高壓鑄造、擠鑄、雙滾軋鑄造、和鋼鐵連續鑄造中的輕壓等製程藉由施加壓力於半固態合金來減少鑄造孔洞率。然而各種應力誘發鑄造缺陷－例如宏觀偏析以及剪切開裂－容易在這些製程中產生。因此為了增進鑄造產能，需要對半固態合金變形機制有更深入的了解。為了定量化和再現半固態合金的流變行為轉換，本研究結合臨場同步輻射X光造影半固態鋁銅合金剪切實驗，和晶格波茲曼法(Lattice Boltzmann Method, LBM)-離散元素法(Discrete Element Method, DEM)之二相耦合模型來了解半固態合金變形機制(圖一)。
本研究分析17組臨場同步輻射X光造影實驗數據集，直接觀察38%－85%體積固相分率的鋁銅合金薄試片受10-4 − 10-1 s-1剪切速率剪切之反應(圖二a-i)。依照所測試的體積分率和剪切速率之不同，可呈現懸浮液、剪切誘發壓縮、剪切誘發膨脹、和剪切開裂等四種主要的行為。本研究進一步用二相耦合模型製造各類初始二維固相分率(77%－95%)的半固態材料，藉由將實際試片之微結構和剪切實驗邊界條件數位化至LBM-DEM二相耦合模型，可再現出三項流變行為轉換：(i)從懸浮液至晶體堆疊，其臨界固相分率與球狀等軸晶的枝晶相干點有關；(ii)從剪切誘發壓縮至誘發膨脹，其趨勢可用臨界態土壤力學與初晶鋁黏塑性解釋；以及(iii)從剪切誘發膨脹至剪切開裂，說明高固相分率與剪切速率促使晶粒間隙內部壓力下降(圖二i-j)。這些行為轉換的研究結果可以幫助最佳化先進鑄造製程的溫度、壓力強化、填料速度等參數與鑄型設計，以避免外加應力誘發鑄造缺陷的產生。（材料系蘇德徵教授提供）
圖一、 (a)臨場同步輻射造影剪切實驗的示意圖。X光穿透方向垂直入紙面，黃色方框則代表觀測視野。(b)液/固雙相耦合模型製成液態飽和之二維晶粒堆疊試片，其堆疊受到模擬推板與氧化膜（紅色部分）包圍。(c)LBM-DEM二相耦合模型的放大圖。
圖二、(a-h)臨場觀察四類半固態合金流變行為：(a-b)懸浮液、(c-d)剪切誘發壓縮、(e-f)剪切誘發膨脹、(g-h)剪切開裂。(i)四類流變行為與固相分率、剪切速率的關係。(j)LBM-DEM二相耦合模型再現半固態合金流變行為轉換。