（钢铁冶金专业论文）超声波对金属凝固特性及组织影响的研究.pdf

上海大学博士学位论文 超声波对金属凝固特性及组织影响的研究 摘要 传统导入方式的超声波处理虽然能够显著改善金属凝固组织和强化金属材料性能， 但是由于存在诸多缺点，比如容易卷入夹杂物、对于高温合金的操作困难等，使得该技 术在工业应用上有很大的难度。本文采用自主研发的“自吸式变幅杆”超声侧部导入技 术，解决了超声波导入难题，并研究了该超声处理技术对铝基和铁基合金凝固特性、组 织和性能的影响，探讨了其中的基础理论问题。 为了探索超声波侧部导入处理工艺的可行性，本文首先采用此技术处理了低熔点亚 共晶a l - 7 3 s i 合金，系统研究了此工艺对合金凝固特性和组织的影响。采用微分热分 析方法对合金的凝固初始温度、共晶反应温度和时间进行了分析。研究表明，2 0 0 w 超 声波处理对熔体的凝固初始温度影响小，随着输入的超声波功率进一步提高到6 0 0 w 后，合金的凝固初始温度发生大幅度降低，对应于宏观组织细化和初生n 相形貌的显著 改善。超声波功率从0 w 变化到7 0 0 w 时，平均晶粒尺寸与输入的超声波功率呈负指数 递减规律。本文考察了超声波处理对材料力学性能的影响，结果表明超声波处理提高了 该合金的抗拉强度和延伸率。 为了探讨超声波处理对高熔点合金的影响，本文选用成分简单的二元铁碳合金 ( t 1 0 钢) 为研究材料，结合超声波侧部导入工艺分析超声波对高熔点合金凝固特性和 组织的影响。微分热分析结果表明，功率小于3 0 0 w 时，超声波处理对凝固初始温度基 本没有影响。随着输入功率的提高，凝固初始温度逐渐降低。组织结果显示，随着超声 波功率的提高t 1 0 钢晶粒细化程度越发明显，分布更加均匀。力学性能测试结果显示， 超声波处理后试样抗拉强度增大，延伸率提高。断口扫描结果表明，超声波处理使断口 的断裂特征由典型的脆性断裂逐渐转变为准解理断裂。 在上述研究基础上，结合企业需求，深入研究了不同超声波功率处理对1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢凝固过程、组织及性能的影响。微分热分析显示，随着超声波处理功率的 增大，熔体的凝固初始温度逐渐降低，凝固时间缩短，包晶反应温度也随着超声波功率 的提高而降低，而且包晶反应前期近平衡凝固时间随着功率的提高大大缩短。通过数学 上海大学博士学位论文 分析定量的得到超声波处理过程凝固初始温度与功率的关系。随后采用e b s d 电子背散 射衍射技术对晶界和晶粒内部缺陷进行分析。结果表明，超声波处理增加了组织中的晶 界、亚晶界面积和位错密度，并且随着输入功率的提高，凝固组织发生由柱状晶向等轴 晶的转交。功率从0 w 到7 0 0 w ，输入功率与奥氏体相含量呈线性递增关系，7 0 0 w 超 声波处理时组织近似为全奥氏体。分析了超声波处理对奥氏体不锈钢微观组织的影响。 结果显示，随着超声波功率的提高发生了柱状枝晶向等轴晶或球形晶的转变，相应的二 次枝晶臂间距变小。通过e d s 能谱技术测试了不锈钢中主要元素在不同位置的分布， 结果表明施加超声波加速了固液界面前沿的溶质扩散，减小溶质富集边界层厚度，从 而降低了合金元素偏析。力学性能测试结果表明，超声波处理对不锈钢试样的延伸率影 响不大，但能显著提高合金抗拉强度。对合金抗拉强度沿着超声波传播距离上的衰减进 行分析，表明合金抗拉强度与传播距离呈负指数递减关系。抗腐蚀性测试显示超声波处 理提高了奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能。 结合凝固理论和声学理论，对超声波处理细化机理进行了系统分析。分析表明空化 气泡在膨胀过程导致微区过冷和气泡闭合形成的高压提高了合金形核速率，使组织细 化。而气泡闭合形成的强冲击力造成的型壁晶粒剥落、超声波处理后熔体内热起伏造成 枝晶臂颈部熔断也有效地促进了凝固组织的进一步细化。分析了超声波作用对金属理论 结晶温度的影响，推导出了超声波处理下合金理论结晶温度与超声波功率的数学关系 式，并根据实验所测的金属凝固初始温度，得到超声波处理后合金过冷度增大。结合牛 顿冷却模型和流体学理论，推导了超声波处理条件下金属冷却速率与超声波功率和处理 时间的关系。 建立了凝固熔体中的超声波传播过程的“衰减模型”，探讨了超声波衰减与传播距 离和熔体实时温度的数学关系。采用自主研发的超声波衰减测试设备采集了亚共晶a 1 7 3 s i 合金凝固过程中不同温度和传播距离下的衰减值，得到衰减分布函数。通过实验 数据对“衰减”模型进行验证，表明理论模型和实验结果相符。 关键词：超声波；凝固特性；凝固组织；铝合金；t 1 0 钢；不锈钢 上海大学博士学位论文 r e s e a r c ho fu l t r a s o n i ct r e a t m e n to ns o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d s t r u c t u r eo fm e t a l s ni sw e l lk n o w nt h a tu l t r a s o n i ci r e a t m e n tc 锄r e f i n es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ee f f e c t i v e l ya n d s t r e n g t h e nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e t a l s s o w e w c l , d u et os o m ed i s a d v a n t a g e so ft h e t r a d i t i o n a lu l t r a s o n i ci r e a t m e n tp r o c e s s , s u c ha si n c l u s i o ni m m i x t u r e , d i f f i c u l tm a n i p u l a t i o nt o h i g h - m e l t i n gm e t a l sa n ds oo n , t h ea p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i ct r e a t m e n ti nt h ei n d u s t r yf i e l dh a s g r e a td i f f i c u l t i e s an o v e lu l t r a s o n i ct r e a t m e n tp r o c e s s ，i e u l t r a s o n i cs i d e - i n t r o d u c e dt e c h n o l o g y w i t h s e l f - 删o na m p l i t u d er o d i sd e v e l o p e dt os o l v et h ep r o b l e m so f t r a d i t i o n a lu l t r a s o n i c t r e a l r n e n ta n de x t e n di t s 印p l i c a d o l l s 1 ka i mo ft h i sw o r ki st os y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t ei t s a p p l l 洲o n t om e t a ls o l i d i f i c a t i o n i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ef e a s i b i l i t yo f s i d e - i n t r o d u c e du l w a s o n i ct r e a t m e n t , w ee x a m i n e d t h ee f f e c t so f u l t r a s o n i ct r e a t m e n to ns o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r eo f l o w - m e l t i n g j u 7 3 s ia l l o y d i f f e r e n t i a lh e a ta n a l y s i sm e t h o di ss e l e c t e df o rm e a s u r i n gs o l i d i f i c a t i o ni n i t i a l t e m p e r a t u r e , e u t e c t i cr e a c t i o nt e m p e r a t u r em a dt i m eo fa 1 7 3 s ia l l o yd u r i n gs o l i d i f i c a t i o n 硼 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ts o l i d i f i c a t i o ni n i t i a lt e m p e r a t u r eo f t h em e l th a sf e wc h a n g e s u n t i lt h ei n p u t t i n gu l t r a s o n i cp o w e rr e a c h e s6 0 0 w w i mt h ef u r t h e ri n c r e a s eo f u l t r a s o n i cp o w e r , s o l i d i f i c a t i o ni n i t i a lt e m p e r a t u r ei sd e c r e a s e d , c a u s i n gg r a mr e f i n e m e n ta n dm o r p h o l o g y d e v e l o p m e n to f p r i m a r yap h a s e f r o mo wt o7 0 0 w , a v e r a g e 咖s i z ec e nb ee x p r e s s e d a st h e n e g a t i v ee x p o n e n t i a lo fu l t r a s o n i cp o w e r m e c h a n i c a lt e s t ss h o wt h a tb o t ht e n s i l es t r 嘲ha n d e l o n g a t i o np e r c e n t a g ea l ee n h a n c e d n e x t , w ee v a l u a t et h ec o n t r i b u t i o no f u l t r a s o n i ct r e a t m e n to ns o l i d i f i 蒯o nc h a r a c t e r i s t i c s a n ds t r u c t u r eo f h i g h - m e l t i n gt i os t e e l r e s u l t so f d i f f e r e n t i a lh e a ta n a l y s i ss h o wt h a to n c et h e u l t r a s o n i cp o w e ri sb e y o n d3 0 0 w ，s o l i d i f i c a t i o ni n i t i a l t e m p e r a t u r ed e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e m e n to fu l t r a s o n i cp o w e r m i c r o s t r u c t u r es t u d yo ft 1 0s t e e lr e v e a l st h a tu l t r a s o n i c i r e a l l n e n tr e s u l t si nd r a s t i cr e f i n e m e n to f 孕a i nw i t hm o l eu n i f o r md i s t r i b u t i o n n l es i g n i f i c a n t s t r u c t u r ev a r i a t i o no b v i o u s l yh a s 缸e f f e c to nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s m e c h a n i c a lt e s t m 上海大学博士学位论文 d e m o n s t r a t e st h a tu l l r a s o n i et r e a l m e n tc a l li m p r o v eb o t ht e n s i l es t r e n g t ha n dd u c t i l i t y r e m a r k a b l y f u r t h e r m o r e , f i a c t t l r ec h 越 a e t e r i s t i c s o fs a m p l e s 黜t r a n s f o r m e df r o mb r i t t l e f r a c t u r et oq u a s i - c l e a v a g ef i a c t u l r e b a s e do nt h ea b o v ei n v e s t i g a t i o n , w ei n v e s t i g a t et h ee f f e c to fu l l r a s o n i et r e a l m e n to n s o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s m l c t u l - ea n dp r o p e r t i e so f1 c r l 8 n i g t ia u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e ls o 船t om e e tt h ed e m a n do ft h ei n d u s t r yf i e l d t h ed i f f e r e n t i a lh e a ta n a l y s i ss u g g e s t st h a tt h e s o l i d i f i c a t i o ni n i t i a lt e m p e r a t u r ed e c r e a s e sa n ds o l i d i f i c a t i o nt i m es h o r t e n sw i t ht h ea p p l i c a t i o n o f u l t r a s o n i cd u r i n gs o l i d i f i c a t i o n t h ea p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i ct r e a t m e n to ni c r l 8 n i 9 t ia l s o m a k e st h ep e r i t e e t i cr e a c t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e t h er e l a t i o nb e t w e e ns o f i d i f i c a t i o ni n i t i a l t e m p e r a t u r ea n du l t r a s o n i cp o w e ri sq u a n t i t a t i v e l yd e t e r m i n a t e a n a l s i sr e s u l t so fe b s ds h o w t h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f u l w a s o n i cp o w e r , i m p o r t a n ts l r u c t u r ec h a n g e so c c u rw i t ht h ee q u i a x e d g r a i nb e i n gs u b s t i t u t e df o rc o l u m no n e m o r e o v e r , n o to n l yt h ea r e ao fg r a i na n ds u b g r a i n b o u n d a r y , b u ta l s ot h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yi n c r e a s e s f r o mo w t o7 0 0 w , a u s t e n i t ec o n t e n ti s r a t i ot ol i n e a ri n c r e a s eo fu l t r a s o n i cp o w e r w h e nt h ep o w e ri s7 0 0 w , t h es l r u c t u r ei sa l m o s t a u s t e n i t ep h a s e m e a n w h i l e , t h ei n v e s t i g a t i o no ft h ee f f e c to fu l t r a s o n i ct r e a t m e n to n m i c r o s t r u c t u r eo f1 c r l 8 n i 9 t ii sc a r r i e do u t u l t r a s o n i ct r e a t m e n tp l a y st h er o l ei nt h ec o l u m n - e q u i a x e dd e n d r i t et r a n s f o r m a t i o n a c c o r d i n gt oe d sr e s u l t s ，w ee x h i b i tt h ed i s l r i b u t i o no f m a i n e l e m e n t si nd i f f e r e n tp o s i t i o n s i ti sf l l r t h e rr e v e a l e dt h a tu l t r a s o n i cs u b s t a n t i a l l ys u p p r e s s e dt h e z o n a ls e g r e g a t i o no fc ra n dn id u et ot h ea c c e l e r a t i o no fs o l u t ed i f f u s i o ni nt h ef r o n to f s o l i d l i q u i ds u r f a c e ，w h i c hl e a d st ot h ed e c r e a s eo fs o l u t eb o u n d a r yl a y e rt h i c k n e s s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fm e e b 姐i c a lp r o p e r t i e si n d i c a t et h a tt h eu l w a s o n i el x e a t m e n ti m p r o v e s t e n s i l es t r e n g t hr e m a r k a b l ya n ds l i g h t l yi n c r e a s e se l o n g a 矗o np e r c e n t a g eo f1 c r l 8 n i 9 t i a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l t e n s i l es t r e n g t h 锄b ee x p r e s s e da st h en e g a t i v ee x p o n e n t i a lo f p r o p a g a t i o nd i s t a n c eo f u l w a s o n i e i na d d i t i o n , t h es t a i n l e s ss t e e lh a sb e t t e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a f t e r u l t r a s o n i cl r e a l m e n t s o nt h eb a s i so ft h es o l i d i f i e a t i o na n da c o u s t i ct h e o r y , t h er e f i n e m e n tm e c h a n i s mo f u l t r a s o n i ct a e a l r n e n t d u r i n gs o f i d i f i c a t i o n i sd i s c u s s e d i ti si n d i c a t e dt h a tm i c r o - a r e a s u p e r c o o l i n gd l m n gc a v i t a t i o nb u b b l ee x p a n s i o na n db i g hp i 锚s u r ci n d u c e db yb u b b l ec l o s e g i v er i s et ot h ei n c r e a s eo fn u c l e a t i o nr a t eo fm e l t s , c a u s i n gt h er e f i n e m e n to fs t r u c t u r e i n a d d i t i o n , s h o c kf o r c eg e n e r a t e db yc a v i t a t i o nb u b b l ea n dh e a tp u l s ec a u s e db yu l t r a s o n i ca l s o m a k eg r e a tc o n l r i b u t i o n st oi m p r o v ed e n d r i t em o r p h o l o g ya n dr e f i n e m e n ts m l c t u r e t h ee f f e c t 上海大学博士学位论文 o f u l t r a s o n i ct r e a t m e n to nt h e o r yc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo f t h em e m li ss t u d i e d c a l c u l a t i o n s h o w st h a tt h e o r yc r ”；t a m 删o nt e m p e r a t u r er i s e sa i d e rt h ea p p l i c a t i o no f u l l r a s o n i ct r c a 缸n c n t a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f s o l i d i f i c a t i o ni n i t i a lt e m p e r a t u r e , i tc o nb ec o n c l u d e d t h a tu l t r a s o n i ct r c a h - n c n tc a u s e st h ei n c r e a s eo fd c g r c co fs u p c r c o o l i n 吕b ym e a n so fn e w t o n c o o l i n gm o d e la n df l u i d i c s , w ea n a l y z et h er e l a t i o nb e t w c e nc o o l i n g r a t ea n du l t r a s o n i cp o w e r a t t e n u a t i o nm o d e lo fu l 仃a s o n i cp r o p a g a t e di n t ot h el i q u i dm e t a li sb u i l tt or e v e a lt h e m a t h e m a t i cr e l a t i o na m o n gu l t r a s o n i ca t t e n u a t i o n , p r o p a g a t i o nd i s t a n c ea n dm e l tt e m p e r a t u r e m e a n w h i l e , i nv i r t u eo fs e l f - d e v e l o p e da t t e n u a t i o n - t e s t i n gd e v i c e , w ec o l l e c t u l t r a s o n i c a t t e n u a t i o no f a l - 7 3 s ia l l o yw i t hd i f f e r e n tp r o p a g a t i o nd i s t a n c e sd u r i n gs o l i d i f i c a t i o na n df i t t h ef u n c t i o no f a t t e n u a t i o nd i s t r i b u t i o no f t h ea l l o y v e r i f i c a t i o ni x ! t w e e l lt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s a n dt h et h e o r y m o d e ls h o w st h a tt h e y 黜i i lg o o da g r c m 1 c n tw i t he a c ho t h 盯 k e yw o r d s ：u l w a s o n i c ；s o l i d i f i c a t i o nc h , 蛐a c t e r i s t i c s ；s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e ；a l u n l _ i n m na l l o y ；, t i os t e e l ；s t a i n l e s ss t e e l v 上海大学博士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 师签怼：啤 上海大学博士学位论文 本文的主要创新点 1 研究了“自吸式变幅杆”超声波侧部导入技术对金属凝固组织的影响，克服了传统 超声波处理工艺变幅杆受到金属液热浸蚀的缺点，为实际生产中进行超声波细晶处 理提供了可行的工艺。 2 采用超声波侧部导入工艺对高熔点合金t 1 0 钢和奥氏体不锈钢凝固过程进行处理， 实现了超声波在高温合金的应用，获得了十分优良的晶粒细化结果，并深入分析了 超声波处理对高熔点合金凝固特性、偏析和抗腐蚀性能等方面的影响。 3 定量研究了超声波处理过程凝固初始温度与导入功率的关系，发现在本文的研究条 件下凝固初始温度随着超声波功率的增加呈二次抛物线函数规律降低。 4 建立了凝固过程超声波传播的衰减模型，提供了超声波传播的有效作用范围关系 式，为金属熔体超声波细化工艺提供了参数选择的理论依据。 v i 上海大学博士学位论文 第一章文献综述 现代科学技术的发展不仅对材料性能要求越来越高，而且对环保要求也日趋严格。 材料的环境协调性促使绿色材料加工技术的飞速发展【埘。传统的冶金化学手段细化凝 固组织工艺受到了环境理念的质疑和挑战，凝固技术正朝着高效、环保的方向发展。如 何能在不“污染”环境及材料的前提下实现对金属凝固过程和凝固组织的控制是冶金及 材料工作者长期追求和奋斗的目标f 谰。 基于上述发展思路，在凝固过程中施加物理场处理技术成为提高材料性能 的重要工艺手段之一。外加物理场处理技术是在金属凝固前或凝固过程中对金属熔体 施加物理场，利用金属和物理场相互作用，改善其凝固过程和组织的一种技术。该技术 具有环境友好、操作简便等优点。按照外场种类不同，该领域的研究热点主要集中在以 下三个方面睁“】：1 ) 对金属熔体的凝固过程进行超声波处理；2 ) 让金属熔体在磁场 中凝固，即磁场处理；3 ) 让电流通过金属熔体，即电流处理。进入2 l 世纪后，物理、 材料和电子等领域科学技术的飞速发展使大功率超声波、磁场和电流等物理手段的产生 成为可能，因此从2 0 世纪9 0 年代起物理场凝固细晶技术成为材料领域的研究热点 0 2 , 1 3 1 。近几十年来各种物理场对材料凝固过程和组织的影响研究受到特别的关注i 悱m ， 尤其是大功率超声波由于其独特的声学效应对金属凝固过程具有十分显著的影响，因此 在材料领域的研究和应用再次成为热点。 本课题主要研究功率超声波处理对金属凝固过程的影响，系统考察了不同超声波功 率处理下金属的凝固行为，揭示超声波处理对金属凝固行为的影响机制；建立了超声波 在熔体中传播的“衰减”模型，得到超声波在熔体中传播的有效传播距离，为工艺参数 的选择和工业应用提供了理论依据。 1 1 超声波处理技术 超声波通常指的是频率高于2 x 1 0 4 i - i z 的声波。从其使用用途来分包括检测超声、功 率超声和医学超声。功率超声处理是通过超声能量对物质的作用来改变或加速改变物质 的一些物理、化学和生物特性或状态的技术【l s - 2 0 。功率超声学涉及的主要内容包括大功 上海大学博士学位论文 率和高声强超声波的产生( 包括大功率超声换能器、变幅杆、变幅器、振动方向变换器 和处理工具等) ，声能对物质的作用机理和各种超声处理技术应用。其中声能量对物质 的作用机制是功率超声较为独特的问题，也是一个有待于继续深入研究的课题。因此本 文将采用特定的导入设备，将功率超声波旖加到液态金属的凝固过程中，通过功率超声 波在凝固金属中形成的多种效应的综合作用，改变金属的凝固过程，最终改善或控制金 属材料的凝固行为，获得优良组织和性能的材料。 早期的超声波处理工艺发展非常缓慢，因为有许多问题困扰超声波处理的应用，其 中最突出的是功率超声波产生设备的研制问题。随着人们对超声波处理研究的不断深入 以及物理、材料和电子等领域科学技术的飞速发展，逐渐找到了解决方案。尤其是大功 率晶体管的出现，包括v m o s 和i g b t 管的制造不断取得进展，功率合成系统不断完 善，使得功率超声发生器输出功率可以达到几十千瓦，满足了工业应用的需求【2 】。据 报道，美国e t r e m ap r o d u c t s 公司用t 嘲o i - d 磁致伸缩合金设计制造了2 5 k w 的超声源，结合形状记忆合金( c u - a 1 m e ) 作为变幅杆，具有较高的疲劳寿命及抗空化 腐蚀性能【2 4 蠲。超声波产生设备的突破促使了超声波处理技术的广泛应用。 1 2 超声波在媒质中传播的效应 早在1 9 2 7 年w w o o d 和a e l o o m i $ 发表了对超声波能量作用的实验报告，激 起了超声学中的广泛关注，为功率超声学分支奠定了基础 2 6 1 。在随后对功率超声波的研 究表明，其在媒质中传播会起到以下几个基本作用田铡： ( 1 ) 线性的交变振动作用。由于媒质在一定频率和声强的超声作用下作受迫振 动，媒质的质点位移、速度、加速度以及应力等分别达到一定数值而产生一系列超声效 应。当介质中存在液相和固相，质点的运动为横波与纵波的叠加。图1 - 1 为超声波传播 过程中质点运动和波动示意图田j 。 ( 2 ) 大振幅声波在媒质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波，在波面处造成 很大的压强梯度，因而能产生局部高温高压等一系列特殊反应。图1 2 为功率超声波在 液体中传播时压力分布图，其中白色代表高压力区刚。 2 上海大学博士学位论文 p a n i a kv 锺w m 黼 ( b ) 卜_ ；一l 濮霪饔鍪鋈婺蓁霾 图1 - 1 超声波传播过程中质点运动和波动示意图 3 3 1 ( a ) 纵波：( b ) 横波 f i g 1 1s c h e m a t i c m a p o f p a r t i c l e m o t o nw a v e o f u l w a s o n i c p r o p a g a t i o n 图l - 2 功率超声波在液体中传播时压力分布图( 图中白色为高压区) 例 f i g a - 2p r e s s m td i s m l m 6 0 no f u l w a s o n i ci z o p a 船6 0 ni nt h el i q u i d 基于这两个基本特点，功率超声波在媒质中传播时会产生空化效应、声流效应、热 效应等等。 3 蚕零p 上海大学博士学位论文 1 2 1 空化效应 空化是超声波在液体媒质中传播所出现的一种物理现象朔，超声波在液体媒质中传 播时，在液体中微小区域会形成局部的暂时负压区，当超声强度超过液体张力时，液体 薄弱部位被撕开而产生大量的气泡。 图1 3 为超声波在水中形成空化泡的图片，( b ) 为( a ) 的放大图。随着时间推 移小气泡逐渐生长，当气泡内压力达到某临界值时瞬间崩溃破裂，分裂后的气泡又不断 的长大和溃灭。小气泡迅速崩溃时在气泡内产生高压，并且由于气泡周围的液体高速冲 入气泡而在气泡附近的液体中产生强烈的局部激波，从而产生了循环的空化效应 3 7 - 3 9 q 。 虽然这只是在局部微小范围内的瞬时作用，但由于波动频率很高，它对整个系统也势必 产生显著作用。图1 _ 4 为单个气泡从形成到长大直至最后破碎过程的照片【舯】。 图1 - 3 超声波在水雾化时形成空化泡嗍 f i g 1 - 3 c a v i t a t i o n b u b b l e o f u l t r a s o n i c d u r i n g w a t f f t 砒o 吐d & 岫 1 2 2 声流效应 超声波在液体中传播时产生有限振幅衰减使液体内从声源处开始形成一定的声压梯 度，导致液体高速流动h 1 4 2 】。在高能超声情况下，当声压幅超过一定值时，液体中可以 产生一个流体的喷射。此喷流直接离开超声变幅杆的端面并在整个流体中形成环流。声 流是环流与紊流的结合，图l - 5 为超声波导入p b b i 流体中得到的声流速度分布，选用 的超声波变频器的频率为4 m h z 4 3 1 。从图中声流速度可以看出，在此超声波能量导入的 情况下，最大流体速度可以达到3 0 0 m m s 。 4 上海大学博士学位论文 ( d ) 卢0 o 敛s( e ) 枷0 6 8 s( o 卢0 0 8 5 s 图l - 4 单个气泡从形成到长大直至最后破碎过程的照片嗍 f i g 1 - 4 p i c t u r e s a b u b b l e f r o m i 协f o r m a f i t d b r e a k 图l - 5 超声波导入p 吣i 流体中得到的声流速度分布 4 3 】 f i g 1 5s p e e d 啦【旺i b 砸o f a c o u s t i cs l r e a m m g m p b b i 5 上海大学博士学位论文 1 2 3 热效应 超声波是一种机械波，具有良好的定向性和聚焦性。当超声波在液体介质中传播 时，质点首先受到机械作用，部分机械能又转化为热能。当声强达到空化阈值时，还 可能产生空化效应。因此，超声波热效应源于其机械效应，温热效应和空化效应。热效 应应用在如声能吸收而引起的整体加热，边界处的局部加热等场合【4 删。 1 2 4 衰减效应 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加其能量逐渐衰减嗍。按照引起声强减 弱的不同原因，可把声波衰减分为三种 5 0 , 5 1 】：扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。扩散衰 减是由声源特性引起的，而散射衰减和吸收衰减取决于媒质的特性。 ( 1 ) 超声波的扩散衰减： 扩散衰减主要决定于声源的形式，对于点声源来说，它的波是各个方向都在传播 的，所以随着传播距离的增加，单位面积上所具有的能量就减小。这就是明显的扩散衰 减。 ( 2 ) 超声波的散射衰减： 当超声波在其传播过程中遇到由不同声阻抗介质所组成的界面时，就将产生散乱反 射( 简称散射) ，被散射的超声波在介质中沿着复杂路径传播下去，从而损耗了声波的 能量，这种衰减就叫做散射衰减。 ( 3 ) 超声波的吸收衰减： 超声波的吸收是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的。声波的吸收将声能直 接转换为热能。这是超声波衰减的重要原因。 超声波的衰减有两种表示方法圈。一种是用底波多次反射的次数来表示，也就是对 同样厚度的不同材料在同一灵敏度下，观察它们底面反射波的次数，底波次数多的材 料，说明超声波在该材料中衰减少；反之，则表示衰减严重。另外一种是理论上定量计 算的表示方法，既用衰减系数来表示超声波的衰减。 现在研究超声波的衰减所采用的介质为固体介y ：q 5 3 - 5 习、液体介质骼别或者固液混合 介质嘲“，这些介质在测量过程中各种组成成分的含量不随时间发生变化，而且测量介 质的温度以常温居多。g g u i d a r a l i ，f c r a c i u n ，c g a l a s s i 和e r o n c a r i 砬】对超声波的 一6 上海大学博士学位论文 衰减系数做了实验测定，将4 0 的铝合金粉末放入水中搅拌后测试超声波在介质中的衰 减。实验结果表明，超声波的衰减系数与所输入的超声波频率呈幂函数关系。 1 3 超声波中的金属熔体凝固 1 3 1 超声波处理工艺 传统的超声波导入方法主要有顶端导入和底端导入两种方式，如图1 巧所示f 6 3 】。它 们共同的优点是操作简单，但这两种导入方式各有其不足之处。对于底端导入来说，由 于振荡器和盛放金属熔液的模子相粘接，那么有一部分超声振动不可避免的被模子吸 收，特别是金属液浇入铸模后首先从底部开始凝固，导致振动效率降低，所以上部的金 属熔液超声处理效果很差，尤其对于比重偏析严重的金属则需要用比顶端导入高出很多 的振动强度才能取得相同的效果f 6 3 删。顶端导入的效率虽说比较高，但变幅杆浸入液 面，在超声波使合金液呈剧烈的振动状态时，合金液面连续的氧化膜遭到破坏，而这些 破碎的氧化膜被振动的合金液从表面卷入到熔液的内部而形成夹杂嘲，同时处理高温金 属时，对变幅杆的材质会造成严重的高温腐蚀。 本文对传统的超声波导入工艺进行改进，采用自吸式侧部导入方式，工艺示意图为 图1 7 嗍。其特征在于利用特殊设计变幅杆的自吸力使其与坩埚紧密接触，将超声波从 侧部导入坩埚内的金属熔液中。本工艺一改传统的顶部和底部导入法，不直接接触金属 熔液，从而避免了变幅杆由于与高温金属液相浸触所造成的腐蚀和损耗。不会造成表面 氧化物和杂质卷入金属液内部，避免了外来夹杂物，而且可以随着试块处理部位的需要 灵活的改变超声源位置，提高处理效果。 舀宙 图l _ 6 传统超声波导入方式掣 ( a ) 顶端导入；( b ) 底端导入 f i g 1 - 6 t h e c o n v e n t i o n a l u l w a s o n i c a n t r o d u c e d m e t h o d 7 上海大学博士学位论文 5 图l - 7 侧部导入超声波装置示意图嘲 1 - 坩埚( 砂型) ；2 - 女g 体；3 - 试样的横截面；4 - 自吸式变幅杆；5 捌致伸缩换能器 f i g 1 - 7s c h e m a t i cm a po f s i & u l t r a s o n i c a n l r o d u e e de q u i p m e n t 1 3 2 超声波在低温合金凝固过程中应用 2 0 世纪3 0 年代，d l o o m i s ，w w o o d 和s d a n i l o v 等学者分别研究了超声振动 对金属和有机物凝固过程的影响。随后s s o k o l o v ，t t e u m i n ，p a l e k s e e v ，g f s k i n 和o a b r a m o v 等人也分别对超声场下金属的凝固规律进行了探索【6 7 蜊。 o a b r a m o v ，g e s k i