（机械设计及理论专业论文）3003铝合金超声连续铸轧工业实验及机理研究.pdf

原创性声明 l i i i iii i i ii i ii ii i i iiil y 1916 0 4 9 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：复星叠日期：卫年月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 基盖萃导师签名啦日期：盟年月l 日 il 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 从二十世纪二十年代超声制备材料的先驱性实验至今，人们对超 声制备材料的研究兴趣一直有增无减。超声波在金属熔体中传播能产 生多种积极效应，这一现象一直受到人们的极大关注，并取得了初步 的研究成果，在实际生产中也有所应用。本文首创在3 0 0 3 铝合金连 续铸轧过程中于前箱施加超声振动，分析3 0 0 3 连续铸轧板坯的凝固 特性、显微组织、中心层成分偏析和力学性能来探索前箱施加超声处 理对铝合金连续铸轧的作用机制。 论文的主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 本文首先讲述超声制备材料在国内外的发展史和发展状况，超 声波在介质中传播时产生的各种效应，超声空化产生的原因以 及空化效应对熔体的影响，超声对金属形核和晶核长大的影响。 ( 2 ) 在实验室用坩埚来模拟前箱，在一定的超声参数条件下，于坩 埚电阻炉中对坩埚中熔融的3 0 0 3 铝合金进行等温施振，施振温 度为6 9 5 4 - 5 ，施振3 分钟后自然冷却。在同等条件下进行 未施加超声的实验。然后对两种工况下的凝固组织取样，进行 显微组织和力学性能方面的对比。实验结果表明施加了超声的 组织晶粒细化程度和力学性能优于未施加超声的组织。这就说 明了在3 0 0 3 铝合金连续铸轧中于前箱中施加超声具有价值可 行性。用数字显示温度计记录下3 0 0 3 的冷却曲线，继而得到其 冷却速率曲线、凝固开始点、凝固持续时间、平衡结晶温度、 过冷时的最低温度以及再辉时间，实验数据表明等温施加了超 声的工况冷却速率加快，过冷度降低，温度梯度减小，温度场 更加均匀。 ( 3 ) 在实际生产情况下，在3 0 0 3 铝合金连续铸轧过程中于前箱中施 加超声，分四种工况进行。第一种为添加舢t i b 细化剂速度 3 0 0 m m m i n ，不施加超声；第二种为添加a 1 t i b 细化剂速度 15 0 m m m i n ，施加超声功率为5 0 0 w ；第三种为不添加a 1 t i b 细化剂，施加超声功率为1 0 0 0 w ；第四种为不添加a 1 t i b 细 化剂，不施加超声。对比分析四种工况下铝合金带坯的晶粒大 小、形状和分布，扫描电镜下组织的微观形貌，带坯的综合力 学性能，以及带坯中心层的成分偏析。实验结果表明第三种工 中南大学硕士学位论文摘要 况下获得的3 0 0 3 铝合金板坯晶粒的细化程度最好，形状最为规 则，分布也最为均匀；其微观化合物颗粒也有相同的结果；综 合力学性能也比其它工况更加优良；带坯中心层的显微偏析程 度也比其它工况要小。 ( 4 ) 本文从理论上分析了超声波处理对3 0 0 3 铝熔体凝固过程中形 核和凝固动力学过程的影响。还从理论上分析了在3 0 0 3 连续铸 轧过程中前箱等温施加超声对带坯中心层显微偏析的影响。分 析结果得出，超声波的空化效应和声流效应能提高铝熔体的形 核率，减轻带坯中心层的显微偏析程度。 关键词：超声处理，连续铸轧，显微组织，力学性能，显微偏析，凝 固特性 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a f t e rt h e p i o n e e r i n ge x p e r i m e n t o fp r e p a r a t i o nm a t e r i a l su n d e r u l t r a s o n i cc o n d i t i o ni nt h et w e n t i e so ft h et w e n t i e t hc e n t u r y ，p e o p l e s i n t e r e s t i n gi np r e p a r a t i o nm a t e r i a l su n d e ru l t r a s o u n dc o n d i t i o nh a sb e e n a l w a y s i n c r e a s e d t h eu l t r a s o u n d s p r o p a g a t i o n i nm e t a l m e l t sc a n p r o d u c eav a r i e t yo fp o s i t i v ee f f e c t s ，a n dt h i sp h e n o m e n o nh a sb e e ng o t g r e a t c o n c e mb ys c i e n t i s t p r e p a r a t i o nm a t e r i a l su n d e ru l t r a s o n i c c o n d i t i o nh a sa l s ob e e na p p l i e di nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r ， d u r i n gt h ec a s t i n gp r o c e s so f30 0 3a l u m i n u ma l l o y ，e x e r t i n gu l t r a s o u n d v i b r a t i o ni nt h ef o r m e rc a s e b ya n a l y z i n gt h e30 0 3s l a b ss o l i d i f i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，m i c r o s t r u c t u r e ，t h ec e n t e rl a y e r sc o m p o s i t i o ns e g r e g a t i o n a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st oe x p l o r et h em e c h a n i s mo fa l u m i n u m a l l o y sc o n t i n u o u sc a s t i n gu n d e ru l t r a s o u n dt r e a t m e n t t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp 印e ri nt h ef o u o w i n ga r e a s ： ( 1 ) f i r s to fa l l ，r e c o m m e n dt h eh i s t o r ya n ds i t u a t i o no fd e v e l o p m e n t a b o u tp r e p a r a t i o nm a t e r i a l su s i n gu l t r a s o n i ca th o m ea n da b r o a dw a s r e c o m m e n d ，a n dt h ek i n d so fp o s i t i v ee f f e c t sw h e nu l t r a s o n i cs p r e a d i n g i nm e d i u mw a sa l s or e c o m m e n d t h em a i ni n t r o d u c t i o ni sa b o u tt h e c a u s e so fc a v i t a t i o na n dt h ee f f e c to fc a v i t a t i o no nm e l t t h e ni n t r o d u c e d t h eu l t r a s o n i c se f f e c to nm e t a ln u c l e a t i o na n dg r o w t ho fn u c l e a t i o n ( 2 ) t h ec r u c i b l ew a su s e dt os i m u l a t et h ef o r m e rc a s e ，t h e ni nc e r t a i n c o n d i t i o n so fu l t r a s o n i c p a r a m e t e r s ，a p p l y i n gi s o t h e r m a lv i b r a t i o ni n 30 0 3a l u m i n u ma l l o yw h i c ha l ef u s e di ne l e c t r i cr e s i s t a n c ef u m a c e t h e i s o t h e r m a lv i b r a t i o n st e m p e r a t u r ei s6 9 5 5 t a k et h ec r u c i b l eo u t a f t e rt h r e em i n u t e so fi s o t h e r m a lv i b r a t i o n m a k i n gi t c o o l i n gi nn a t u r e w ec a r r i e do u te x p e r i m e n tw h i c hw i t h o u tu l t r a s o u n du n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s t h e ns a m p l i n gt h es o l i d i f i c a t i o no ft h et w oc o n d i t i o n s ，f o rt h e c o n t r a s to fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eo r g a n i z a t i o ni m p o s e db yt h eu l t r a s o n i cg e tr e f i n e m e n tg r a i na n d i t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sb e a e rt h a nt h a tw i t h o u tu l t r a s o u n d t h e r e s u l t si n d i c a t et h a te x e r t i n gu l t r a s o u n di nt h ef o r m e rc a s ed u r i n gt h e c o n t i n u o u sc a s t i n go f3 0 0 3a l u m i n u ma l l o yi sf e a s i b l ea n dv a l u a b l e u s i n gt h ed i g i t a ld i s p l a yt h e r m o m e t e rr e c o r dt h ec o o l i n gc u l v eo f 30 0 3 m 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l u m i n u mm e l t ，t h e ng e tt h ec o o l i n gr a t ec u r v e s ，t h es t a r t i n gp o i n to f f r e e z i n g ，t h e t i m eo fs o l i d i f i c a t i o n ，t h e e q u i l i b r i u mc r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r e ，t h e m i n i m u m t e m p e r a t u r e o f u n d e r c o o l i n g a n dt h e r e c a l e s c e n c et i m e t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai n d i c a t et h a tu n d e rt h e c o n d i t i o no fu l t r a s o u n d ，t h em e l t s c o o l i n gr a t ei sa c c e l e r a t e d ，t h e u n d e r c o o l i n gi sl o w e r ，t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti sd e c r e a s e d ，a n dt h e t e m p e r a t u r ef i e l di sm o r eu n i f o r m ( 3 ) i nt h ec a s eo fa c t u a lp r o d u c t i o n ，f o u rw o r k i n gc o n d i t i o n sw a sm a d e i nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n go f30 0 3a l u m i n u ma l l o y t h ef i r s t ：t h es p e e do f a d d i n ga 1 一t i bg r a i nr e f i n e ri s30 0 m m m i n ，a n dw i t h o u tu l t r a s o u n d ；1 1 1 e s e c o n d ：t h es p e e do fa d d i n ga 1 - t i - bg r a i nr e f i n e ri s15 0 m m m i n ，a n d w i t hu l t r a s o u n d50 0 w ；t h et h i r d ：w i t h o u ta 1 一t i bg r a i nr e f i n e r ，w i t h u l t r a s o u n d10 0 0 w ；1 1 1 ef o u r t h ：w i t h o u ta 1 一t i bg r a i nr e f i n e r ，w i t h o u t u l t r a s o u n d a f t e rt h ef o u rk i n d so fe x p e r i m e n t s ，w ec o n t r a s ta n da n a l y s i s t h es i z e ，s h a p ea n dd i s t r i b u t i o no f30 0 3p l a t e ，t h et i s s u em o r p h o l o g y u n d e re n v i r o n m e n t a l s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f 30 0 3p l a t e ，a n dt h em i c r o s e g r e g a t i o ns t r i p st h ec e n t e rl a y e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h et h i r dw o r k i n gc o n d i t i o nt h e 30 0 3a l u m i n u ma l l o ys l a bg e tt h eb e s tl e v e lo fg r a i nr e f i n e m e n t ，a n dt h e g r a i n ss h a p ei sm o s tr u l e s ，t h eg r a i n sd i s t r i b u t i o ni sm o s tu n i f o r m t h e m i c r o p a r t i c l e sh a v et h es a m er e s u l t s ；t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ea l s o m o r ee x c e l l e n tt h a nt h eo t h e rc o n d i t i o n s ；1 h es t r i p st h ec e n t e rl a y e rh a sa l o w e rl e v e lo f m i c r o s e g r e g a t i o nt h a nt h eo t h e rc o n d i t i o n s ( 4 ) t h i sp a p e rh a sa n a l y s i s e dt h eu l t r a s o u n d se f f e c to nn u c l e a t eo f 30 0 3a l u m i n u ma l l o yo ns o l i d i f i c a t i o n ，a n da l s ot h ee f f e c to nd y n a m i c so f t h es o l i d i f i c a t i o ni nt h e o r y t h i sp a p e ra l s oh a sa n a l y s i s e du l t r a s o u n d s e f f e c to nt h e m i c r o s e g r e g a t i o no fs t r i p s c e n t e rl a y e rw h e ne x e r t i n g i s o t h e r m a lu l t r a s o u n dv i b r a t i o ni nt h ef o r m e rc a s e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eu l t r a s o n i c c a v i t a t i o na n da c o u s t i cs t r e a m i n ge f f e c t s a r ea b i l et o e n h a n c et h en u c l e a t i o nr a t eo fm o l t e na l u m i n u m r e d u c et h el e v e lo f m i c r o s e g r e g a t i o n k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，c o n t i n u o u sc a s t i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m i c r o s e g r e g a t i o 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 i v 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 目录v 第一章绪论1 弓i 言1 1 1 超声处理材料发展现状2 1 1 1 超声处理材料国外发展现状3 1 1 2 超声处理材料国内发展现状5 1 1 3 超声连续铸轧的研究现状7 1 2 超声传播中所产生的效应7 1 2 1 超声声流一7 1 2 2 超声雾化9 1 2 - 3 超声均质1 0 1 2 4 超声空化1 0 1 4 超声对金属熔体凝固的影响1 2 1 4 1 超声空化对熔体的影响1 2 1 4 2 超声对金属形核的影响1 3 1 4 3 超声对晶核长大的影响1 4 1 5 课题的来源1 5 1 6 研究的内容15 1 7 研究的意义1 6 第二章功率超声对3 0 0 3 凝固组织和凝固特性的影响1 7 引言。1 7 2 1 实验设备1 7 2 2 实验材料1 9 2 3 实验方法19 2 4 功率超声对3 0 0 3 凝固组织的影响。2 0 2 5 超声波对3 0 0 3 凝固特性的影响2 1 2 5 13 0 0 3 冷却曲线的热分析方法。2 1 2 5 2 实验结果分析2 2 2 6 本章小结2 5 第三章3 0 0 3 超声连续铸轧工业实验研究2 6 v 中南大学硕士学位论文目录 引言2 6 3 1 超声连续铸轧实验设备和实验方法2 6 3 23 0 0 3 连铸铸轧带坯的金相显微组织观察2 8 3 2 1 实验结果及分析2 8 3 3s e m 下各工况微观颗粒大小与分布3 2 3 43 0 0 3 连续铸轧带坯的力学性能3 3 3 53 0 0 3 连续铸轧带坯中心层的成分偏析3 4 3 5 1 ( a ) i 况带坯中心层的成分偏析3 6 3 5 2 ( b ) - r 况带坯中心层的成分偏析。3 7 3 5 3 ( e ) i 况带坯中心层的成分偏析3 8 3 5 4 ( d ) - r - _ 况带坯中心层的成分偏析3 9 3 6 本章小结4 0 第四章超声对3 0 0 3 连续铸轧的影响机制分析4 2 弓i 言4 2，i 口_ r 4 1 超声波对3 0 0 3 形核的影响4 2 4 2 超声波对3 0 0 3 凝固动力学过程的影响。4 5 4 3 超声波对3 0 0 3 显微偏析的影响。4 7 4 5 本章小结4 8 第五章总结与展望5 0 5 1 全文总结5 0 5 2 本文展望5 0 参考文献5 2 附录：s e m 下3 0 0 3 带坯微观组织图5 6 舀【谢5 9 攻读学位期间主要的研究成果6 0 一、参与的科研项目6 0 二、研究成果6 0 v i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 引言 第一章绪论 早在5 0 0 0 年以前，金属的铸造就发展成为了一种制造工业。十八世纪中期， 欧洲和北美的工业革命使铸造工艺得到了进一步的发展。到了近现代，各种各样 的制造业、食品加工业、能源部门和交通运输业的快速发展需要大量新机器的生 产，而新机器的生产又促进了金属铸造工业的极大扩张。二十世纪七十年代的“能 源危机 使人们把大量的研究投入到怎样提高传统的金属铸造技术，以及在汽车 业、船舶业和航空航天业中更广泛的使用轻合金。 相比其它金属，像铝合金和镁合金这样的轻合金具有更轻、更坚固、更便宜 和更环保的特征，从而使这种轻合金能带来巨大的经济效益和环保效益。大家所 熟习的铝合金已经成为我们日常生活中的一部分，铝合金具有优良的强度质量 比，而且耐腐蚀、重量轻，还可以循环利用。镁合金是一种普通的结构金属，比 铝合金还要轻三分之一。在交通运输领域内，轻合金的使用大大减少了汽车、卡 车、船舶和飞机的净重，因此使它们的能源消耗也大大减少。例如一辆典型美国 家庭车所使用的铝从1 9 7 7 年的4 4 千克增长到2 0 0 1 年的1 1 7 千克，同时镁合金 的使用量也从0 5 千克增长到3 9 千克【l j 。 另一方面，金属的凝固过程是铸造和铸轧技术的主要组成部分，现今的铸造 技术主要有压模铸造、半连续浇铸、直接激冷铸造、连续铸造、合金和玻璃的快 速凝固技术和半导体的单晶凝固技术等。铸轧技术主要有连续铸轧、超常铸轧等。 金属和合金的凝固过程是由非晶体状态( 液态) 向晶体状态( 固态) 的转变过程。 在过去的几十年里，伴随着汽车工业、航空航天工业、食品加工业、军工业的大 力发展，金属凝固的机理得到了更深入的研究。对凝固机理的理解以及合金成分、 冷却条件和铸造温度对金属凝固与最终产品的机械性能的影响有了更深的了解。 但是随着现代科学技术的发展，在一些高、精、尖领域对合金的材料性能要求越 来越高。因此在传统方法不能再进一步提高合金材料性能的前提下，创造出新的 凝固条件来控制合金的凝固过程以达到优良的材料性能，已经成为现代科研人员 新的奋斗目标和追求，研究材料的性能最大化已成为各国科研人员的基础课题 2 - 3 o 在各国科研人员的努力研究下，提出了在金属凝固前或凝固过程中施加物理 外场进行处理的技术，这种技术基本原理在于物理场与金属熔体的相互作用，经 过实验证明施加物理外场能有效的改善金属凝固组织，提升金属的材料性能。而 中南大学硕士学位论文第一章绪论 且这种工艺手段操作方便，设计简单，易于实现，更重要的是其成本低，具有高 效无污染的环保功能。在各种物理外场施加技术中，大功率超声波施加于金属熔 体使用的最多，研究的最深，出现的成果也最多。由于其与众不同的声学效应能 对金属凝固过程产生十分显著的影响，目前在材料领域的研究和应用中已成为热 点课题。 从二十世纪二十年代超声制备材料的先驱性实验至今，人们对超声制备材料 的研究兴趣一直有增无减，由于超声在金属熔体中传播产生的多种积极效应，所 以这一技术受到了人们的极大关注，并取得了初步的研究成果，在实际生产中也 有所应用。但是目前超声处理材料的理论研究还有很大的欠缺，缺少系统性、规 律性的研究，例如超声细化晶粒，减少宏观偏析和提高力学性能已得到了许多学 者的证实【4 叫，但各个学者之间的观点不一，没有形成统一的理论依据。另外在 铝合金带坯的连续铸轧过程中施加物理外场，探讨物理外场对铝合金带坯的凝固 过程和材料性能的影响，这方面的研究还做的比较少，研究成果也不多，于前箱 中施加超声更是没有先例。 因此，本文首创铝带坯连续铸轧过程中于前箱中施加超声，并探讨这种施加 工艺对铝带坯显微组织和材料性能的影响。从前箱施加超声对金属形核、力学性 能、显微偏析、凝固动力学和凝固特性的影响这一角度来探讨超声对金属熔体的 作用机制，为连续铸轧实际生产中工艺参数的选择和工业应用提供理论依据。 1 1 超声处理材料发展现状 科学家们将声音每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们 人类耳朵能听到的声波频率为2 0 - - - 2 0 0 0 0 赫兹。当声波的振动频率大于2 0 0 0 0 赫兹或小于2 0 赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于2 0 0 0 0 赫兹的 声波称为“超声波”。但是在工程应用上，常常把一些可听声也列入超声波的范畴。 因此，在实际应用中，超声技术使用的频率一般在1 6 k h z - - - , 1 0 9 k h z ，这个频率 范围很宽，占据了声波频率范围的1 2 以上【7 。8 】。人们还把频率为1 0 9 h z 以上的 声波为特超声波或微超声波。超声波方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的 声能，能在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，因此超声波被广泛应 用在工矿业、农业、医疗等各个领域。 超声工程学的研究内容可分为功率超声和检测超声两大领域。超声波在介质 中传播时，在不同界面上具有反射的特性，如果遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大 于超声波波长时，则超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可以将反射波显示出来； 如果缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过射线而不能反射，因此，利用超声 波来检测能快速方便、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷( 焊缝、裂纹、夹 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 杂、折叠、气孔、砂眼等) 的检测、定位、评估和诊断。功率超声是指以较大功 率( 几瓦至几十瓦，甚至几千瓦) 的超声能量对物质进行处理，以改变或加速改变 物质的一些物理、化学和生物特性。功率超声被广泛应用于各个领域，例如超声 清洗，超声焊接，超声化学，超声粉碎，超声凝聚，超声细化等。功率超声技术 属于高科技技术，这方面的研究受到了国内外科学家的极大关注，其应用前景也 会越来越广。 超声处理材料已经进行了近半个世纪，过去常被用来产生雾化，细化晶体结 构或者使液相与固相的成分均匀分布。它还被用来干燥粉末和其它材料。它也广 泛应用于机械加工( 钻孔和切割) ，超声焊接和超声粘接，其中超声焊接已广泛 应用于集成电路行业，另外超声清洗材料和超声除气也得到了利用。 目前，已有大量关于利用功率超声处理铝合金来达到晶粒细化和除气的效果 的研究，超声处理已被证明是一种提高铝合金性能的新方法。在金属熔体中施加 高频超声可以控制柱状晶的结构，减小等轴晶的尺寸，在一定条件下还可以生成 球状非枝晶晶粒。超声处理过程有利于环保，成本低，还可以与其它物理处理技 术一起作用于液体和固体金属。 尽管如此，目前对超声细化晶粒的研究仍停留在经验和现象上，对其细化晶 粒和改善凝固组织的机理仍缺乏系统的研究。 1 1 1 超声处理材料国外发展现状 国外早在18 7 8 年就有关于超声波能影响材料性能的报道，当时c h e m o v 提 出弹性振动能提高铸造金属的性能。但是直到1 9 1 2 年超声波才正式应用到材料 制备业。泰坦尼克号沉没的悲剧极大地激起了人们对超声振动应用的关注，并对 此产生极大的兴趣。超声制备材料的先驱性实验发生在二十世纪二十年代，b o y l e 于1 9 2 2 年，t a y l o r 和s p r o u l e 于1 9 2 9 年分别提出超声振动能对金属熔体产生除 气效果。1 9 2 7 年，w o o d 和l o o m i s 报道了超声均质、乳化和除气的结果。1 9 3 6 年，s o k o l o v 首次把超声施加到熔化的锌熔体，铝熔体和锡熔体中，并观察了超 声对金属凝固过程的影响。s e e m a n 于1 9 3 6 年，s c h m i d 和e r e t 于1 9 3 7 年分别 重复进行了s o k o l o v 所做的实验，并验证了s o k o l o v 的结果。 第二次世界大战后，前苏联的科学家们发表了大量关于超声制备材料的论 文。d a n i l o v 和他的研究团队于1 9 5 5 年提出了超声施加于过冷的有机熔体材料如 b 萘酯、胡椒碱和水杨酸苯酯时，能对其晶核形成和长大产生影响，并分析了其 影响机理，还公布超声对熔体中杂质的影响结果。k a p u s t i n 和其研究人员于1 9 6 2 年提出了经超声处理后的有机材料和金属材料的结晶结果。到了二十世纪六十年 代，超声处理已经大量应用在黑色金属和有色金属合金中，例如t e u m i n 和 中南大学硕士学位论文第一章绪论 a b r a m o v 1 0 1 ( 研究关于超声处理黑色金属) ，p o l o t s k i i ( 研究超声在有色金属中的 传播和吸收) 和e s k i n 1 1 】( 研究超声处理轻合金) 。最近几年e s k i n 1 2 m 】和 a b r a r n o v 1 4 - 1 5 发表了超声制备材料的专论。 图卜1 大规格2 3 2 4 铝合金铸锭中心部分微观细织( a ) 未加超声；( b ) 加超声【l l 】 图1 - 2a 1 s i l 7 合金微观组织( a ) 未加超声；( b ) 加超声 在美国，l a n e 和t i l l e r 于1 9 6 0 年报道了在有色金属熔体中施加超声对金属 性能的影响。1 9 8 5 年g r a n t 1 6 】公布了他在超声雾化，超声焊接以及超声对形核机 制影响方面的研究成果。 在日本，f u r u k a w a 1 。7 】研究了超声波在铝合金连铸中的应用。n a k a n i s h i 和他 的团队【l8 】也做了相关方面的研究。 在德国，b e r g m a n n 、m a t a u s c h e k 和h e m n 锄【1 9 】在他们的书中设计了一种超 声熔炼和超声铸造的实验装置。p o h l m a n n 和他的学术团队【2 0 】做了大量关于超声 焊接和超声雾化方面的研究。s e e m a n n 的学术团队【2 m 2 1 发表了超声细化铸造铝合 金晶粒的实验结果。 在英国，m u u a r d 公司对功率超声发生装置做了大量的研发。c o v e n t r y 大学 的m a s o n 2 3 - 2 5 1 出版了关于利用功率超声提高金属铸造质量以及如何提高超声能 量利用率的书籍。 保加利亚的a n g e l o v 2 6 】做了在铝合金模铸中施加超声的研究。斯路伐克的 k r a t k y z 7 】也做了铝合金的超声波铸造实验。 但是直到2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初，超声处理工业才应用到工业领域。 例如，美国铝业公司( a l c o a ) 尝试在铝镁合金连铸时在模壁施加超声振动。 到目前为止，还只有e s k i n 1 2 - 13 1 ，r o z e n b e r g 2 引，a b r a m o v 和b a l a n d i n 【2 9 1 做了 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 超声处理金属这个课题的详细论述。c a m p b e l l t 3 0 1 总结归纳了在铸造时怎样施加超 声振动的方法。如表1 1 所示。 表1 - 1 铸件的超声施振方式 熔体和模具 熔体振动 通过预热 通过羚却探 头施振( 独 振动方斥i 卜、 一起振动 探头施振 立形核来源) 垂直方向 圆嘲 幽幽 l l 水平方向 醉醉 幽幽 逝周方向 固 秆圆秆 画 2 0 0 1 年美国能源部的工业科技组发起了一个题为“超声制备材料 的课题。 其中一个研究课题就是研究高强超声对锻造和铸造铝合金，镁合金显微组织的影 响。 1 1 2 超声处理材料国内发展现状 在国内的超声波处理材料上，无论是理论还是实际应用上与国外相比还有较 大差距。但是我国材料工作者在经过二十几年的辛苦研究之后，这种差距正逐步 减小。 中南大学的李晓谦1 3 l 】等探讨了超声波在熔体传递过程中能量衰减规律，对 铸锭组织的形态反推超声场的作用距离进行分析，随着超声作用距离的增加无论 在沿纵向还是径向，晶粒尺寸都逐步增大。 一一一 一一一 图1 - 3 不同位置的铸锭微观组织 5 中南大学硕士学位论文第章绪论 东北大学的张志强【3 刁等人在m g 9 o w t 铝合金熔体的凝固过程中施加高强 超声，观察高强超声对其$ 相( 坞i 7 a i l 2 ) 的影响。实验结果显示在铸锭的横截 面上多相晶粒得到了细化且各晶粒之间不连续，并得到了球状的晶粒。如图1 3 所示。 图1 3m g 9 o w t 铝合金中多相晶粒显微组织( a ) 未加超声；( b ) 加超声 华中科技大学的钟鼓f 3 3 】等人在高硅铝合金a 1 2 0 s i 2 o f t 2 o c u - o 4 m g 1 o n i 中施加超声振动。实验结果显示，当在合金液相线附近施加超声振动时，超声振 动产生的空化效应和声流效应促进了熔体溶质和温度场的均匀分布。当施加超声 1 2 0 s 时效果最佳，能获得晶粒组织良好的6 相，针状的8 相相对减少。如图1 _ 4 所示。 图卜4 不同施振时间下合金的显微组织( a ) 0 s ；( b ) 6 0 s ；( c ) 1 2 0 s ；( d ) 1 8 0 5 大连理工大学的李新涛p 4 1 等人在铝合金a l - 1 s i 的水平连铸中施加超声， 观察超声对熔体温度分布、铸锭表面质量和晶粒组织的影响。实验结果显示超声 处理能显著提高熔体温度场的均匀分布。当超声功率增加到1 0 0 0 w 时，铸锭的 表面质量和晶粒细化程度明显提高。如图1 5 所示。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图卜5a l - 1 s i 铸锭凝固组织：( a ) p - - o ；( b ) p = - i o o o w 1 i 3 超声连续铸轧的研究现状 目前，国内只有中南大学冶金机械所的毛大恒教授【3 5 】等做了超声连续铸轧 方面的研究，其超声施加方式为在水平式双辊铸轧机铸嘴区的凝固前沿插入双头 式超声波导入杆进行施振，研究了超声波作用下铸轧铝板带的金相组织，实验结 果表明，在铸轧过程中施加超声波能使晶粒细化，组织更加均匀。还探讨了超声 波空化现象和声流作用对铸轧铝板坯组织细化作用的机制。 图i - 5 试样表面金相组织( a ) 未加超声；( b ) 1 0 0 w 超声；( c ) 2 0 0 w 超声 1 2 超声传播中所产生的效应 超声波由于其特性在介质中传播时会产生多种效应，超声波线性的交变振动 作用，大振幅声波在媒质中的传播会形成周期性激波，在波面处造成很大的声压 梯度，振动的非线性会引起一些直线定向力，其中主要是辐射力，声空化，声流。 超声的上述基本效应能够引发一系列的次级效应，如力学效应、热学效应、化学 效应和生物学效应等，在这些次级效应中起主要作用的是超声声流和超声空化。 1 2 1 超声声流 当超声波在熔体中传播时，因要克服熔体的粘性阻力，使超声波声能和动力 有所损失，从而在熔体内形成一定的声压梯度，引起熔体的流动，这就是所谓的 声流效应。声流效应一般在不均匀声场和各种阻碍媒介如界面中产生。声流的大 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 小和速度与熔体的属性，外部边界的形状和结构有关。值得注意的是，声流的速 度虽然随着声强的增大而增大，但是其速度值总是远低于驱动超声的声速，不管 其声强有多大。n y b o r g 等人于1 9 6 2 年做了声流方面的理论分析，分析如下： 厂= p + ( 础) “ = 却+ + ( ) 丛u x 扰 ， 上式中代表液体的体积力，p 为液体压力，p 为液体的密度，和分 别为液体的切变粘度和体积粘度。假设p ，p 和甜能写成递增和递减的形式，如 下所示1 3 6 】： p p o = p l + p 2 +