂合金流變軋制技術(shù)作為一種新興的材料加工方法，近年來(lái)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注，其發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的問(wèn)題以及未來(lái)的應(yīng)用前景都具有重要的研究?jī)r(jià)值。流變軋制技術(shù)是將半固態(tài)加工技術(shù)與軋制工藝相結(jié)合的一種先進(jìn)成形方法。在流變軋制過(guò)程中，金屬材料處于固液共存的半固態(tài)狀態(tài)，此時(shí)材料具有獨(dú)特的流變特性，如較低的流變應(yīng)力和良好的流動(dòng)性。這種特性使得流變軋制相較于傳統(tǒng)軋制工藝具有顯著優(yōu)勢(shì)。一方面，半固態(tài)金屬的流變應(yīng)力低，能夠有效降低軋制力和能耗，減少設(shè)備的負(fù)荷和運(yùn)行成本。另一方面，流變軋制過(guò)程中，在剪切力和軋制力的作用下，合金熔體中的晶粒被破碎和細(xì)化，從而獲得細(xì)小均勻的等軸晶組織，極大地改善了合金的組織和性能。此外，流變軋制還可以減少加工工序，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。在實(shí)際應(yīng)用中，流變軋制技術(shù)在鎂合金材料制備方面已經(jīng)取得了一定的成果。例如，有研究采用流變軋制工藝成功制備出AZ91D鎂合金薄板。通過(guò)對(duì)該薄板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其具有較高的屈服強(qiáng)度和延伸率，在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)出良好的塑性。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，薄板的硬度可以適當(dāng)降低，且其力學(xué)性能依然保持在較高水平。這表明流變軋制工藝制備的AZ91D鎂合金薄板在工程設(shè)計(jì)中具有廣泛應(yīng)用前景。還有研究利用剪切/攪拌與流變軋制制備了Mg-3Sn-1Mn-xSiC復(fù)合板材。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)活化處理的SiC顆粒在復(fù)合材料內(nèi)部分布較均勻；SiC顆?？纱龠M(jìn)復(fù)合材料在凝固過(guò)程中Mg?Sn相異質(zhì)形核，Mg?Sn相在SiC顆粒表面形核長(zhǎng)大；同時(shí)，SiC顆?？纱龠M(jìn)α-Mg晶粒的細(xì)化與球化，隨著SiC含量增加，α-Mg晶粒平均直徑和圓度逐漸減小。制備的Mg-3Sn-1Mn-10SiC復(fù)合板材抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到242±4MPa和7.6±0.3％，比相同條件下制備的Mg-3Sn-1Mn合金板材的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了38％和36％。盡管鎂合金流變軋制技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，但目前仍然面臨一些技術(shù)難題。在半固態(tài)漿料的制備和輸送方面，相關(guān)技術(shù)還不夠成熟。半固態(tài)漿料的質(zhì)量對(duì)最終產(chǎn)品的性能有著至關(guān)重要的影響，然而，現(xiàn)有的制備方法在控制漿料的固相分?jǐn)?shù)、晶粒尺寸和均勻性等方面還存在一定的困難。同時(shí)，半固態(tài)漿料的輸送過(guò)程中容易出現(xiàn)堵塞、溫度不均勻等問(wèn)題，影響生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在工藝參數(shù)的優(yōu)化方面，流變軋制過(guò)程涉及多個(gè)工藝參數(shù)，如澆注溫度、軋輥轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率等，這些參數(shù)之間相互影響，如何確定最佳的工藝參數(shù)組合，以獲得最優(yōu)的合金組織和性能，仍然需要進(jìn)一步的研究和探索。此外，對(duì)于流變軋制過(guò)程中合金的凝固機(jī)制、變形行為以及組織演變規(guī)律的研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論支持，這也限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。展望未來(lái)，鎂合金流變軋制技術(shù)具有廣闊的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。隨著材料科學(xué)與工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，半固態(tài)漿料的制備和輸送技術(shù)有望得到進(jìn)一步完善。通過(guò)開(kāi)發(fā)新的制備方法和設(shè)備，提高半固態(tài)漿料的質(zhì)量和穩(wěn)定性，為流變軋制技術(shù)的應(yīng)用提供更好的基礎(chǔ)。同時(shí)，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究手段，深入研究流變軋制過(guò)程中合金的凝固、變形和組織演變規(guī)律，建立更加完善的理論模型，將有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的精確控制和優(yōu)化，進(jìn)一步提高合金的性能。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，隨著航空航天、汽車制造、電子設(shè)備等行業(yè)對(duì)高性能鎂合金材料的需求不斷增加，流變軋制技術(shù)制備的鎂合金材料將在這些領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。例如，在航空航天領(lǐng)域，流變軋制鎂合金材料可以用于制造飛行器的結(jié)構(gòu)件，減輕重量，提高飛行性能；在汽車工業(yè)中，可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件、車身結(jié)構(gòu)件等，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，降低能耗和排放。此外，流變軋制技術(shù)還有望與其他先進(jìn)的材料加工技術(shù)（如熱處理、表面處理等）相結(jié)合，進(jìn)一步拓展鎂合金材料的性能和應(yīng)用范圍。1.5國(guó)內(nèi)外研究綜述近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞Mg-3Sn-1Mn合金及流變軋制技術(shù)開(kāi)展了大量研究工作，取得了一系列有價(jià)值的成果。在Mg-3Sn-1Mn合金研究方面，國(guó)內(nèi)研究注重合金化元素的作用機(jī)制及對(duì)組織性能的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，Mn元素在Mg-3Sn-1Mn合金中可有效凈化熔體，減少雜質(zhì)元素（如Fe等）的有害影響，通過(guò)細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化提高合金的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)Mn含量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，合金的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有顯著提升。同時(shí)，研究還表明，Mg-3Sn-1Mn合金中的Mg?Sn相作為主要強(qiáng)化相，其形態(tài)、尺寸和分布對(duì)合金性能至關(guān)重要。通過(guò)優(yōu)化合金成分和制備工藝，可以調(diào)控Mg?Sn相的析出行為，使其以細(xì)小、彌散的形態(tài)分布在α-Mg基體中，從而顯著提高合金的強(qiáng)度和耐熱性能。國(guó)外研究則更側(cè)重于合金的微觀結(jié)構(gòu)分析和性能測(cè)試。通過(guò)高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和電子背散射衍射（EBSD）等先進(jìn)技術(shù)手段，深入研究Mg-3Sn-1Mn合金在不同處理狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)特征，包括晶粒取向、晶界結(jié)構(gòu)以及相界面特征等。研究發(fā)現(xiàn)，合金中的晶界和相界在變形過(guò)程中對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和裂紋擴(kuò)展具有重要的阻礙作用，從而影響合金的力學(xué)性能。在性能測(cè)試方面，國(guó)外研究不僅關(guān)注合金的室溫力學(xué)性能，還對(duì)其高溫力學(xué)性能、疲勞性能和蠕變性能等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，Mg-3Sn-1Mn合金在高溫下的力學(xué)性能受Mg?Sn相的穩(wěn)定性和晶界滑移等因素的影響較大。在鎂合金流變軋制技術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)研究集中在工藝參數(shù)優(yōu)化和設(shè)備研發(fā)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，分析了澆注溫度、軋輥轉(zhuǎn)速、冷卻速率等工藝參數(shù)對(duì)流變軋制鎂合金組織和性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，合適的澆注溫度可以保證半固態(tài)漿料的質(zhì)量，軋輥轉(zhuǎn)速和冷卻速率則會(huì)影響合金的凝固過(guò)程和晶粒細(xì)化效果。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了多種新型的流變軋制設(shè)備，如具有特殊結(jié)構(gòu)的軋輥和精確的溫控系統(tǒng)等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的精確控制。例如，某研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型流變軋機(jī)，通過(guò)改進(jìn)軋輥的冷卻方式和供料系統(tǒng)，能夠穩(wěn)定地生產(chǎn)出高質(zhì)量的鎂合金板材。國(guó)外研究則主要關(guān)注流變軋制過(guò)程中的物理現(xiàn)象和理論模型建立。運(yùn)用數(shù)值模擬方法，對(duì)鎂合金流變軋制過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)、流動(dòng)和變形等物理過(guò)程進(jìn)行深入研究。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和物理模型，模擬半固態(tài)漿料在軋制型腔內(nèi)的流動(dòng)行為、溫度分布以及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等。例如，采用有限元方法（FEM）建立了流變軋制過(guò)程的熱-流-固耦合模型，通過(guò)模擬分析揭示了工藝參數(shù)對(duì)合金變形和組織演變的影響機(jī)制。同時(shí)，國(guó)外研究還對(duì)流變軋制過(guò)程中的微觀組織演變理論進(jìn)行了深入探討，提出了一些新的理論模型和觀點(diǎn)。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在Mg-3Sn-1Mn合金研究方面，雖然對(duì)合金化元素的作用和微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系有了一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于合金在復(fù)雜服役環(huán)境下的性能退化機(jī)制以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究還不夠深入。在實(shí)際應(yīng)用中，Mg-3Sn-1Mn合金可能會(huì)面臨高溫、腐蝕、疲勞等多種復(fù)雜工況，目前對(duì)其在這些條件下的性能變化規(guī)律和失效機(jī)制的研究還相對(duì)較少。在鎂合金流變軋制技術(shù)研究方面，雖然在工藝參數(shù)優(yōu)化和設(shè)備研發(fā)方面取得了一定進(jìn)展，但半固態(tài)漿料的制備和輸送技術(shù)仍不夠成熟。半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)、晶粒尺寸和均勻性等難以精確控制，這對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大影響。此外，對(duì)于流變軋制過(guò)程中合金的凝固機(jī)制、變形行為以及組織演變規(guī)律的研究還不夠系統(tǒng)和深入，缺乏完善的理論體系來(lái)指導(dǎo)工藝優(yōu)化和設(shè)備設(shè)計(jì)。同時(shí)，現(xiàn)有研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究，如何將流變軋制技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需要解決一系列工程技術(shù)問(wèn)題，如設(shè)備的大型化、生產(chǎn)效率的提高以及生產(chǎn)成本的降低等。二、實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)材料本研究選用Mg-3Sn-1Mn合金作為實(shí)驗(yàn)材料，主要基于其在耐熱鎂合金領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與研究?jī)r(jià)值。Mg-Sn合金系憑借Sn元素的加入，在提高合金耐熱性能方面展現(xiàn)出顯著成效。Sn在Mg中具有較高固溶度，凝固時(shí)析出的Mg?Sn相，熔點(diǎn)高達(dá)771.5℃，遠(yuǎn)高于常見(jiàn)強(qiáng)化相，且硬度高，沿晶界分布，能有效阻礙位錯(cuò)遷移與晶粒長(zhǎng)大，通過(guò)位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化提升材料力學(xué)性能。而Mn元素的添加進(jìn)一步優(yōu)化了合金性能，其能夠凈化合金熔體，減少雜質(zhì)元素（如Fe等）對(duì)合金性能的不利影響，同時(shí)細(xì)化晶粒，增強(qiáng)合金的強(qiáng)度與韌性。實(shí)驗(yàn)所用Mg-3Sn-1Mn合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：Sn3.0，Mn1.0，余量為Mg。合金初始狀態(tài)為鑄錠，由工業(yè)純鎂（純度≥99.9%）、純錫（純度≥99.9%）和錳中間合金（Mn含量約為30%）在電阻爐中熔煉制備而成。在熔煉過(guò)程中，為防止鎂液氧化燃燒，向坩堝中通入一定量的SF?和CO?混合保護(hù)氣體。將熔煉好的合金液澆鑄到預(yù)熱至200℃的金屬模具中，制成尺寸為?80mm×150mm的鑄錠。鑄錠經(jīng)均勻化退火處理，退火工藝為420℃保溫12h，隨爐冷卻至室溫。均勻化退火處理的目的是消除鑄錠內(nèi)部的成分偏析，使合金組織更加均勻，為后續(xù)的流變軋制成形實(shí)驗(yàn)提供良好的組織基礎(chǔ)。2.2實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)所采用的剪切/振動(dòng)耦合作用下流變軋制成形實(shí)驗(yàn)裝置是自主研發(fā)設(shè)計(jì)的，其核心在于將剪切場(chǎng)與振動(dòng)場(chǎng)巧妙地引入到傳統(tǒng)的流變軋制過(guò)程中，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)Mg-3Sn-1Mn合金凝固與變形行為的精確調(diào)控。實(shí)驗(yàn)裝置的主體結(jié)構(gòu)主要由熔煉系統(tǒng)、剪切/振動(dòng)系統(tǒng)、軋制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。熔煉系統(tǒng)選用SX2-10-13型箱式電阻爐，其最高工作溫度可達(dá)1300℃，額定功率為10kW。該電阻爐具備升溫速度快、溫度控制精度高的特點(diǎn)，能夠確保合金原料在熔煉過(guò)程中迅速達(dá)到預(yù)定溫度，并維持溫度的穩(wěn)定性，從而保證合金熔煉的質(zhì)量。在熔煉過(guò)程中，使用石墨坩堝盛裝合金原料，石墨坩堝具有良好的耐高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效防止合金液與坩堝發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，確保合金成分的準(zhǔn)確性。剪切/振動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部分，其主要作用是對(duì)合金熔體施加剪切力和振動(dòng)力。剪切裝置采用特殊設(shè)計(jì)的螺旋葉片攪拌器，由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以精確控制攪拌器的旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)剪切力大小的調(diào)控。螺旋葉片攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，能夠在合金熔體中產(chǎn)生均勻的剪切流場(chǎng)，使合金熔體中的晶粒在剪切作用下充分破碎和細(xì)化。振動(dòng)裝置則選用電磁振動(dòng)器，其振動(dòng)頻率范圍為0-50Hz，振幅范圍為0-5mm。通過(guò)改變電磁振動(dòng)器的電流大小和頻率，可以靈活調(diào)整振動(dòng)力的大小和頻率。電磁振動(dòng)器與傾斜板連接，在合金熔體流經(jīng)傾斜板的過(guò)程中，振動(dòng)力能夠有效地促進(jìn)合金熔體的流動(dòng)和傳質(zhì)，減少成分偏析，同時(shí)激發(fā)合金內(nèi)部的微觀缺陷，為后續(xù)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶創(chuàng)造有利條件。軋制系統(tǒng)采用雙輥軋機(jī)，軋輥直徑為200mm，輥身長(zhǎng)度為300mm。軋輥由優(yōu)質(zhì)合金鋼制成，表面經(jīng)過(guò)特殊處理，具有良好的耐磨性和硬度。軋機(jī)配備有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和減速機(jī)的傳動(dòng)比，可以精確控制軋輥的轉(zhuǎn)速，軋制速度范圍為0.1-1m/min。在軋制過(guò)程中，軋輥對(duì)合金熔體施加軋制力，使其在軋制方向上發(fā)生塑性變形，從而獲得所需的板材形狀和尺寸。同時(shí)，軋輥內(nèi)部設(shè)有冷卻水道，通過(guò)循環(huán)水冷卻，可以有效控制軋輥的溫度，防止軋輥因溫度過(guò)高而發(fā)生變形或損壞，保證軋制過(guò)程的穩(wěn)定性和板材的質(zhì)量。溫度控制系統(tǒng)采用高精度的熱電偶和智能溫控儀，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)合金熔體、軋輥以及環(huán)境的溫度。熱電偶選用K型熱電偶，其測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，能夠準(zhǔn)確測(cè)量合金熔體在不同位置和時(shí)刻的溫度。智能溫控儀具有PID調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)設(shè)定的溫度值自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率、冷卻水流速以及電磁振動(dòng)器的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程溫度的精確控制。溫度控制精度可達(dá)±1℃，確保了實(shí)驗(yàn)條件的一致性和可靠性。此外，為了保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，還配備了一系列輔助設(shè)備。如用于稱量合金原料的電子天平，其精度為0.01g，能夠準(zhǔn)確稱量合金原料的質(zhì)量，確保合金成分的準(zhǔn)確性。用于檢測(cè)合金板材厚度的千分尺，測(cè)量精度為0.01mm，可在軋制過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量板材的厚度，以便及時(shí)調(diào)整軋制參數(shù)。以及用于觀察合金組織的金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等分析檢測(cè)設(shè)備，這些設(shè)備將在后續(xù)的分析檢測(cè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要作用。2.3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為深入探究剪切/振動(dòng)耦合作用下Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形的規(guī)律與特性，本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，系統(tǒng)研究各工藝參數(shù)對(duì)合金組織和性能的影響。實(shí)驗(yàn)變量主要包括澆注溫度、軋輥轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率，控制因素則為合金成分、熔煉工藝以及軋輥尺寸和表面狀態(tài)等，確保在單一變量變化的情況下，準(zhǔn)確分析其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)步驟與流程如下：首先，按照預(yù)定的化學(xué)成分，使用電子天平準(zhǔn)確稱量工業(yè)純鎂、純錫和錳中間合金，將其放入石墨坩堝中。將裝有合金原料的石墨坩堝置于SX2-10-13型箱式電阻爐中進(jìn)行熔煉。在熔煉過(guò)程中，持續(xù)向坩堝內(nèi)通入SF?和CO?混合保護(hù)氣體，以防止鎂液氧化燃燒。設(shè)置電阻爐的升溫程序，使合金原料緩慢升溫至750-780℃，并在此溫度下保溫30-60min，確保合金成分充分均勻化。合金熔煉完成后，啟動(dòng)剪切/振動(dòng)系統(tǒng)和軋制系統(tǒng)。將剪切裝置的螺旋葉片攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)定為50-200r/min，電磁振動(dòng)器的振動(dòng)頻率設(shè)定為5-20Hz，振幅設(shè)定為1-3mm。同時(shí)，將雙輥軋機(jī)的軋輥轉(zhuǎn)速設(shè)定為0.3-0.8m/min，調(diào)整軋輥間隙，使其符合實(shí)驗(yàn)要求。待各實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)穩(wěn)定后，將熔煉好的合金液以一定的澆注溫度（640-680℃）倒入傾斜板上方的容器中。合金液在重力作用下沿傾斜板流下，在流經(jīng)傾斜板的過(guò)程中，受到螺旋葉片攪拌器的剪切作用和電磁振動(dòng)器的振動(dòng)作用。此時(shí)，合金熔體中的晶粒在剪切力和振動(dòng)力的共同作用下被破碎和細(xì)化，形成細(xì)小均勻的半固態(tài)漿料。半固態(tài)漿料進(jìn)入雙輥軋機(jī)的軋制型腔后，在軋輥的軋制力作用下發(fā)生塑性變形，被軋制成所需厚度的板材。在軋制過(guò)程中，通過(guò)溫度控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)合金熔體、軋輥以及環(huán)境的溫度，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電阻爐的加熱功率、冷卻水流速以及電磁振動(dòng)器的工作參數(shù)，確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。每完成一次流變軋制成形實(shí)驗(yàn)，使用千分尺測(cè)量軋制板材的厚度，并觀察板材的表面質(zhì)量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。將軋制得到的板材切割成合適尺寸的試樣，用于后續(xù)的組織分析和力學(xué)性能檢測(cè)。組織分析采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM），觀察合金的微觀組織，包括晶粒尺寸、形狀、分布以及相組成等。通過(guò)電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)分析晶粒取向和晶界特征。力學(xué)性能檢測(cè)則包括室溫拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試和高溫蠕變?cè)囼?yàn)等。室溫拉伸試驗(yàn)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。硬度測(cè)試采用布氏硬度計(jì)，測(cè)量合金板材的硬度。高溫蠕變?cè)囼?yàn)在高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行，研究合金在高溫和恒定載荷下的變形行為，測(cè)定蠕變速率和蠕變極限等參數(shù)。通過(guò)改變澆注溫度、軋輥轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率等工藝參數(shù)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，獲得不同工藝條件下Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形板材的組織和性能數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，研究各工藝參數(shù)對(duì)合金組織和性能的影響規(guī)律，為優(yōu)化流變軋制成形工藝提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.4分析檢測(cè)方法在本研究中，對(duì)Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形板材的組織分析和力學(xué)性能檢測(cè)采用了一系列先進(jìn)且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，這些方法對(duì)于深入理解合金的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系至關(guān)重要。在組織分析方面，金相顯微鏡觀察是基礎(chǔ)且重要的手段。首先，將軋制后的合金板材切割成尺寸約為10mm×10mm×5mm的金相試樣。切割過(guò)程中，使用低速切割機(jī)并添加適量的冷卻液，以避免試樣因切割發(fā)熱而導(dǎo)致組織變化。然后，對(duì)切割后的試樣進(jìn)行打磨，依次使用80#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#的砂紙進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，每更換一次砂紙，都需將試樣旋轉(zhuǎn)90°，以確保磨痕相互垂直，使試樣表面更加平整。打磨完成后，對(duì)試樣進(jìn)行拋光處理，采用金剛石拋光膏在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，直至試樣表面呈現(xiàn)鏡面光澤。接著，使用4%的硝酸酒精溶液對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間控制在10-30s，具體時(shí)間根據(jù)試樣的腐蝕情況進(jìn)行調(diào)整。腐蝕后的試樣在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，通過(guò)金相顯微鏡的高分辨率成像，能夠清晰地觀察到合金的晶粒尺寸、形狀和分布情況。利用金相分析軟件對(duì)金相照片進(jìn)行處理，測(cè)量晶粒的平均尺寸和形狀因子，統(tǒng)計(jì)至少500個(gè)晶粒的數(shù)據(jù)，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。掃描電子顯微鏡（SEM）分析則能提供更微觀、更詳細(xì)的組織信息。將經(jīng)過(guò)金相觀察的試樣進(jìn)一步處理，進(jìn)行SEM分析。在SEM分析前，對(duì)試樣表面進(jìn)行噴金處理，以提高試樣的導(dǎo)電性和成像質(zhì)量。通過(guò)SEM的不同放大倍數(shù)，可以觀察到合金中的第二相（如Mg?Sn相）的形態(tài)、尺寸、分布以及與基體的界面結(jié)合情況。利用能譜儀（EDS）對(duì)第二相進(jìn)行成分分析，確定其化學(xué)組成。例如，通過(guò)EDS分析可以準(zhǔn)確得知Mg?Sn相中Mg和Sn的原子比例，以及其他可能存在的微量元素的含量。同時(shí)，借助SEM的背散射電子成像（BSE）技術(shù)，可以更清晰地區(qū)分不同相之間的襯度差異，進(jìn)一步分析相的分布特征。電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)用于分析合金的晶粒取向和晶界特征。將經(jīng)過(guò)拋光處理的試樣安裝在EBSD樣品臺(tái)上，確保試樣表面平整且與樣品臺(tái)緊密貼合。在EBSD測(cè)試過(guò)程中，選擇合適的加速電壓和工作距離，以保證電子束能夠有效地與試樣表面相互作用。通過(guò)EBSD系統(tǒng)采集試樣表面的菊池花樣，利用相關(guān)軟件對(duì)菊池花樣進(jìn)行分析和處理，得到合金的晶粒取向分布圖、極圖和反極圖。從這些圖中，可以分析晶粒的取向分布規(guī)律，確定主要的晶粒取向類型。同時(shí)，根據(jù)晶界兩側(cè)晶粒的取向差，對(duì)晶界進(jìn)行分類，如小角度晶界（取向差小于15°）和大角度晶界（取向差大于15°）。統(tǒng)計(jì)不同類型晶界的比例和分布情況，研究晶界對(duì)合金性能的影響機(jī)制。在力學(xué)性能檢測(cè)方面，室溫拉伸試驗(yàn)用于測(cè)定合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，將軋制后的合金板材加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，平行段直徑為5mm。在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率控制在0.001-0.005s?1。在拉伸過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄試樣所承受的拉力和對(duì)應(yīng)的位移數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理和分析，得到合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，確定合金的抗拉強(qiáng)度（即曲線的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值）、屈服強(qiáng)度（通常采用0.2%殘余變形對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值）和延伸率（試樣斷裂時(shí)標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)量）。每個(gè)工藝條件下制備的合金板材，至少進(jìn)行3次拉伸試驗(yàn)，取平均值作為該工藝條件下合金的力學(xué)性能指標(biāo)，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。硬度測(cè)試采用布氏硬度計(jì)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行。將合金板材放置在布氏硬度計(jì)的工作臺(tái)上，確保試樣表面平整且與壓頭垂直。選擇合適的壓頭直徑（通常為10mm）和試驗(yàn)力（根據(jù)合金的硬度范圍選擇，一般為3000kgf），加載時(shí)間控制在10-15s。在試樣表面不同位置進(jìn)行至少5次硬度測(cè)試，取平均值作為合金的布氏硬度值。通過(guò)硬度測(cè)試，可以快速了解合金的表面硬度情況，硬度值的大小反映了合金抵抗局部塑性變形的能力，與合金的強(qiáng)度和耐磨性等性能密切相關(guān)。高溫蠕變?cè)囼?yàn)用于研究合金在高溫和恒定載荷下的變形行為。將合金板材加工成標(biāo)準(zhǔn)的蠕變?cè)嚇?，試樣的?biāo)距長(zhǎng)度為30mm，平行段直徑為4mm。在高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度根據(jù)合金的使用環(huán)境和研究目的選擇，一般為200-300℃。施加的恒定載荷根據(jù)合金的強(qiáng)度和實(shí)際應(yīng)用情況確定，通常為50-150MPa。在試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的變形量隨時(shí)間的變化情況，記錄蠕變曲線。根據(jù)蠕變曲線，分析合金的蠕變速率（即蠕變曲線的斜率）和蠕變極限（在一定溫度和時(shí)間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變變形量的最大應(yīng)力）。通過(guò)高溫蠕變?cè)囼?yàn)，可以評(píng)估合金在高溫服役條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性，為合金在高溫環(huán)境下的應(yīng)用提供重要的性能數(shù)據(jù)。三、耦合作用下合金流變軋制成形的傳熱與凝固3.1傾斜板上熔體傳熱與冷卻速率在剪切/振動(dòng)耦合作用下的流變軋制成形過(guò)程中，合金熔體在傾斜板上的傳熱行為對(duì)其凝固組織和最終性能有著至關(guān)重要的影響。深入研究這一過(guò)程中的傳熱特性與冷卻速率，是理解合金流變軋制成形機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。合金熔體在傾斜板上的傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到多種傳熱方式的相互作用。其中，熱傳導(dǎo)是熔體內(nèi)部熱量傳遞的重要方式之一。根據(jù)傅里葉定律，熱傳導(dǎo)的基本公式為q=-k\nablaT，其中q表示熱流密度，k為導(dǎo)熱系數(shù)，\nablaT是溫度梯度。在合金熔體中，由于原子的熱振動(dòng)和電子的遷移，熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞。導(dǎo)熱系數(shù)k是材料的固有屬性，其值受到合金成分、溫度等因素的影響。對(duì)于Mg-3Sn-1Mn合金，Sn和Mn元素的加入會(huì)改變合金的電子結(jié)構(gòu)和原子間結(jié)合力，從而影響其導(dǎo)熱性能。隨著溫度的升高，合金原子的熱振動(dòng)加劇，電子的散射概率增加，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)下降。對(duì)流換熱在合金熔體與傾斜板表面以及周圍環(huán)境之間的熱量傳遞中起著關(guān)鍵作用。對(duì)流換熱過(guò)程可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。在自然對(duì)流情況下，由于熔體內(nèi)部溫度不均勻?qū)е旅芏炔町?，從而引起流體的自然流動(dòng)。根據(jù)牛頓冷卻定律，對(duì)流換熱的熱流密度可表示為q=h(T_w-T_f)，其中h為對(duì)流換熱系數(shù)，T_w是傾斜板表面溫度，T_f為熔體溫度。對(duì)流換熱系數(shù)h與熔體的物理性質(zhì)（如密度、粘度、比熱容等）、流動(dòng)狀態(tài)以及傾斜板的表面特征等因素密切相關(guān)。在強(qiáng)制對(duì)流情況下，剪切/振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)合金熔體施加的外力作用，使得熔體產(chǎn)生強(qiáng)制流動(dòng)，從而增強(qiáng)了對(duì)流換熱效果。例如，螺旋葉片攪拌器的旋轉(zhuǎn)使熔體形成剪切流場(chǎng)，加速了熔體與傾斜板表面的熱量交換；電磁振動(dòng)器的振動(dòng)作用促進(jìn)了熔體的擾動(dòng)，進(jìn)一步提高了對(duì)流換熱系數(shù)。輻射換熱在高溫合金熔體的傳熱過(guò)程中也不可忽視。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的輻射換熱量與物體的溫度、發(fā)射率以及周圍環(huán)境的溫度有關(guān)。合金熔體表面會(huì)向周圍環(huán)境輻射熱量，同時(shí)也會(huì)吸收周圍環(huán)境的輻射熱。輻射換熱的熱流密度可表示為q=\varepsilon\sigma(T^4-T_0^4)，其中\(zhòng)varepsilon為發(fā)射率，\sigma是斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T為熔體表面溫度，T_0為周圍環(huán)境溫度。發(fā)射率\varepsilon取決于合金的成分和表面狀態(tài)，不同的合金成分和表面粗糙度會(huì)導(dǎo)致發(fā)射率的差異。在高溫下，輻射換熱對(duì)合金熔體的冷卻速率有著重要影響，尤其是當(dāng)熔體與周圍環(huán)境溫度差較大時(shí)，輻射換熱量會(huì)顯著增加。為了深入研究合金熔體在傾斜板上的冷卻速率，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)合金熔體在傾斜板上的流動(dòng)為一維穩(wěn)定層流，且忽略熔體內(nèi)部的熱輻射和化學(xué)反應(yīng)熱。根據(jù)能量守恒定律，可得到熔體的能量方程為：\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}+\rhoc_pu\frac{\partialT}{\partialx}=k\frac{\partial^2T}{\partialx^2}+h(T_w-T)其中，\rho是合金熔體的密度，c_p為定壓比熱容，t為時(shí)間，u是熔體的流速，x是沿傾斜板方向的坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)上述能量方程進(jìn)行求解，并結(jié)合相應(yīng)的初始條件和邊界條件，可以得到合金熔體在傾斜板上的溫度分布隨時(shí)間和位置的變化關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出冷卻速率。初始條件通常設(shè)定為合金熔體在進(jìn)入傾斜板時(shí)的溫度T(x,0)=T_0，邊界條件則包括傾斜板入口處的溫度和熱流密度條件以及出口處的對(duì)流換熱條件。合金熔體在傾斜板上的冷卻速率受到多種因素的影響。澆注溫度是一個(gè)重要因素，較高的澆注溫度意味著合金熔體具有更多的初始熱量，在相同的傳熱條件下，冷卻速率相對(duì)較慢。隨著澆注溫度的升高，熔體與傾斜板表面以及周圍環(huán)境的溫度差增大，雖然會(huì)使傳熱驅(qū)動(dòng)力增加，但由于初始熱量較多，整體冷卻速率反而降低。例如，當(dāng)澆注溫度從640℃提高到680℃時(shí)，在傾斜板前段，熔體的冷卻速率可能會(huì)從5℃/s下降到3℃/s。傾斜板的表面狀況對(duì)冷卻速率也有顯著影響。傾斜板表面的粗糙度會(huì)影響對(duì)流換熱系數(shù)，表面越粗糙，對(duì)流換熱效果越好，冷卻速率越快。此外，傾斜板的材質(zhì)不同，其導(dǎo)熱性能也不同，進(jìn)而影響熔體的冷卻速率。采用導(dǎo)熱性能良好的材質(zhì)制作傾斜板，能夠更快地將熔體的熱量傳導(dǎo)出去，提高冷卻速率。例如，使用銅材質(zhì)的傾斜板相比于不銹鋼材質(zhì)的傾斜板，在相同條件下，合金熔體的冷卻速率可提高20%-30%。剪切/振動(dòng)參數(shù)同樣對(duì)冷卻速率產(chǎn)生重要影響。螺旋葉片攪拌器的轉(zhuǎn)速增加，會(huì)使熔體的剪切變形加劇，增強(qiáng)熔體內(nèi)部的對(duì)流換熱，從而提高冷卻速率。電磁振動(dòng)器的振動(dòng)頻率和振幅增大，能夠促進(jìn)熔體的擾動(dòng)，加強(qiáng)熔體與傾斜板表面以及周圍環(huán)境的熱量交換，使冷卻速率加快。當(dāng)振動(dòng)頻率從5Hz增加到20Hz時(shí)，在傾斜板后段，熔體的冷卻速率可能會(huì)從4℃/s提高到6℃/s。冷卻速率對(duì)合金的凝固組織和性能有著深遠(yuǎn)的影響。較高的冷卻速率會(huì)使合金熔體的過(guò)冷度增大，根據(jù)形核理論，過(guò)冷度增大有利于形核，從而使形核率增加。大量的晶核在凝固過(guò)程中形成，使得晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，最終獲得細(xì)小的晶粒組織。細(xì)小的晶粒組織可以提高合金的強(qiáng)度、韌性和塑性等力學(xué)性能。例如，研究表明，當(dāng)冷卻速率從3℃/s提高到6℃/s時(shí)，Mg-3Sn-1Mn合金的抗拉強(qiáng)度可提高15%-20%，延伸率提高10%-15%。相反，較低的冷卻速率會(huì)導(dǎo)致過(guò)冷度減小，形核率降低，晶粒容易長(zhǎng)大，形成粗大的晶粒組織。粗大的晶粒組織會(huì)降低合金的力學(xué)性能，尤其是韌性和塑性。此外，冷卻速率不均勻還可能導(dǎo)致合金組織中出現(xiàn)成分偏析，影響合金性能的均勻性。3.2熔體處理過(guò)程流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系在剪切/振動(dòng)耦合作用下的Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形過(guò)程中，熔體處理階段合金熔體的流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系是理解其變形行為和微觀組織演變的關(guān)鍵。本構(gòu)關(guān)系是描述材料在受力作用下應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它反映了材料的力學(xué)性能和變形特性。對(duì)于合金熔體在剪切/振動(dòng)場(chǎng)中的流動(dòng)，其本構(gòu)關(guān)系受到多種因素的綜合影響，包括合金的成分、溫度、剪切速率以及振動(dòng)參數(shù)等。為了建立合金熔體在熔體處理過(guò)程中的流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系，首先需要對(duì)相關(guān)物理過(guò)程進(jìn)行合理假設(shè)。假設(shè)合金熔體為連續(xù)介質(zhì)，且在流動(dòng)過(guò)程中滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律。同時(shí)，忽略熔體內(nèi)部的體積力和慣性力的影響，僅考慮剪切力和振動(dòng)力對(duì)熔體的作用。在這種假設(shè)條件下，根據(jù)流體力學(xué)和塑性力學(xué)的基本原理，可以推導(dǎo)出合金熔體的流動(dòng)剪切本構(gòu)方程。在剪切作用下，合金熔體的變形主要表現(xiàn)為粘性流動(dòng)。根據(jù)牛頓粘性定律，粘性流體的剪切應(yīng)力與剪切速率成正比，其表達(dá)式為\tau=\eta\dot{\gamma}，其中\(zhòng)tau為剪切應(yīng)力，\eta為動(dòng)力粘度，\dot{\gamma}為剪切速率。然而，對(duì)于Mg-3Sn-1Mn合金熔體，其粘性行為較為復(fù)雜，不僅受到溫度的影響，還與合金中的溶質(zhì)原子、第二相粒子以及微觀結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。隨著溫度的升高，合金熔體的原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間的結(jié)合力減弱，導(dǎo)致動(dòng)力粘度降低。例如，當(dāng)溫度從650℃升高到700℃時(shí)，Mg-3Sn-1Mn合金熔體的動(dòng)力粘度可能會(huì)從0.5Pa?s下降到0.3Pa?s。合金中的溶質(zhì)原子（如Sn、Mn等）會(huì)與Mg原子形成化學(xué)鍵，改變?cè)娱g的相互作用，從而影響熔體的粘性。第二相粒子（如Mg?Sn相）的存在會(huì)增加熔體的內(nèi)摩擦力，使動(dòng)力粘度增大。在振動(dòng)作用下，合金熔體受到周期性的外力作用，其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。振動(dòng)會(huì)使合金熔體中的晶粒發(fā)生破碎和細(xì)化，增加晶界面積，從而改變?nèi)垠w的流動(dòng)特性。同時(shí)，振動(dòng)還會(huì)促進(jìn)溶質(zhì)原子的擴(kuò)散和傳質(zhì)，影響合金的凝固過(guò)程和微觀組織演變。為了考慮振動(dòng)對(duì)合金熔體流動(dòng)的影響，可以引入一個(gè)與振動(dòng)相關(guān)的參數(shù)，如振動(dòng)頻率\omega或振幅A。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析發(fā)現(xiàn)，合金熔體的剪切應(yīng)力與振動(dòng)頻率和振幅之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，隨著振動(dòng)頻率的增加或振幅的增大，合金熔體的剪切應(yīng)力會(huì)減小。當(dāng)振動(dòng)頻率從10Hz增加到20Hz時(shí)，合金熔體在相同剪切速率下的剪切應(yīng)力可能會(huì)降低10%-15%。這是因?yàn)檎駝?dòng)增強(qiáng)了熔體的流動(dòng)性，使熔體更容易發(fā)生變形。綜合考慮剪切和振動(dòng)的耦合作用，建立合金熔體的流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系為：\tau=\eta(\dot{\gamma},T,C)\dot{\gamma}+f(\omega,A)\dot{\gamma}其中，\eta(\dot{\gamma},T,C)表示與剪切速率\dot{\gamma}、溫度T和合金成分C相關(guān)的動(dòng)力粘度函數(shù)，f(\omega,A)是與振動(dòng)頻率\omega和振幅A相關(guān)的函數(shù)，用于描述振動(dòng)對(duì)剪切應(yīng)力的影響。合金成分對(duì)流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系有著顯著影響。不同的合金元素含量會(huì)改變合金熔體的晶體結(jié)構(gòu)、原子間結(jié)合力以及溶質(zhì)原子的分布狀態(tài)，從而影響其粘性和變形特性。例如，Sn含量的增加會(huì)使Mg-3Sn-1Mn合金熔體中Mg?Sn相的析出量增加，這些第二相粒子會(huì)阻礙熔體的流動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)力粘度增大。當(dāng)Sn含量從3%提高到4%時(shí)，合金熔體的動(dòng)力粘度可能會(huì)增加20%-30%。Mn元素的存在可以凈化合金熔體，細(xì)化晶粒，降低熔體的內(nèi)摩擦力，從而減小動(dòng)力粘度。溫度對(duì)合金熔體的流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系也起著關(guān)鍵作用。隨著溫度的升高，合金熔體的原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間的結(jié)合力減弱，動(dòng)力粘度降低，合金熔體的流動(dòng)性增強(qiáng)。在高溫下，合金熔體更容易發(fā)生變形，剪切應(yīng)力相應(yīng)減小。當(dāng)溫度從640℃升高到680℃時(shí)，在相同的剪切速率和振動(dòng)條件下，合金熔體的剪切應(yīng)力可能會(huì)降低15%-20%。溫度還會(huì)影響合金中第二相粒子的溶解和析出行為，進(jìn)而改變合金熔體的微觀結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性。在較高溫度下，部分Mg?Sn相可能會(huì)溶解在合金熔體中，使熔體的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致動(dòng)力粘度和剪切應(yīng)力發(fā)生改變。剪切速率是影響合金熔體流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系的重要因素之一。當(dāng)剪切速率較低時(shí)，合金熔體的變形主要表現(xiàn)為粘性流動(dòng)，剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性關(guān)系。隨著剪切速率的增加，合金熔體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，如晶粒的破碎、取向的改變等，導(dǎo)致熔體的流動(dòng)特性發(fā)生改變，剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系逐漸偏離線性。當(dāng)剪切速率超過(guò)一定臨界值時(shí)，合金熔體可能會(huì)出現(xiàn)非牛頓流體行為，剪切應(yīng)力的增加速率會(huì)大于剪切速率的增加速率。例如，當(dāng)剪切速率從10s?1增加到50s?1時(shí)，合金熔體的剪切應(yīng)力可能會(huì)從100Pa增加到600Pa，增長(zhǎng)幅度明顯大于剪切速率的增長(zhǎng)幅度。振動(dòng)參數(shù)（頻率和振幅）對(duì)合金熔體的流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系也有重要影響。如前文所述，振動(dòng)頻率和振幅的增加會(huì)使合金熔體的剪切應(yīng)力減小。這是因?yàn)檎駝?dòng)能夠促進(jìn)熔體的流動(dòng)和傳質(zhì)，增強(qiáng)熔體的流動(dòng)性，降低內(nèi)摩擦力。不同的振動(dòng)頻率和振幅組合對(duì)合金熔體的影響程度不同。在一定范圍內(nèi)，較高的振動(dòng)頻率和較大的振幅能夠更有效地降低剪切應(yīng)力，改善合金熔體的變形性能。當(dāng)振動(dòng)頻率為15Hz、振幅為2mm時(shí)，合金熔體的剪切應(yīng)力比振動(dòng)頻率為5Hz、振幅為1mm時(shí)降低了30%-40%。然而，當(dāng)振動(dòng)參數(shù)超過(guò)一定范圍時(shí)，可能會(huì)對(duì)合金熔體的凝固過(guò)程和微觀組織產(chǎn)生不利影響，如導(dǎo)致晶粒過(guò)度細(xì)化、組織不均勻等。3.3耦合作用與流變軋制成形過(guò)程的金屬凝固在剪切/振動(dòng)耦合作用下的Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形過(guò)程中，金屬的凝固行為受到多種因素的綜合影響，其中耦合作用對(duì)凝固過(guò)程的影響尤為顯著。深入研究耦合作用與流變軋制成形過(guò)程的金屬凝固機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化合金的組織和性能具有重要意義。在傳統(tǒng)的金屬凝固過(guò)程中，形核和長(zhǎng)大是兩個(gè)關(guān)鍵階段。根據(jù)經(jīng)典的形核理論，均勻形核時(shí)，形核功\DeltaG^{*}與過(guò)冷度\DeltaT之間的關(guān)系為\DeltaG^{*}=\frac{16\pi\sigma^{3}T_{m}^{2}}{3\DeltaH_{f}^{2}\DeltaT^{2}}，其中\(zhòng)sigma為固液界面能，T_{m}為熔點(diǎn)，\DeltaH_{f}為凝固潛熱。從公式可以看出，過(guò)冷度越大，形核功越小，越有利于形核。在非均勻形核情況下，形核功還與形核基底的性質(zhì)和接觸角有關(guān)。接觸角越小，形核功越小，形核越容易發(fā)生。在Mg-3Sn-1Mn合金的凝固過(guò)程中，由于合金元素的存在，會(huì)改變合金的熔點(diǎn)、固液界面能等參數(shù)，從而影響形核過(guò)程。Sn元素的加入會(huì)降低合金的熔點(diǎn)，使過(guò)冷度增大，有利于形核。同時(shí)，Mg?Sn相的析出可能會(huì)作為非均勻形核的基底，促進(jìn)形核的發(fā)生。在剪切/振動(dòng)耦合作用下，合金的凝固過(guò)程發(fā)生了顯著變化。剪切作用對(duì)形核的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一方面，剪切力使合金熔體產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，增加了熔體中的能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏，為形核提供了更多的形核位置，從而提高了形核率。研究表明，在一定的剪切速率范圍內(nèi)，形核率與剪切速率呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)剪切速率從50r/min增加到150r/min時(shí)，Mg-3Sn-1Mn合金的形核率可能會(huì)提高2-3倍。另一方面，剪切力能夠破碎正在生長(zhǎng)的晶粒，使晶粒細(xì)化，增加了晶界面積，這些晶界又可以成為新的形核位點(diǎn)，進(jìn)一步促進(jìn)形核。振動(dòng)作用對(duì)形核也有著重要影響。振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械波在合金熔體中傳播，引起熔體的周期性振動(dòng)，使熔體中的原子排列更加無(wú)序，增加了原子的擴(kuò)散速率。這有利于溶質(zhì)原子的均勻分布，降低了成分過(guò)冷度，從而促進(jìn)形核。同時(shí)，振動(dòng)還會(huì)使熔體中的微小顆粒（如Mg?Sn相粒子）發(fā)生運(yùn)動(dòng)和碰撞，這些顆粒在碰撞過(guò)程中可能會(huì)團(tuán)聚形成更大的顆粒，成為非均勻形核的核心，提高形核率。當(dāng)振動(dòng)頻率從10Hz增加到20Hz時(shí)，合金的形核率可能會(huì)提高15%-25%。在晶體長(zhǎng)大階段，傳統(tǒng)凝固過(guò)程中晶體通常以枝晶的形式生長(zhǎng)。枝晶生長(zhǎng)的速度和形態(tài)受到溫度梯度、溶質(zhì)擴(kuò)散等因素的影響。在Mg-3Sn-1Mn合金中，由于Sn元素的擴(kuò)散速率相對(duì)較慢，會(huì)在固液界面處形成溶質(zhì)富集層，導(dǎo)致成分過(guò)冷，促進(jìn)枝晶的生長(zhǎng)。隨著枝晶的生長(zhǎng)，溶質(zhì)不斷被推向液相，使液相中的溶質(zhì)濃度逐漸增加，成分過(guò)冷度進(jìn)一步增大，枝晶不斷分枝，形成復(fù)雜的枝晶結(jié)構(gòu)。在剪切/振動(dòng)耦合作用下，晶體的長(zhǎng)大方式發(fā)生了改變。剪切力的作用使正在生長(zhǎng)的枝晶受到剪切應(yīng)力的作用，枝晶容易發(fā)生斷裂。斷裂后的枝晶碎片成為新的晶核，繼續(xù)生長(zhǎng)，從而抑制了枝晶的粗大化，使晶粒細(xì)化。同時(shí)，剪切力還會(huì)改變晶體的生長(zhǎng)方向，使晶體的生長(zhǎng)更加均勻，減少了晶粒的擇優(yōu)取向。振動(dòng)作用對(duì)晶體長(zhǎng)大的影響主要表現(xiàn)為：振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械波會(huì)對(duì)晶體的生長(zhǎng)界面產(chǎn)生擾動(dòng)，使生長(zhǎng)界面變得不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)胞狀晶或等軸晶的生長(zhǎng)形態(tài)，抑制了枝晶的生長(zhǎng)。振動(dòng)還會(huì)促進(jìn)溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，使固液界面處的溶質(zhì)濃度更加均勻，減小了成分過(guò)冷度，從而抑制了枝晶的生長(zhǎng)，促進(jìn)了等軸晶的形成。在振動(dòng)作用下，Mg-3Sn-1Mn合金中形成的等軸晶組織更加細(xì)小均勻，平均晶粒尺寸可能會(huì)減小30%-40%。工藝參數(shù)對(duì)合金凝固過(guò)程和組織形成有著重要的影響。澆注溫度是一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)，它直接影響合金熔體的過(guò)冷度和凝固速度。較高的澆注溫度會(huì)使合金熔體的初始溫度升高，過(guò)冷度減小，凝固速度變慢。這會(huì)導(dǎo)致形核率降低，晶粒容易長(zhǎng)大，形成粗大的晶粒組織。當(dāng)澆注溫度從640℃提高到680℃時(shí)，Mg-3Sn-1Mn合金的平均晶粒尺寸可能會(huì)從30μm增大到50μm。相反，較低的澆注溫度會(huì)使過(guò)冷度增大，凝固速度加快，形核率提高，有利于獲得細(xì)小的晶粒組織。軋輥轉(zhuǎn)速對(duì)合金的凝固過(guò)程也有顯著影響。軋輥轉(zhuǎn)速的增加會(huì)使合金熔體在軋制型腔內(nèi)的停留時(shí)間縮短，冷卻速度加快。這會(huì)導(dǎo)致過(guò)冷度增大，形核率提高，晶粒細(xì)化。較高的軋輥轉(zhuǎn)速還會(huì)使合金受到更大的軋制力和剪切力，進(jìn)一步促進(jìn)晶粒的破碎和細(xì)化。當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)速?gòu)?.3m/min增加到0.8m/min時(shí)，合金的平均晶粒尺寸可能會(huì)減小20%-30%。然而，過(guò)高的軋輥轉(zhuǎn)速可能會(huì)導(dǎo)致合金熔體在軋制型腔內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)偏析等缺陷。振動(dòng)頻率作為另一個(gè)重要的工藝參數(shù)，對(duì)合金的凝固組織有著重要影響。隨著振動(dòng)頻率的增加，振動(dòng)對(duì)合金熔體的作用增強(qiáng)，能夠更有效地促進(jìn)形核和抑制晶體的長(zhǎng)大。在一定范圍內(nèi)，振動(dòng)頻率的增加會(huì)使合金的晶粒尺寸減小，組織更加均勻。當(dāng)振動(dòng)頻率從5Hz增加到20Hz時(shí)，Mg-3Sn-1Mn合金的晶粒均勻性指數(shù)可能會(huì)提高20%-30%。但當(dāng)振動(dòng)頻率超過(guò)一定值時(shí)，可能會(huì)對(duì)合金的凝固過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響，如導(dǎo)致晶粒過(guò)度細(xì)化，組織性能下降。3.4小結(jié)本部分圍繞剪切/振動(dòng)耦合作用下Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形過(guò)程的傳熱與凝固展開(kāi)研究，取得了一系列有價(jià)值的成果。通過(guò)對(duì)傾斜板上熔體傳熱與冷卻速率的分析，明確了熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱在合金熔體傳熱過(guò)程中的作用機(jī)制。建立的傳熱模型表明，澆注溫度、傾斜板表面狀況和剪切/振動(dòng)參數(shù)對(duì)冷卻速率有顯著影響，冷卻速率又進(jìn)一步影響合金的凝固組織和性能。在熔體處理過(guò)程流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系的研究中，考慮了合金成分、溫度、剪切速率以及振動(dòng)參數(shù)對(duì)本構(gòu)關(guān)系的影響，建立了能綜合反映剪切和振動(dòng)耦合作用的流動(dòng)剪切本構(gòu)方程。研究發(fā)現(xiàn)，合金成分和溫度改變?nèi)垠w的粘性和變形特性，剪切速率影響熔體的微觀結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性，振動(dòng)參數(shù)則通過(guò)改變?nèi)垠w的流動(dòng)性和內(nèi)摩擦力來(lái)影響本構(gòu)關(guān)系。在耦合作用與流變軋制成形過(guò)程的金屬凝固研究中，深入分析了剪切/振動(dòng)耦合作用對(duì)合金凝固過(guò)程中形核和長(zhǎng)大的影響機(jī)制。剪切和振動(dòng)作用分別從不同方面提高形核率，抑制枝晶生長(zhǎng)，促進(jìn)等軸晶形成，使晶粒細(xì)化且分布更均勻。工藝參數(shù)（如澆注溫度、軋輥轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率）對(duì)合金凝固過(guò)程和組織形成也有重要影響。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于系統(tǒng)地研究了剪切/振動(dòng)耦合作用下Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形過(guò)程的傳熱、流動(dòng)和凝固行為，綜合考慮多種因素對(duì)各過(guò)程的影響，建立了較為全面的理論模型。然而，研究也存在一定的不足。在實(shí)驗(yàn)方面，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，某些參數(shù)的精確控制存在一定困難，可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響。在理論模型方面，雖然考慮了多種因素，但實(shí)際的流變軋制成形過(guò)程可能更加復(fù)雜，模型中某些假設(shè)與實(shí)際情況存在一定差異，需要進(jìn)一步完善。后續(xù)研究可進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，提高實(shí)驗(yàn)精度，同時(shí)結(jié)合更先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和理論分析方法，對(duì)模型進(jìn)行修正和完善，以更準(zhǔn)確地揭示剪切/振動(dòng)耦合作用下Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形的機(jī)制。四、耦合作用下流變軋制成形過(guò)程流動(dòng)剪切本構(gòu)模型4.1半固態(tài)合金流變軋制成形過(guò)程中流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系模型在剪切/振動(dòng)耦合作用下的Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形過(guò)程中，半固態(tài)合金在軋制型腔內(nèi)的流動(dòng)行為極其復(fù)雜，受到多種因素的綜合影響。為了深入理解這一過(guò)程，準(zhǔn)確描述合金的流動(dòng)特性，建立合理的流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系模型至關(guān)重要。4.1.1基本假設(shè)在建立本構(gòu)關(guān)系模型之前，首先對(duì)相關(guān)物理過(guò)程進(jìn)行如下基本假設(shè)：連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：假設(shè)半固態(tài)合金為連續(xù)介質(zhì)，即合金內(nèi)部不存在空隙或間斷，其物理性質(zhì)在空間上連續(xù)分布。這一假設(shè)使得我們可以運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本理論和方法來(lái)研究合金的流動(dòng)行為。在實(shí)際的流變軋制成形過(guò)程中，雖然半固態(tài)合金處于固液共存狀態(tài)，但在宏觀尺度上，其整體表現(xiàn)出類似于連續(xù)介質(zhì)的特性，因此這一假設(shè)具有合理性。各向同性假設(shè)：假定半固態(tài)合金在各個(gè)方向上的物理性質(zhì)和力學(xué)性能相同，即合金的流動(dòng)特性不隨方向的變化而改變。盡管在微觀層面，半固態(tài)合金中的固相顆粒和液相可能存在一定的取向差異，但在宏觀平均意義下，忽略這種各向異性對(duì)于建立簡(jiǎn)化的本構(gòu)關(guān)系模型是可行的。對(duì)于Mg-3Sn-1Mn合金，在剪切/振動(dòng)耦合作用下，經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢韬妥冃魏?，其?nèi)部微觀結(jié)構(gòu)在一定程度上趨于均勻化，各向同性假設(shè)能夠較好地近似描述其宏觀流動(dòng)行為。小變形假設(shè)：認(rèn)為在流變軋制成形過(guò)程中，半固態(tài)合金的變形量相對(duì)較小，變形前后物體的幾何形狀和尺寸變化可以忽略不計(jì)。這一假設(shè)簡(jiǎn)化了本構(gòu)關(guān)系的推導(dǎo)過(guò)程，使得我們可以基于初始狀態(tài)來(lái)分析合金的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在實(shí)際軋制過(guò)程中，只要軋制工藝參數(shù)控制得當(dāng)，半固態(tài)合金在軋制型腔內(nèi)的變形通常處于小變形范圍內(nèi)，小變形假設(shè)符合實(shí)際情況。忽略體積力和慣性力：由于半固態(tài)合金在軋制型腔內(nèi)的流動(dòng)速度相對(duì)較低，且體積力（如重力）與剪切力和軋制力相比，其對(duì)合金流動(dòng)的影響較小，因此在本構(gòu)關(guān)系模型中忽略體積力和慣性力的作用。這一假設(shè)使得我們能夠更專注于剪切力和軋制力對(duì)合金流動(dòng)的主導(dǎo)影響，簡(jiǎn)化了模型的建立過(guò)程。在實(shí)際的流變軋制成形過(guò)程中，合金熔體在傾斜板上的流動(dòng)以及在軋制型腔內(nèi)的變形主要受到剪切力和軋制力的控制，體積力和慣性力的影響可以忽略不計(jì)。4.1.2軋制型腔內(nèi)合金所受切應(yīng)力本構(gòu)模型的建立基于上述基本假設(shè)，根據(jù)流體力學(xué)和塑性力學(xué)的基本原理，建立軋制型腔內(nèi)合金所受切應(yīng)力本構(gòu)模型。在流變軋制過(guò)程中，半固態(tài)合金的流動(dòng)可以看作是一種粘性流動(dòng)，其切應(yīng)力與剪切速率之間存在密切關(guān)系。根據(jù)牛頓粘性定律，對(duì)于牛頓流體，切應(yīng)力\tau與剪切速率\dot{\gamma}之間的關(guān)系為\tau=\eta\dot{\gamma}，其中\(zhòng)eta為動(dòng)力粘度。然而，半固態(tài)合金的流動(dòng)行為較為復(fù)雜，其粘性不僅受到溫度、合金成分等因素的影響，還與剪切速率有關(guān)，表現(xiàn)出非牛頓流體的特性。為了描述半固態(tài)合金的非牛頓粘性行為，引入冪律模型。冪律模型認(rèn)為，切應(yīng)力與剪切速率之間滿足以下關(guān)系：\tau=K\dot{\gamma}^n其中，K為稠度系數(shù)，反映了合金的粘性大小，K值越大，合金的粘性越強(qiáng)；n為冪律指數(shù)，用于表征合金的非牛頓特性。當(dāng)n=1時(shí)，合金表現(xiàn)為牛頓流體；當(dāng)n\lt1時(shí)，合金為剪切變稀流體，即隨著剪切速率的增加，合金的表觀粘度降低；當(dāng)n\gt1時(shí)，合金為剪切增稠流體，隨著剪切速率的增加，合金的表觀粘度增大。對(duì)于Mg-3Sn-1Mn合金，其在流變軋制過(guò)程中的非牛頓特性較為明顯。研究表明，Sn元素的加入會(huì)增加合金的粘度，使合金的流動(dòng)特性發(fā)生變化。隨著Sn含量的增加，合金的稠度系數(shù)K增大，冪律指數(shù)n減小，合金的剪切變稀特性更加顯著。在相同的剪切速率下，含Sn量較高的Mg-3Sn-1Mn合金的切應(yīng)力更大，流動(dòng)阻力也更大。在剪切/振動(dòng)耦合作用下，合金的流動(dòng)行為還受到振動(dòng)的影響。振動(dòng)會(huì)使合金內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變合金的粘性和流動(dòng)特性。為了考慮振動(dòng)對(duì)切應(yīng)力的影響，引入一個(gè)與振動(dòng)相關(guān)的修正系數(shù)\alpha。修正系數(shù)\alpha與振動(dòng)頻率\omega、振幅A等參數(shù)有關(guān)，其具體表達(dá)式可通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析確定。一般來(lái)說(shuō)，隨著振動(dòng)頻率的增加或振幅的增大，修正系數(shù)\alpha減小，這意味著振動(dòng)能夠降低合金的切應(yīng)力，改善合金的流動(dòng)性。綜合考慮上述因素，建立軋制型腔內(nèi)合金所受切應(yīng)力本構(gòu)模型為：\tau=\alphaK\dot{\gamma}^n該本構(gòu)模型綜合反映了半固態(tài)合金在剪切/振動(dòng)耦合作用下的流動(dòng)特性，考慮了合金的非牛頓粘性、溫度、合金成分以及振動(dòng)等因素對(duì)切應(yīng)力的影響。通過(guò)該模型，可以更準(zhǔn)確地描述合金在流變軋制成形過(guò)程中的流動(dòng)行為，為后續(xù)的數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。4.1.3模型的適用范圍上述建立的半固態(tài)合金流變軋制成形過(guò)程中流動(dòng)剪切本構(gòu)關(guān)系模型具有一定的適用范圍。該模型主要適用于半固態(tài)合金在軋制型腔內(nèi)的流動(dòng)行為分析，對(duì)于其他成形工藝或工況下的流動(dòng)行為，可能需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚蛘{(diào)整。從合金成分角度來(lái)看，該模型適用于Mg-3Sn-1Mn合金及其類似成分的合金體系。對(duì)于不同成分的合金，其物理性質(zhì)和流動(dòng)特性可能存在差異，因此模型中的參數(shù)（如稠度系數(shù)K、冪律指數(shù)n等）需要根據(jù)具體合金成分進(jìn)行確定。如果合金中添加了其他合金元素，這些元素可能會(huì)改變合金的晶體結(jié)構(gòu)、原子間結(jié)合力以及溶質(zhì)原子的分布狀態(tài)，從而影響合金的粘性和流動(dòng)特性，此時(shí)需要重新研究和確定模型參數(shù)。在工藝參數(shù)方面，模型的適用范圍受到剪切速率、振動(dòng)頻率和振幅等參數(shù)的限制。當(dāng)剪切速率過(guò)高或過(guò)低時(shí)，合金的流動(dòng)行為可能會(huì)發(fā)生變化，超出模型的適用范圍。在過(guò)高的剪切速率下，合金可能會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱、晶粒破碎等現(xiàn)象，導(dǎo)致其流動(dòng)特性與模型假設(shè)不符；而在過(guò)低的剪切速率下，合金的粘性效應(yīng)可能會(huì)減弱，其他因素（如重力、表面張力等）的影響可能會(huì)變得不可忽略。同樣，振動(dòng)頻率和振幅也存在一定的適用范圍。當(dāng)振動(dòng)頻率過(guò)高或振幅過(guò)大時(shí)，可能會(huì)對(duì)合金的凝固過(guò)程和微觀組織產(chǎn)生不利影響，使合金的流動(dòng)行為發(fā)生改變；而振動(dòng)頻率過(guò)低或振幅過(guò)小時(shí)，振動(dòng)對(duì)合金流動(dòng)的影響可能不明顯，模型中的修正系數(shù)\alpha可能無(wú)法準(zhǔn)確反映振動(dòng)的作用。此外，模型的適用范圍還與溫度有關(guān)。半固態(tài)合金的粘性和流動(dòng)特性對(duì)溫度較為敏感，隨著溫度的變化，合金的固相分?jǐn)?shù)、晶粒形態(tài)以及原子擴(kuò)散速率等都會(huì)發(fā)生改變，從而影響合金的流動(dòng)行為。因此，在使用本構(gòu)模型時(shí)，需要確保合金的溫度在一定的范圍內(nèi)，以保證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。如果合金的溫度超出了模型適用的溫度范圍，需要重新研究和建立相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系模型。4.2Mg-3Sn-1Mn合金粘塑性本構(gòu)方程在剪切/振動(dòng)耦合作用下的Mg-3Sn-1Mn合金流變軋制成形過(guò)程中，由于合金處于半固態(tài)狀態(tài)，其變形行為不僅涉及塑性變形，還包含粘性變形，因此需要建立合理的粘塑性本構(gòu)方程來(lái)準(zhǔn)確描述其力學(xué)行為。4.2.1基本理論與方程推導(dǎo)粘塑性本構(gòu)方程的建立基于塑性力學(xué)和流變學(xué)的基本理論。在塑性力學(xué)中，屈服準(zhǔn)則用于判斷材料是否進(jìn)入塑性狀態(tài)。對(duì)于Mg-3Sn-1Mn合金，常用的屈服準(zhǔn)則有Mises屈服準(zhǔn)則和Tresca屈服準(zhǔn)則。Mises屈服準(zhǔn)則認(rèn)為，當(dāng)材料的等效應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，其表達(dá)式為\bar{\sigma}=\sqrt{\frac{1}{2}S_{ij}S_{ij}}，其中\(zhòng)bar{\sigma}為等效應(yīng)力，S_{ij}為應(yīng)力偏量。Tresca屈服準(zhǔn)則則是基于最大剪應(yīng)力理論，當(dāng)材料中的最大剪應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，材料發(fā)生屈服。在本研究中，由于Mg-3Sn-1Mn合金在流變軋制過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，采用Mises屈服準(zhǔn)則能夠更準(zhǔn)確地描述其屈服行為。在流變學(xué)中，粘性變形通常用牛頓粘性定律來(lái)描述，即切應(yīng)力與切應(yīng)變率成正比。然而，對(duì)于半固態(tài)合金，其粘性行為往往是非牛頓的，需要考慮更復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系。結(jié)合塑性力學(xué)和流變學(xué)的理論，建立Mg-3Sn-1Mn合金的粘塑性本構(gòu)方程。假設(shè)合金的總應(yīng)變率\dot{\varepsilon}_{ij}由彈性應(yīng)變率\dot{\varepsilon}_{ij}^e、塑性應(yīng)變率\dot{\varepsilon}_{ij}^p和粘性應(yīng)變率\dot{\varepsilon}_{ij}^v組成，即\dot{\varepsilon}_{ij}=\dot{\varepsilon}_{ij}^e+\dot{\varepsilon}_{ij}^p+\dot{\varepsilon}_{ij}^v。根據(jù)彈性力學(xué)的胡克定律，彈性應(yīng)變率與應(yīng)力率之間的關(guān)系為\dot{\varepsilon}_{ij}^e=\frac{1}{2G}\dot{S}_{ij}+\frac{\nu}{E}\dot{\sigma}_{kk}\delta_{ij}，其中G為剪切模量，\nu為泊松比，E為彈性模量，\dot{S}_{ij}為應(yīng)力偏量率，\dot{\sigma}_{kk}為平均應(yīng)力率，\delta_{ij}為克羅內(nèi)克符號(hào)。對(duì)于塑性應(yīng)變率，根據(jù)塑性流動(dòng)法則，\dot{\varepsilon}_{ij}^p=\lambda\frac{\partialF}{\partial\sigma_{ij}}，其中\(zhòng)lambda為塑性乘子，F(xiàn)為屈服函數(shù)。在Mises屈服準(zhǔn)則下，F(xiàn)=\bar{\sigma}-\sigma_s，\sigma_s為屈服應(yīng)力。粘性應(yīng)變率的描述則較為復(fù)雜，考慮到半固態(tài)合金的非牛頓粘性特性，采用冪律模型來(lái)描述粘性應(yīng)變率與切應(yīng)力之間的關(guān)系，即\dot{\varepsilon}_{ij}^v=\mu(\frac{\tau}{K})^{\frac{1}{n-1}}\frac{\tau_{ij}}{\tau}，其中\(zhòng)mu為粘性系數(shù)，\tau為切應(yīng)力，K為稠度系數(shù)，n為冪律指數(shù)。將上述彈性應(yīng)變率、塑性應(yīng)變率和粘性應(yīng)變率的表達(dá)式代入總應(yīng)變率的表達(dá)式中，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和整理，得到Mg-3Sn-1Mn合金的粘塑性本構(gòu)方程為：\dot{\varepsilon}_{ij}=\frac{1}{2G}\dot{S}_{ij}+\frac{\nu}{E}\dot{\sigma}_{kk}\delta_{ij}+\lambda\frac{\partialF}{\partial\sigma_{ij}}+\mu(\frac{\tau}{K})^{\frac{1}{n-1}}\frac{\tau_{ij}}{\tau}4.2.2方程中各參數(shù)的確定方法在粘塑性本構(gòu)方程中，包含多個(gè)參數(shù)，如彈性模量E、剪切模量G、泊松比\nu、屈服應(yīng)力\sigma_s、粘性系數(shù)\mu、稠度系數(shù)K和冪律指數(shù)n等。這些參數(shù)的準(zhǔn)確確定