（材料加工工程专业论文）机械振动改善凝固组织机理的基础研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘要 摘要 振动凝固是指运用机械振动来改善凝固组织的方法，其作用效果己为 许多实验所证明，但对于其机理仍有很大争议。本文在最大拉应力理论基 础上推导出一维振动条件下“合力弯曲”折断枝晶临界应力模型；并以“合 力弯曲”作用为主要内容讨论了机械振动改善凝固低倍组织的机理。在理 论研究的基础上，自制振动凝固实验装置，进行3 0 n h 4 c i 水溶液模拟实 验和低熔点合金振动凝固实验。 模拟实验主要研究振动参数对振动凝固过程中枝晶生长形态以及系 统温度变化的影响，根据得到的具体枝晶尺寸数据对折断枝晶临界应力模 型进行分析、简化。低熔点合金振动凝固实验主要研究了振动频率对金属 溶液温度变化、凝固界面生长速度以及最终凝固组织的影响；通过比较不 同过热度浇注获得的最终凝固组织，分析了溶液过热度对振动凝固效果的 影响。 研究结果揭示了一维振动凝固条件下枝晶被折断的临界强度条件，即 振动参数与枝晶尺寸之间的数量关系。实验过程图像和温度变化曲线证实 了折断枝晶行为的存在，其中运动阻力项对振动折断枝晶具有决定性影 响，临界应力模型可以被简化。振动频率通过影响枝晶生长而改变凝固界 面的生长速度，增加振动频率可以减小折断枝晶的长度和减缓凝固壳发 育。微观上“合力弯曲”作用导致正在生长的枝晶折断，宏观上则是凝固 前沿被液流冲刷成整齐边缘。浇注温度相同的条件下，振动频率越大则晶 粒细化效果越明显；振动频率相同时，金属溶液过热度越高则被折断的枝 晶就越不易存留，对凝固组织的改善也越不理想。 关键词：机械振动，凝固，枝晶，合力弯曲 鞍山科技大学硕士论文摘要 a b s t r a c t v i b r a t i o ns o l i d i f i c a t i o ni sam e t h o do fi m p r o v i n gs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e b ym e c h a n i c a lv i b r a t i o n t h ee f f e c th a db e e nc o n f i r m e db ym a n ye x p e r i m e n t s ， b u t t h em e c h a n i s mw a ss t i l li nc o n t r o v e r s y i nt h i sp a p e r ，ac r i t i c a ls t r e s s m o d e lc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to f b e n d i n g f o r c e b r e a k i n gd e n d r i t ew a s d e d u c e di nt h ec o n d i t i o no fo n e d i m e n s i o n a lh o r i z o n t a lv i b r a t i o nb a s e do nt h e m a x i m u mt e n s i o n s t r e s st h e o r y am e c h a n i s mo ft h em e c h a n i c a lv i b r a t i o n i m p r o v i n gt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew a sd i s c u s s e dt h a tt o o kt h ea c t i o no f “b e n d i n gf o r c e ”a st h em a j o rm a t t e r o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ls t u d i e s ， a p p a r a t u sf o rv i b r a t i o ns o l i d i f i c a t i o ne x p e r i m e n tw e r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t su s i n g 3 0 n h 4 c 1 一h 2 0 s o l u t i o na n dl o w m e l t i n g p o i n tm e t a ls o l u t i o nw e r ep e r f o r m e dr e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tu s i n g3 0 n h 4 c 1 一h 2 0s o l u t i o nw a sm a i n l y i n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo fv i b r a t i o np a r a m e t e r so nt h ed e n d r i t e g r o w t h m o r p h o l o g i e sa n dt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o n si nv i b r a t i o ns o l i d i f i c a t i o n ；t h e c r i t i c a ls t r e s sm o d e lo fb r e a k i n gd e n d r i t ew a sa n a l y z e da n ds i m p l i f i e db yt h e d a t eo ft h es p e c i f i cd e n d r i t eo b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t s t h ei n f l u e n c eo f v i b r a t i o nf r e q u e n c i e so nt h ed r o pi nt h el i q u i dt e m p e r a t u r e ，t h eg r o w t hr a t eo f s o l i d i f y i n gs h e l la n dt h ef i n a ls o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew a ss t u d i e dm o s t l yb y u s i n gt h el o wm e l t i n g p o i n tm e t a ls o l u t i o n t h ei n f l u e n c e so fs u p e r h e a to f l i q u i dm e t a lo nv i b r a t i o ns o l i d i f i c a t i o nw e r ea n a l y z e db yc o m p a r i n gt h ef i n a l s o l i d i f i c a t i o nm o r p h o l o g i e sa td i f f e r e n ts u p e r h e a t t h ec r i t i c a l s t r e n g t hb r e a k i n g d e n d r i t ei nt h ec o n d i t i o no f o n e d i m e n s i o n a lh o r i z o n t a lv i b r a t i o nw a so b t a i n e df r o me x p e r i m e n t s ，w h i c h c o u l db ee x p r e s s e da sr e l a t i o nb e t w e e nv i b r a t i o np a r a m e t e r sa n dd e n d r i t e s i z e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，i n c l u d i n gp i c t u r e sa n dt e m p e r a t u r e t i m ec u r v e s ， h a v er e v e a l e dt h ee x i s t e n c eo fd e n d r i t eb r e a k i n g b e c a u s et h er e s i s t a n c ef o r c e u p o nt h ed e n d r i t em o v i n gi nl i q u i dm e t a lp l a y sad e t e r m i n a n tr o l e ，t h ec r i t i c a l s t r e s sm o d e lc o u l dt h e nb es i m p l i f i e d t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yi n f l u e n c e st h e g r o w t hr a t eo fs o l i d i f y i n gs h e l lb ya f f e c t i n gt h eg r o w t ho fd e n d r i t e ，a n dt h e l e n g t ho fb r o k e nd e n d r i t ea n dt h e ng r o w i n gr a t eo fs o l i d i f y i n gs h e l lc a nb e 鞍山科技大学硕士论文 摘要 d e c r e a s e db yi n c r e a s i n gt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y m i c r o c o s m i c a l l y ，t h ea c t i o n o f “b e n d i n gf o r c e ”c a u s et h eg r o w i n gd e n d r i t e t ob eb r o k e n ，a n dt h e s o l i d i f i c a t i o nf r o n tw a ss c o u r e ds m o o t h l yo nt h ev i e wo fm a c r o s c o p eb yt h e l i q u i dm e t a lf l o w i n ga c r o s si t a st h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ek e e p ss a m e ，t h e h i g h e rt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yi s ，t h em o r ee v i d e n t l yt h er e f i n e m e n to fg r a i ni s o b t a i n e dw h e nt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yi s u n c h a n g e a b l e ，t h eh i g h e rt h e s u p e r h e a to fs o l u t i o ni s ，t h em o r ed i f f i c u l t l yt h eb r o k e nd e n d r i t es t a y si n l i q u i d ，a n dt h e nt h ei m p r o v e m e n to ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fi n g o tb y m e c h a n i c a lv i b r a t i o ni sn o te v i d e n t k e yw o r d s ：v i b r a t i o n ，s o l i d i f i c a t i o n ，d e n d r i t e ，b e n d i n gf o r c e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的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：当起艋 期：沙6 ，弓。z 弓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：龇导师签名：劁日 期：妒；2 j 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 1 1 凝固过程 1 1 1 凝固的定义 第一章绪论 凝固是指从液态向固态转变的相变过程，广泛存在于自然界和工程技 术领域。从水的结冰到火山熔岩的固化，从钢铁生产过程中铸锭的制造到 机械工业领域各种铸件的铸造，从非晶、微晶材料的快速凝固到半导体材 料加工以及各种功能晶体的液相生长等，均属于凝固过程【1 1 。 传统冶金工业中，钢铁及其他合金经过冶炼后，首先要在铸模中凝固 成锭，然后再进行后续加工。连续铸造技术在钢铁生产中的应用是冶金工 业的一次技术革命。连铸过程中，熔融的钢液被连续浇入水冷铸型( 结晶 器) 中，强冷条件下钢液迅速形成凝固壳层后被从结晶器下方拉出，利用 该凝固壳层的强度维持钢锭的外部形状：进而接受表面喷水的二次冷却， 在铸型外完成整个凝固过程。 由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将凝固过程称之为结晶。 本世纪2 0 年代，人们观察了透明有机物溶液的结晶，发现无论是非金属 还是金属，结晶过程均遵循着相同的规律，即形核与长大的发展过程，首 先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这些晶核不断凝聚液体中 的原子继续长大。结晶过程是形核和长大两个过程交错重叠在一起的，对 一个晶粒来说，它严格地区分为形核和长大两个阶段，但从整体上来说， 两者是相互重叠交织在一起的【2 】。 1 1 2 凝固组织的特点 液态金属通常是在铸锭模或铸型 中凝固的，可以分为三个阶段。首先在 铸模的表面激冷作用下形成表面结晶 区。随后，各个晶粒竞争生长并在近似 一维的温度场控制下发生定向凝固，形 成柱状晶。在凝固后期，由于钢液过热 的散失和在液相区非自发晶核的形成 而发生等轴晶的凝固。 l 一强拎区2 一性桃晶匹善一等轴品匡 图1 - 1 钢锭凝固结构示意图 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 如图1 1 所示，最终铸锭的断面凝固组织由三部分组成，即外表层的 细晶区( 激冷层) 、中间的柱状晶区和芯部的等轴晶区【3 1 。 1 2 凝固组织的改善 1 2 1 改善凝固组织的意义 凝固过程中，溶质在固一液两相内的溶解度不同将导致树枝晶生长过 程伴随着溶质析出，发生选分结晶所引起的溶质再分配使枝晶间未凝固钢 水中的c 、s 、p 等溶质元素得到富集。这些富集各种元素的钢液的凝固带 来了溶质质量分数在宏观尺度上的不均匀，在最后凝固位置上的富集即是 所谓的宏观偏析。在凝固末期因体积凝固造成的v 型收缩撕裂带，会因富 集溶质的钢液在其中凝固形成偏析带f 1 】，1 4 】，d 4 。 高碳钢和高合金钢凝固过程中，钢种含碳偏高意味着形成柱状晶的倾 向严重，而且特别容易出现搭桥现象。这种搭桥会影响到钢水补缩，从而 形成较严重的中心疏松和中心偏析，【9 】，【2 ”。凝固组织内集中而又大块状 的偏析区被压缩拉长后会沿轧制方向成断续的黑色流线，不易通过后续的 轧制或热处理工艺消除1 1 2 】。进而引起钢材断面性能不均，强度降低，疲劳 强度波动范围大。 此外，沿不同方向生长的两组柱状晶相遇时，会形成柱状晶间界，柱 状晶间界是夹杂、气泡、缩孔较富集的地区，因此是铸锭的脆弱结合面， 或简称弱面。这种钢材进行压力加工时易于沿这些弱面形成裂纹或裂开。 与柱状晶相比，等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，树权间的搭接牢 固，裂纹不易扩展；不存在明显的脆弱界面；各晶粒的取向各不相同，材 料性能也没有方向性【2 】。 无长程液相流动的等轴晶凝固过程，将使偏析区扩大，有限的溶质富 集分散在一个范围内，偏析程度降低。甚至有学者还提出，当铸坯断面等 轴晶比率达到3 5 4 0 以上能基本消除中心偏析【2 ”，中心偏析的消除必 然带来钢材力学性能的提高。 铸锭或铸坯的凝固形态、组织致密度及成分偏析等对后续加工工艺及 最终的成品质量具有决定性影响，一般来说，大部分铸件都希望得到尽可 能多的等轴晶。控制凝固组织结构，提高等轴晶比率，促使c 等溶质元素 均匀析出，努力消除中心偏析，提高钢坯及钢材的力学性能，是高强度钢 生产工艺的发展方向，具有很重要的现实意义。 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 1 2 2 改善凝固组织的方法 人们可以根据对组织和缺陷( 宏观凝固组织、微观凝固组织、强化相 的分布、相结构、组织均匀性、偏析、疏松、夹杂、裂纹等) 控制的需要， 改变传热、传质条件；或施加各种物理场( 微重力场、超重力场、电场、 磁场等) 来控制并改善传热、传质及对流条件；或通过化学方法控制热力 学平衡和动力学过程，对凝周过程进行控制，以期达到获得形状完整，并 具有一定力学、化学、物理性能的产品。 等轴晶的形成条件包括： ( 1 ) 凝固界面前的液体中有晶核来源 ( 2 ) 液相存在晶核生长所必须的过冷度 表卜1 关于等轴晶来源的各种理论学说”4 1 目前，关于凝固过程形核的理论有很多，表i 一1 列举了几种主流学说 及其核心观点。 介万奇与周尧和 5 3 1 通过进行氯化铵水溶液二维凝固模拟实验，发现液 相内自由晶体的主要来源是： ( 1 ) 型壁上形核并按照大野笃美的机理4 3 】， 4 4 1 游离； ( 2 ) 固一液两相区内枝晶被熔断并被液流带入液相区； ( 3 ) 自由表面凝固形成“晶雨”。 来自以上三个方面的自由晶体形成于凝固过程的不同阶段，并且形成 条件各不相同。 形核是发生柱状晶区向等轴晶区转变的必要条件。控制凝固组织结构 也要通过控制形核来实现。 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 目前，促进形核、细化晶粒的主要途径主要有： ( 1 ) 添加晶粒细化剂，即向液态金属中引入大量形核能力很强的异 质晶核，达到细化晶粒的目的； ( 2 ) 添加阻止生长剂以降低晶核的长大速度，使形核数量相对提高， 获得细小的等轴晶组织； ( 3 ) 采用机械搅拌、电磁搅拌、铸型机械振动等力学方法，促使枝 晶折断、破碎，使晶粒尺寸减少，数量增加； ( 4 ) 提高冷却速率使液态金属获得大过冷度，增大形核率。 以上几种途径之中，破坏枝晶生长、促进形核的理论和技术一直为人 们所关注，其核心机理基本上是通过液流熔断或折断枝晶晶臂以达到促进 形核的目的，其中电磁搅拌就是一项比较成功的技术。 电磁搅拌的实质是借助感生电磁力加剧铸坯液相穴内钢水运动，以此 强化钢水的对流、传热和传质，控制铸坯的凝固过程。简单地说是利用物 理搅动造成溶液围绕枝晶周围运动，产生温度起伏，造成枝晶重熔。同可 能引起的枝晶机械变形或破碎来比较，重熔是电磁搅拌过程中产生等轴晶 晶核的主要机理m 【6 】。 现有的促进形核和细化晶粒方法在一定程度上取得了一定的效果，但 对于某些高级合金钢种，仍未达到彻底地改善质量的要求 7 - 1 0 】。目前，我 国钢铁生产正在飞速发展，自1 9 9 6 年以来，我国的钢产量连续居全球首 位，与此同时，汽车板、石油管、船板、硅钢片、镀锌板、窗帘线等高性 能钢材仍需大量进口p ”。为了满足日益增长的国民经济发展需求，有必要 寻找新的改善钢坯质量的方法并投入应用，使我国的钢铁生产技术水平及 实物质量都得到飞跃式提高。 1 3 振动凝固 1 3 1 振动凝固的定义 振动凝固是指凝固过程中对金属溶液施加一段时间振动，借助液相和 固相间的相对运动破碎枝晶，显著增加液相内结晶核心，使铸件最终凝固 组织细化、力学性能提高【l 】，【“1 ， 1 3 - 2 0 。 自1 8 6 8 年切而诺夫在钢锭凝固过程中施加简单机械振动获得细化晶 粒的初步结果以来，借助振动凝固改善凝固组织和提高机械性能的研究已 经进行了1 0 0 多年 2 1 】。二十世纪3 0 5 0 年代，这方面的研究有着广泛的 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 开展，在理论研究和实验论证方面取得了一定成绩【2 2 1 。6 0 年代以后，随 着电磁搅拌和超声波振动等实用新技术以及连续铸造生产工艺的兴起，加 之振动凝固有些难点一时难以解决，冶金工作者的注意力开始转移，振 动凝固韵研究开始逐渐减少，只能偶尔见到有关这方面研究情况的报道。 国外开展这一领域研究的主要是苏联和日本。近二十年来，国内已有 少数学者开始在实验基础上研究机械振动改善凝固组织机理，并取得了一 些成果1 1 】- 【1 3 】- 15 1 【20 1 。 1 3 2 国内外摄动凝固的实验研究情况 目前，机械振动用于凝固结晶过程的研究一直停留在实验阶段，尚未 广泛投入实际生产应用。实际情况大致如下： ( 1 ) 研究内容广泛 综观振动凝固技术一百多年发展，其研究对象已经涉及黑色金属( 铸 铁，铸钢) ，有色纯金属( z n ，s n ，a 1 等) 及有色合金( a 1 一c u ，a l s i ， a 1 一p b ，b i s n 等) 等合金领域2 2 1 。此外，赛璐璐、麝香草酚等化合物 也被用来模拟实验过程，探究振动凝固机理【2 2 】。 ( 2 ) 施振方式不同 传统冶金工业中的合金凝固一般都在铸模内进行，因此以往的振动凝 固实验都是设法将振动源所产生的振动引入钢液内，处理一段时间或直至 钢液全部凝固为止。为了将振动有效地引入铸模内的金属液体中，采用过 以下几种不同的振动方式2 2 】： a ) 钢锭模固定在振动器工作台上，如图1 2 ( a ) ； b ) 振动器与模底作相对运动而产生冲击，如图1 2 ( b ) ； c ) 振动器固定在浇注车平板下面，如图1 2 ( c ) ； d ) 振动器固定在钢锭模壁上等，如图1 2 ( d ) 。 ( 3 ) 振动工艺参数范围大 振动工艺参数主要是指振幅与振动频率。据所查文献，以往所进行的 实验过程中，振频基本上在3 5 0 0h z 范围内选取；振幅则在0 1 2 5m m 区间变化。 1 9 3 4 年，格勒茨格振动浇注3 吨和5 吨钢锭，振幅2 2m m ，频率3 4h z 。实验结果表明，振动使钢锭下部致密度明显增加，非金属夹杂物大 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 驴隧 帮僵 i1 ( a ) 振动台 o f2 1 7 。i 一l r _ 一 、ih 耋- i t b i j 一。i 一气l j ( b ) 冲击式振动器 ( c ) 振动浇注车( d ) 侧壁振动凝固装置 图1 2 几种典型振动凝固实验装置 部分集中在保温帽下边，偏析带中主要有低熔点硫化物、磷化物和碳化物。 1 9 3 6 1 9 3 8 年，切勒那斯夫采用小振幅振动器进行振动浇注实验，振 幅05 3m m ，频率2 5h z ，实验效果良好，显著地提高了铸件机械性能。 当时采用这种浇注方法主要是用于解决难浇注铸件的生产问题。 文献 2 2 介绍了机械振动对z n 一1 s n 合金结晶过程的影响。实验过 程中，铸模作垂直方向的谐振动，频率变化范围在5 0 0h z 以下，振幅1 01m m 。 国内学者在进行振动凝固实验时选取的振动频率多在5 0 1 0 0h z 范 围之间1 1 1 i ，【”】，【”】，1 1 8 1 ，【”】，实验结果也表明，振动细化晶粒效果明显。 ( 4 ) 振动凝固实验效果各异 振动凝固公认效果有：细化晶粒“i ，【”】，【2 ，均匀、净化( 去气，除渣， 脱硫，提纯等) 组织i ”】，f 1 5 】，提高材料机械性能f l l 】，1 1 7 | ，i l s l ，1 2 ”。其中细化 凝固组织在很多实验过程中已经得到了验证，但随着研究工作的深入，得 到的结果不尽相同甚至有相反的实验现象出现。 6 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 日本学者伊藤幸良等人分别运用液面振动和侧面旄加机械振动两种 方法对模铸s u s 4 3 0 不锈钢进行振动凝固实验时，发现空气锤连续击打侧 壁，能够提高等轴晶率，改善宏观偏析；同振幅1 2 0g m 相比，振幅5 0 0g m 时凝固组织细化情况要更好【2 4 1 。 阿可西诺夫选用生铁进行振动浇注实验，振幅0 8m m ，频率2 5h z ， 实验结果发现断面晶体组织有显著改善，机械性能更加均匀。浇注铅和铝 时，采用同样的振动制度也得到了很细小的晶体，树枝晶被破碎得很明显， 但当频率提高到3 5 7 0h z ，“金属组织却变坏了” 2 。 采用振动频率1 3h z 和振幅0 2m m 振动浇注厶一1 8 钢时，钢锭凝固 组织中晶粒得到细化，疏松和缩孔减少；采用振动频率5 0 h z 和振幅o 3 0 4m m ，则会显著恶化钢锭的低倍组织，同时碳化物偏析严重【2 ”。 1 9 5 0 年，苏联中央黑色冶金科学研究院进行了高合金钢振动浇注实 验，选用a 2 0 和特种合金h 7 9 m 4 、h 3 5 x m b 、h 2 5 1 0 9 等作为实验钢种。 实验结果发现，频率为1 5h z 、振幅小于lm m 的条件下，振动对钢锭 的结晶过程几乎没有影响；频率提高到1 0 2 0h z 后，钢锭质量得到显著 改善，柱状晶区减小，晶粒被细化。这种改善作用对于h 7 9 m 4 钢种表现 的特别显著，同时h 3 5 x m b 和h 2 5 t 0 9 的凝固组织也由疏松变得致密；当 频率再提高到4 0 6 0h z 后，钢锭低倍组织上出现明显的偏析带，疏松变 得较为严重【2 2 】。 可见，随着合金成分和机械振动参数发生变化，振动凝固的效果也会 存在很大差异。虽然这种现象对低合金钢和碳素钢等影响较小，但对于高 合金钢，尤其是特殊合金，影响较大。可以认为，对应每种合金金属都有 一套与之相配的合理的振动制度，不合理的振动制度不但不能改善钢锭组 织，反而会恶化钢锭质量。 国内针对振动凝固方面的研究工作也发现了这一问题1 7 】- 2 5 1 ，【26 1 ，并且 通过实验得出“振动凝固不一定能提高力学性能”的结论【2 5 1 。 1 3 3 国内外关于振动凝固的理论研究情况 振动凝固通过改变凝固进程得到不同的凝固组织，国内外学者对此提 出了各自的解释： ( 1 ) 均匀冷却溶液温度 振动对金属溶液具有搅拌作用，使其能够更加均匀地冷却下来，当溶 7 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 液温度冷却到一定极限温度时，会发生体积凝固，瞬间产生很多的晶核， 为细化晶粒创造了条件2 ”。波洛威金认为振动过程导致钢液温度均匀化， 结晶可以在整个容器内同时进行，获得的金属组织中晶粒得到了细化。 此外，液面附近和型壁上的晶粒也会由于振动产生的强烈搅拌作用而 加速游离【”】。 ( 2 ) 机械振动破碎正在生长的树枝晶 a ) 机械应力波破碎枝晶 媒质内一个质点在弹性力或准弹性力的作用下会产生随时间变化的 位移，即质点振动。媒质的所有振动都是彼此联系的，一个质点的振动能 够传递给周围的质点，引起它们的振动，构成了波动。固体内质点波动过 程实际上也是弹性应力、弹性应变传递的过程f 5 8 l1 5 9 ，当应力应变值超过 临界强度时，凝固前沿枝晶被破碎【30 1 。达波洛夫用赛璐璐进行振动对结晶 速度影响的试验过程中，意外地发现了破碎的固体质点沿着波的传播方向 运动2 ”，可以认为是破碎的枝晶在惯性作用下继续沿原运动方向运动的结 果。 b ) 振动搅拌破碎枝晶 凝固过程中的机械振动对溶液起到了搅拌溶液的作用，一方面，可以 促进液相和固相发生相对运动，液流冲击作用导致枝晶破碎形成结晶核心 d 3 ；另一方面，则造成枝晶或高次枝晶臂根部区域内溶质浓度和溶液温度 起伏，使枝晶或枝晶臂因根部颈缩而熔断或折断 ，i t 9 。 侯文生等【1 6 】，【1 8 】通过对a l s i 合金及z n 一2 7 a l s i 合金振动凝固后 组织性能进行研究，提出了“粘性剪切”理论【40 1 。凝固系统受到的机械振 动能引起金属溶液与树枝晶间产生相对运动，溶液对枝晶施加的粘制阻力 是枝晶变形的根本原因。如果根部断面受到的剪切应力超过强度临界极限 值则会造成枝晶折断。所得到的实验结果也显示，振动产生的“粘性剪切” 作用能使口树枝晶和共晶硅折断而形成新晶核；同时振动造成局部温度起 伏，有利于枝晶熔断。 此外，机械振动引起液体扰动使溶质成分扩散速度加快，凝固前沿溶 质浓度梯度减小，凝固温度提高，成分过冷区变窄，这两方面因素都在 定程度上抑制了柱状树枝晶的长大速度，使最终凝固组织的偏析状况得到 缓解”】。 c ) 机械共振破碎枝晶 胡在矶等人在进行金属型球铁磨球的振动凝固研究后，认为“共振机 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 理是使结晶过程得以改变的重要手段” 1 1 】，1 1 7 ，【2 ”，应根据金属本身的固 有振动特性来确定振动凝固的激振参数，力求得到大的振动力，使固一液 界面问生成的晶粒细化或脱落，凝固组织得到改善，机械性能也相应提高。 陈锋等人在承认“共振”机理的基础上，进一步提出“包括频率和波 形在内的振动波本身特性在振动凝固过程中都起着重要作用”1 2 1 】，1 2 5 1 ，t 2 6 1 的论断。 振动干扰对枝晶生长的影响主要存在于固一液两相区及其附近熔体所 构成的v 体积内，对于这一体积单元，应存在一个固定频率或频带，o 。 外界振动干扰传入熔体中后，表现为压力波动，该v 体积单元不断受到周 期性振动作用力作用。这种压力波动以及由它引起的振动作用力具有一定 频宽，当压力波动频率落入，o 范围内并具有足够幅值时，可以有效地引起 枝晶和熔体耦合体的共振，最大限度地细化树枝晶，从而对枝晶的生长形 态产生显著影响2 1 1 。 从不同波形振动凝固实验结果来看，同三角波、方波相比，垂直树枝 晶生长方向的横向正弦波振动细化树枝晶效果更显著；横向宽频冲击振动 对枝晶生长形态的影响最为强烈，粗大树枝晶有被破碎的现象出现【2 】【”。 根据振动学基本知识f 3 l 】，【54 1 ，复杂振动是由几个、许多、甚至于无穷 多个振动参数不同的简谐振动所合成。公式( 1 1 ) 是复杂振动的数学表达 式。对于复杂振动来说，往往就不能说具有某一频率，而应该说具有一个 频谱。 s o ) = c o s 2 习f k t + b ks i n 2 碍f k t ) ( 1 - 1 ) k = l 式中s 一一位移，m ； a k 一一振幅，m ； b k 一一振幅，m ； t 一一时间，m ： 厂k 一一振动频率，h z 。 周期性复杂运动是复杂振动的一种，利用富里埃级数可以将它分解成许多 简谐振动之和，数学表达式见公式( 1 2 ) 。这些简谐振动频率是一个最 低频率的，o 整数倍( 2 1 0 ；3 i o ；4 o 等) ，其中，称为基频，其它频率叫 做高阶倍频f 3 ”。 跗= 鲁+ c o 虫研+ 鼠s i n 胁f d ) ( 1 - 2 ) 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 何德坪等通过振动凝固实验发现，在相同振动频率、适宜振动能量以及合 理振动时间条件下，一阶共振可以振断凝固界面枝晶主杆，使凝固组织出 现周期性断层组织；而高阶共振则主要是促进二次枝晶细化。研究机械振 动改善凝固组织的机理，频率、振幅( 或能量) 应作为主要研究参量，同 时有必要考虑作用在枝晶上的载荷性质及振动作用时间对最终凝固组织 的影响。文献【2 5 】还强调，当组织中出现周期性层状组织，并且断层与拉伸 主应力方向大致垂直时，会使材料的g b 和6 下降。此外，文中也提到了 “枝晶的破坏带有疲劳特性”。 ( 3 ) 振动凝固的细晶效果 文献 2 2 】用下式表示晶粒数目与结晶参数之间关系： l z = 足f 二 ( 1 3 ) vc 式中k 一一比例系数； n 一生成的晶核数目； c 一一晶核成长的线速度； z 一晶粒数目。 从式( 1 - 3 ) 可以看出，振动凝固过程中生成的晶核数量越多，n c 的 比值越大，则获得的晶粒更细小。许多试验结果业已证明，振动凝固确实 有细化晶粒作用。 波洛威金【2 2 1 在解释振动制度不同“凝固组织变坏”现象时认为，振动 制度不合适，溶液中新生成的晶体会发生聚集现象，晶核数量大大减少， 钢锭质量得不到改善甚至有恶化的趋势。 ( 4 ) 振动对凝固时间的影响 文献【2 2 】指出，振动能促进溶液的冷却，使结晶过程显著加快。对此， 有人认为这是晶核生成数量增多的结果；也有人提出晶核成长速度加快是 主要原因。 达尼洛夫在观察赛璐璐溶液振动凝固实验过程中发现固相增长显著 加快。卡普斯金对麝香草酚溶液结晶过程施加机械振动，由于振动作用， 被破碎晶粒成为新的结晶核心，固相成长快，凝固时间缩短。 1 3 4 振动凝固研究工作目前存在的问题 以上资料表明，机械振动通过改变结晶过程能够达到改变凝固组织的 1 0 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 效果。采用合理的振动制度进行振动凝固，可以细化晶粒，均匀并净化组 织：反之，则会使铸锭轴向成分偏析严重，凝固组织得不到改善甚至有恶 化的趋势【”。 振动凝固细化晶粒的作用机理目前仍未统一，许多学者提出了各自不 同的理论。但所有这些理论都存在着一定的不足，一方面在解释实际问题 上带有局限性，不能适用于所有的实验现象；另一方面没有比较合理的经 验公式来为实际生产应用提供指导性帮助。 机械振动改变凝固进程的研究一直停留在实验阶段，并没有真正投入 到实际生产。以往所进行的生产实验多发生在3 0 5 0 年代，当时冶金工 业中合金凝固基本上是在铸模内进行，而如今连铸技术己经取代模铸技术 成为冶金生产工艺的主流。所以，有必要在解决传统振动凝固技术难点的 同时，考虑生产工艺改变所带来的影响，选择合理的切入点，使振动凝固 技术真正成为一种新工艺，更好地服务于生产实际。 1 4 课题的提出及意义 1 4 1 课题研究的内容 ( 1 ) 建立一个机械振动条件下凝固前沿枝晶被折断的临界应力模 型，探讨振频、振幅同被折断枝晶尺寸之间准定量关系以及机械振动改善 凝固组织的作用机理； ( 2 ) 以氯化铵水溶液为研究对象，设计加工振动凝固实验装置，使 之能够摄录晶核形成、枝晶生长及被折断全过程：准确监测并记录凝固过 程温度变化情况。通过进行不同振频、振幅和冷却强度条件下振动凝固实 验，检测出被折断枝晶尺寸以及温度变化情况。利用这些实验结果分析、 验证并处理( 1 ) 中提出的枝晶折断应力模型； ( 3 ) 选择选择熔点在3 0 0 6 0 0 范围之间的金属或合金为研究对 象，设计加工振动凝固实验装置。通过进行不同振频和熔体过热度条件下 振动凝固试验，研究振动参数对凝固进程、最终凝固组织的作用效果以及 溶液过热度对振动改善凝固组织的影响。 1 4 2 课题研究的意义 ( 1 ) 建立振动条件下折断枝晶的力学模型，研究振动参数与枝晶生 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 长参数之间准定量关系，探究等轴晶形成规律，进一步丰富凝固理论； ( 2 ) 为提出新的树枝晶向等轴晶转化学说创造实验基础； ( 3 ) 为下一步钢铁连铸生产工艺的改进提供理论依据和技术参考。 1 4 3 课题可行性分析 ( 1 ) 周期性振动作用于已凝固坯壳上，会引起凝固前沿生长的树枝 晶在溶液( 或溶液) 中进行受迫振动； ( 2 ) 忽略溶液内部温度场、浓度场和流场的复杂性和不确定性，机 械振动条件下凝固前沿树枝晶受力情况比较清晰，基于最大剪切应力原 理，结合机械振动学和力学知识，可以建立一个较简单的临界应力模型， 并提出相适宜的理论： ( 3 ) 在保证独创性的前提下，可以自主设计出振动凝固装置。实验 装置既能观察实验现象，又能提供准确的温度数据； ( 4 ) 化合物模拟金属凝固过程的实验技术比较成熟，其中3 0 n h 。c l 水溶液较为常用，基本物性参数比较容易获得； ( 5 ) 考虑到钢铁生产工艺已经发生变革，模铸仅局限在某些特定场 合，连铸技术已成为主流，在实验条件上要体现出连铸特点。连铸坯液相 穴很长，在这狭长的区域内，都存在着凝固前沿树枝晶生长现象。在低熔 点金属振动凝固实验过程中，可以设计得到一个小的凝固前沿，模仿连铸 坯内溶液凝固条件，利用机械振动作用将树枝晶折断，脱落的枝晶随液流 在溶液内部游离并最终成为非自发形核核心。 通过观察断面低倍组织，研究被折断枝晶的存留、生长和增殖情况； 对比分析溶液过热度对脱落枝晶再生长情况的影响。 鞍山科技大学硕士论文第二章机械振动改善凝固组织机理的探讨 第二章机械振动改善凝固组织机理的探讨 凝固过程是一个同时包含有固一液界面迁移、固相运动、传热、传质、 液相流动现象的综合过程，这些现象之间相互作用，同时也对周一液界面 的迁移速率及最终凝固结构产生决定性影响，而机械振动的引入使这一过 程变得更加复杂。周期性机械振动作用于凝固坯壳上，凝固前沿的枝晶会 随凝固壳一起做较复杂的受迫运动，凝固前沿乃至整个熔池内的流场、温 度场和浓度场都会发生很大改变。 为了客观地研究实际现象，同时又使复杂问题简单化，可以在保证准 确真实描述核心现象的前提下，简化和忽略次要因素。屠绕本课题，拟建 立一个机械振动条件下“合力弯曲”作用折断凝固前沿枝晶的临界应力模 型，并以此为核心内容，探讨机械振动改善凝固组织的机理。 2 1 “合力弯曲”折断枝昌的临界应力模型 2 1 1 基本假设 为了阐述折断机理，文中仅研究单个枝晶受力及断裂问题，并先对 其生长情况做如下假设： 弋 r 枝 g 1 g 目r l l d r 凝固坯竞 图2 - 1 枝晶模型 q 溶液 一 一 一 一 + j 一 搌盂 一 惯性 i 动阻力 一 一 只 图2 - 2 枝晶运动受力示意图 ( 1 ) 凝固前沿溶液没有其它因素造成的液体流动；溶液内部温度、 溶质分布均匀； ( 2 ) 不考虑凝固坯壳中热应力的影响；液流对枝晶产生的运动阻力 均匀地分布在枝晶表面。 ( 3 ) 忽略枝晶重力影响； 鞍山科技大学硕士论文第二章机械振动改善凝固组织机理的探讨 ( 4 ) 枝晶是由脆性材料制成的悬臂梁，枝晶的抗拉强度与抗压强度 相等，临界许用强度值为b l ； ( 5 ) 假设枝晶形状为圆柱形，不考虑二次臂及高次臂，根部没有颈 缩现象。枝晶一次间距为 l ，圆柱形枝晶直径为d ，( l d ，) 、长度为l ( 如 图2 1 所示) ； ( 6 ) 振动凝固过程中，己凝固的坯壳不发生破碎现象； ( 7 ) 枝晶随坯壳做一维水平振动，其振频和振幅同振动源一致， 只是位相有滞后，不考虑振动衰减。 2 1 2 枝晶运动状况描述 根据上文的假设条件，枝晶将随坯壳在一维方向上相对于静止时的平 衡位置做等振幅往复运动，其运动方程可以由下式表示【3 4 】： s = b s i n ( 2 n f i 一 ( 2 - 1 ) 式中：s 一一位移，m ； b 一一振幅，m ； t 一时间，s ； ，一一振动频率，h z ： 、l ，一一初位相，r a d ，负号代表枝晶初始振动位相比振源位 相滞后。 由式( 2 1 ) 可以推出速度方程及加速度方程： 矿：霉：2 z a ! i f c o s ( 2 z a f 训 ( 2 _ 2 ) 疵 、 口：粤：_ 4 b n - e f 2s m ( 2 n t f 一 ( 2 - 3 ) 出2 2 1 3 振动过程中枝晶受力情况分析 枝晶在运动过程中受力情况如图2 2 所示，其中c 、和瓦分别是 激振力、运动阻力与振动惯性力。 c 是振源传递给枝晶用以克服阻力进行一维受迫振动的力，作用点在 枝晶根部，方向与阻力方向相反。 根据上文的假设条件，枝晶间液体处于静止状态，振动过程中周围液 1 4 鞍山科技大学硕士论文第二章机械振动改善凝固组织机理的探讨 体会对运动的枝晶产生粘滞力及压力，二者的合力就是运动阻力e 。 枝晶随凝固坯壳相对于地面参照系做一维变速运动，坯壳及枝晶构成 了一个非惯性系。在非惯性系中，牛顿运动定律都已经不再适用，为了能 象惯性系中那样运用牛顿定律分析物体受力问题，需要引入惯性力这个概 念。在任何非惯性坐标系中的物体都要受到惯性力作用，严格意义上来讲， 惯性力是不存在的，它没有施力物体，来自于参考系本身的加速效应f 5 5 1 。 从非惯性系角度来看，枝晶除了受激振力c 、运动阻力易。，之外，也 受到惯性力f 。作用，以上三个力必须恰好平衡，才能保证枝晶在非惯体系 内处于静止状态。这样，在分析单个枝晶的受力及弯曲情况时，可以应用 静载荷处理方法来解决系统受到的 动载荷问题。 2 1 4 振动过程中枝晶受力计算 ( 1 ) 运动阻力及弯曲应力 如图2 - 3 所示，枝晶在运动过 程中，液体与树枝晶间相对速度为 v ，速度方向与枝晶轴线方向垂直。此图2 - 3 运动阻力示意图 时，液体作用在表面上( r ，e ) 点的力包括粘制应力和静压应力盯。两 方面，其大小可通过式( 2 - 4 ) 、式( 2 - 5 ) 计算：运动阻力易。在数值上表 现为粘滞阻力和静压应力作用在枝晶表面迎液流侧面上沿在一维振动方 向上的合力1 3 5 1 【3 ”。 =下3rvsin0ir0【3 6 1 口【o ，争( 2 _ 4 ) 2 面_ 口6 1 口【o ， _ 4 ) ：下3rvcos0【36】p10,争(2-5)oro。