（机械设计及理论专业论文）超声场对铝合金凝固作用机制试验研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 功率超声形成的能量可以使物质的物理、化学、生物特征或状态 发生改变，或者使其速率加快。通过在金属凝固过程施加功率超声可 以改变金属凝固过程特性，细化组织，减少成分偏析，提高力学性能 等。本论文重点研究了超声场对铝合金凝固过程作用机制及其对凝固 组织的影响。 首先论述了超声空化效应、声流效应以及超声场衰减特性，探索 了功率超声对金属熔体凝固过程作用机制，分析了功率超声对铝熔体 凝固过程热力学、动力学以及形核过程和宏观成分偏析的影响，为试 验的开展及其结果的分析提供了理论基础。 其次通过热分析方法研究了超声场对纯铝凝固过程特性影响。通 过热分析方法分析了冷却曲线、冷却速率曲线，确定了金属临界形核、 最大形核速率、形核结束以及凝固结束的特征温度点。实验结果表明 随着施振超声功率的增加，形核时间f 减小，且整个凝固时间t 。缩短， 经过超声场处理的铝熔体温度场更加均匀，温度梯度减小。通过对动 态凝固曲线分析表明纯铝熔体未经超声场处理时为逐层凝固方式，经 过超声波处理后转变为体积凝固方式。 另外研究了超声场对7 0 5 0 铝合金中z n 、m g 、c u 主要元素宏观分 布的影响，在铝合金熔体凝固过程中施加超声场，合金元素的宏观分 布趋于均匀，其中c u 元素的负偏析减弱，m g 元素的偏析大大减少， 超声振动减小了铝合金中z n 、m g 、c u 元素的宏观偏析。 再次分析了超声施振功率与细化晶粒尺寸关系。在铝熔体中导入 不同功率超声场，其凝固组织均有显著细化，随着施振超声功率的增 大，晶粒细化效果越好，但超声功率增大到一定程度后，晶粒进一步 细化效果不再明显。试验证明在铝熔体凝固过程不同温度区间施加超 声振动，温度过高、过低都将减弱细化效果，最佳施振温度区间为 7 6 0 6 6 0 ，施振功率2 4 0 w 时平均晶粒尺寸可达6 7 脚。最后对平均 晶粒尺寸与超声功率二者分析表明超声功率与细化晶粒尺寸近似满 足指数递减关系，为超声细晶技术在工业应用提供了试验依据。 最后采用不同超声施振功率对7 0 5 0 合金进行处理，对比不同功 率下沿超声传播方向铸件凝固组织的变化，发现铸锭纵向上随着距离 的增加凝固组织的晶粒尺寸不断变大，超声细晶效果越来越差，当施 中南大学硕士学位论文摘要 振功率2 4 0 w 时细晶最大距离可达2 6 5 m m 。最后分析得出超声功率与 细晶距离之间的数学关系式，这对功率超声应用于工业领域具有一定 的指导价值。 关键词：功率超声，热分析法，宏观偏析，晶粒细化 n 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 h i g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i ci sb a s e do np h y s i c s 、m e c h a n i c s 、m a t e r i a l a n ds oo n i ti sa na p p l i e dt e c h n o l o g yt h a tc h a n g e ss o m ea s p e c t so f o b j e c t s o rp r o p e r t i e s ，o ri t ss p e e di sc h a n g e db yu l t r a s o n i ce n e r g y h i g hi n t e n s i t y u l t r a s o n i ct r e a t m e n ti so n eo ft h ee f f e c t i v ew a y st oi m p r o v es o l i d i f i c a t i o n s t r u c t i o n 、m a c r o s e g r e g a t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em e t a li n t h ep r o c e s so fm e t a ls o l i d i f i c a t i o n t h i s p a p e rm a i ns t u d ya l u m i n u m u l t r a s o n i ce f f e c ti nt h ep r o c e s so fm e t a ls o l i d i f i c a t i o nw a ss h o w na s f o l l o w s ： f i r s to fa l l ，i ti sd e s c r i b et h ep o w e ru l t r a s o n i cc a v i t a t i o n a c o u s t i c s t r e a m i n ga n da t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee f f e c to fp o w e ru l t r a s o u n d o ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fm e l tm e t a lm e c h a n i s ma n da l u m i n u mm e l t t h e r m o d y n a m i c s 、k i n e t i c sa sw e l la st h en u c l e a t i o na n dt h em a c r o s e g r e g a t i o no ft h ee l e m e n t sw e r er e s e r c h e di nt h ee n d ，w h i c hp r o v i d e da a c a d e m i cb a s i sf o r t h e p r o c e e d i n go fe x p e r i m e n t sa n dt h e i r r e s u l t s a n a l y s i s s e c o n d l y , t h e e f f e c t so fu l t r a s o n i ct r e a t m e n to ns o l i d if i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sw a ss t u d i e db a s e so nt h et h e r m a la n a l y s i sm e t h o d t h e c r i t i c a ln u c l e u s ，m a x i m u mn u c l e a t i o nr a t e ，c h a r a c t e r i s t i cp o i n t si n v o l v i n g t h ef i n a l t e m p e r a t u r e s o fn u c l e a t i o na n ds o l i d i f i c a t i o nh a v e b e e n d e t e r m i n e do nt h eb a s i so ft h et h e r m a la n a l y s i sc o o l i n ga n dc o o l i n gr a t e c u r v e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tu l t r a s o u n df i e l dh a sas i g n i f i c a n t e f f e c to nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fp u r ea 1 i n c r e a s i n gt h ep o w e ro f u l t r a s o u n dc a nd e c r e a s et h ec o o l i n gt e m p e r a t u r ei si n c r e a s ea n dd e c r e a s e t h en u c l e a t i o nt i m es oa st h eo v e r a l ls o l i d i f i c a t i o nt i m ei s s o l i d i f i c a t i o n p r o c e s sm o d eo fa l u m i n u mm e l tw i t h o u tu l t r a s o u n dt r e a t m e n ti st h e l a y e r - b y - l a y e r , u n d e ru l t r a s o n i ct r e a t m e n tt e n dt ov o l u m es o l i d i f i c a t i o n m o d e l a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dc a nb e c o m em o r eu n i f o r ma n dd e c r e a s e t e m p e r a t u r eg r a d i e n tw i t ht h ea p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i cf i e l d b e s i d e s ，7 0 5 0a l u m i n u m a l l o y o fz n ，m g ，c ue l e m e n t so f 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t m a c r o d i s t r i b u t i o nu n d e ru l t r a s o n i cf i e l dw e r es t u d i e d t h es o l u t ee l e m e n t s i n7 0 5 0a l l o yc o u l db em a d eh o m o g e n e o u su n d e ru l t r a s o n i cf i e l d ，t h e n e g a t i v es e g r e g a t i o np h e n o m e n ao fc uw a sd e l e t e da n dt h es e g r e g a t i o no f m gw a sd e c r e a s e d t h em a c r o s e g r e g a t i o no ft h ee l e m e n t sz n 、m ga n dc u i n7 0 5 0a 1a l l o yw a sd e c r e a s e dw i t ht h ea p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i cf i e l d w i t hd i f f e r e n tp o w e r sd u r i n gs o l i d i f i c a t i o n i nt h ep r e s e n tt h e s i s ，t h ec a s t i n gi n g o ts t r u c t u r er e f i n i n gl a w so ft h e d i f f e r e n tu l t r a s o n i cp o w e r sw a sa n a l y z e d w i t hi n c r e a s i n go fu l t r a s o n i c p o w e r , m o r er e f i n e ds t r u c t u r e c a nb eo b t a i n e d h o w e v e r ，w h e nt h e u l t r a s o n i cp o w e rr e a c h e sac e r t a i nv a l u e ，t h ee f f e c to f r e f i n i n gg r a i n si sn o t i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e d ：d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s r a n g eo ft h ea l u m i n u mm e l ta p p l y i n gv i b r a t i o n ，t m p e r a t u r et o oh i g h ，t o o l o ww i l lw e a k e nt h ee f f e c to fr e f i n e m e n t ，t h e r ei sa no p t i m a lt e m p e r a t u r e r a n g e7 6 0 - 一6 6 00 ca p p l y i n gv i b r a t i o n ，u l t r a s o n i cp o w e r2 4 0 wa n dg r a i n s i z ei s6 7 u m t h e r ei sal a wb e t w e e nu l t r a s o n i cp o w e ra n dt h ea v e r a g e g r a i ns i z e ，m e e t i n ge x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i p s ，w h i c hp r o v i d ea n e x p e r i m e n t a lb a s i sf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n so fu l t r a s o n i cf i n e g r a i n e d t e c h n o l o g y f i n a l l y , u s i n gd i f f e r e n tu l t r a s o n i cp o w e ro ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s so f a l u m i n u ma l l o y , c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tp o w e ru l t r a s o u n dp r o p a g a t i o n d i r e c t i o n a l o n gt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ec h a n g e si nt h es a m p l ea n d f o u n dt h a tt h eg r a i ns i z eo fs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fc o n t i n u o u sd e c l i n e i nf i n e g r a i n e de f f e c tg e t t i n gw o r s e ，f i n e - g r a i n e dd i s t a n c eu pt o2 6 0 m m w h e nu l t r a s o n i c p o w e r2 4 0 w c a m e t ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h e m a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nu l t r a s o n i cp o w e ra n df i n e g r a i n e d d i s t a n c ei nt h ee n d ，i th a sc e r t a i ng u i d ev a l u ef o rp o w e ru l t r a s o n i c e f f e c t i v et r e a t i n gm e t a lm e l tu s e di ni n d u s t r i a lf i l e d k e y w o r d s ：p o w e ru l t r a s o n i c ，t h e r m a la n a l y s i s m e t h o d ， m a c r o s e g r e g a t i o n ，r e f i n i n g i v 原创性声明 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己在在论文中作了明确的说 明。 作者虢拯篮吼斗年月2 日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 嗍：年年s - j 7 2 _ 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代科学技术的发展，特别是航天、航空及核能等高技术的发展，对材 料性能提出了越来越高的要求。在材料科学领域中，控制材料凝固过程已成为提 高材料性能和开发新兴材料的重要途径之一。近几十年来，材料凝固技术取得了 许多重要进展，包括连续铸造的扩大应用；定向凝固与单晶生长技术的完善；半 固态从研究走上了实际应用等。如何创造各种凝固条件来控制材料的凝固组织， 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 是材料工作者长期追求和奋斗的目标【卜5 1 。挖掘材料的潜在性能以获得具有优异 性能和特定功能的新型材料是各国工作者广泛关注的课题。 基于上述发展思路，在凝固过程中施加物理外场处理技术己成为提高材料性 能重要工艺手段之一。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 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。 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 三个方面1 6 “l j ( 1 ) 对金属熔体的凝固过程进行超声场处理；( 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 1 世纪， 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 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研究的热点 1 2 - 1 3 】，近几十年来各种物理场对材料凝固过程和组织的影响受到特别关注【1 3 - 1 7 】， 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 响使其在材料领域的研究和应用再次成为热点。 人们在利用各种手段控制凝固过程的研究和生产实践中发现利用超声场的 多种功能对金属的凝固过程进行控制有着明显的优越性，所以这一技术一经出现 就受到了人们极大关注，目前研究已经取得了初步性的成果，并已在实际生产中 得到应用。在金属凝固过程中施加超声外场这一方法具有不改变合金的原有成 分、无污染、设备简单、操作方便等其它方法不可替代的优点。近十年来的研究 表明，在合金的凝固过程中施加超声场对细化晶粒效果显著。有关晶粒细化的研 究虽开展了很多，但深入系统性、规律性的工作不多。在金属凝固过程中施加超 声场能细化晶粒，增加等轴晶，减少宏观偏析和气孔等增加力学性能已经被许多 学者所证实【1 8 之0 1 ，但具体的机制尚不完全清楚，研究者们的观点也存在一定的分 歧，而弄清楚具体的影响凝固机制是非常重要的，它可以对金属的凝固过程提供 中南大学硕士学位论文第一章绪论 理论指导。所以，本课题从研究超声场对改变金属凝固过程特性出发，探讨功率 超声对金属凝固过程作用机制，宏观偏析以及超声功率对金属组织细化规律和有 效细晶范围等，这对超声细晶技术广泛地应用于工业领域有着十分重要的价值。 1 2 功率超声的应用发展前景 超声在国防和国民经济中的用途可分为两大类【2 1 】：一类是利用它的能量来 改变材料的某些状态，这需要产生相当大的或比较大的超声功率，实际是大功率 超声简称功率超声；第二类是利用它的高指向性采集信息，称检测超声。 高强超声在媒质中传播时，会产生一系列效应，如力学效应、热学效应、化 学效应和生物效应等【2 2 1 。在力学效应中有搅拌、分散、除气、成雾、凝聚、冲 击破碎和疲劳损坏作用；在热学效应中有声能被吸收而引起的整体加热、边界处 的局部加热；在化学效应中可以促进氧化、还原，促进高分子物质的聚合或解聚 作用。所有这些都是超声波的次级效应，真正的起因是以下的一些基本作用：( 1 ) 线性的交变振动作用，超声波在媒质中传播时使质点作交变振动，从而引起一系 列的次级效应。( 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的一系列效应。( 3 ) 振 动的非线性会引起一些直流定向力，其中最主要的辐射力，此外还会在粒子间引 起相互靠近的伯努利力，因此可以说明一些定向及凝聚作用等力学效应；( 4 ) 空 化作用会引起一系列次级效应，如分散、乳化和化学效应等。 随着功率超声应用领域的不断扩大，要求提供功率更大，声强更高的超声振 动源，不仅要提高单个超声换能器的功率容量，还要发展功率合成的振动系统， 并深入探讨功率超声对物质的作用机制。 1 3 超声场对熔体的作用机制 1 3 1 超声波简介 超声波通常指的是频率高于2 0 k h z 的声波，具有频率高、波长短、束射性强 和易于集中能量的特点。超声波的应用大致可分为检测超声和功率超声两大类。 检测超声是通过超声波在介质中传播、散射、吸收以及波形转换等，实现对 介质性质、内部缺陷或结构等的检测，同时，超声波作为一种能量形式，当其强 度超过一定值时，通过其与传声介质的相互作用，能够影响、改变甚至破坏介质 的性质与状态，或者使这种改变的过程加快，这称之为功率超声，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一些物理、化学和生物特性或状态的 中南大学硕七学位论文第一章绪论 技术。声能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。通过超声波在凝固金属中形成的多种效应的综合作用来改变金属的凝 固过程，最终改善金属材料的凝固行为，获得优良组织和性能的材料。 超声场在媒介中传播时，会产生许多效应，其基本效应有：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声空化和声流。 1 3 2 声空化效应 超声空化是强超声在熔体中传播时引起的一种特有的物理现象，是一种典型 的非线性声学问题。就是熔体中的微小气泡( 空化核) 在声场作用下发生的一系 列动力过型2 3 】。超声波在熔体介质中传播时，在交变声场作用下，质点( 分子或 原子) 以其平置为中心振动。在声波的负压相内，质点间距增大，熔体受到拉应 力，当熔体受到的相应负压力足够强，质点间的平均距离就会超过极限距离，从 而破坏了结构完整性，形成空化泡，此时空化泡中充满稀薄气体或蒸气，形成空 化核，通常合会熔体中总存在一定量的微气泡，但并不是熔体中的所有微气泡都 能成为空化泡，只有当熔体内的声压超过一定的阀值时，空化泡才能形成，当足 够强度的超声波通过熔体时，当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部静压强 时，存在于熔体中的微小气泡( 空化核) 就会迅速增大，而在相继而来的声波正 压相中，气泡又被突然绝热压缩直到崩溃，崩溃的瞬间在气泡及周围微小空间内 出现“热点”，形成高温高压区，空化气泡破灭能产生的最高温度为8 9 1 0 4 k ， 产生的最大压强为1 6 2 1 0 4 a t m ，并伴有强大的冲击波和时速达4 0 0 k m 的射流以及 伴随瞬间放电发光过程。 根据气泡不同的动力学行为可将空化分为稳态空化和瞬时空化。i j 者是指当 熔体声场中存在适当大小的气泡时，它们在交变声压作用下可能进入个体共振 ( 即体脉动) 状态，当声波频率接近气泡体共振的特征频率时的动力过程，这一 过程往往伴随一系y u - 阶现象产生，包括辐射力作用和伴随气泡脉动而发生的微 声流，而后者指在较高的声场中气泡的动力学过程更为复杂和激烈，存在于熔体 中的空化核迅速膨胀，随即又在正压相下突然收缩以至崩溃。当气泡的体积收缩 到极小时，其温度可高达数千度，气泡中的水蒸气被分解为h 和0 h 自由基，自由 基又迅速与其他成分发生化学反应，此外在空化泡崩溃时还有声致发光、冲击波 及高速射流等现象伴随发生，这一系列动力学过程称为超声空化。 图1 - 1 为超声波在水中形成空化泡的图片，( b ) 为( a ) 的放大图【2 4 1 。随着时间 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 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，并且山于气泡周 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【2 5 - 2 7 1 。虽然这只是在局部微小范同内的瞬时作用，1 日山于波动频 率很高，它对整个系统也势必产生显著作用。 藤 3 , 3 声流效应 图卜1 超声波在水雾化时形成空化泡 超声场在熔体中传播时，山于声波与熔体的* 性力交兀作用，在有限振幅衰 减熔体内从声源处，f 始形成一定的声压梯度，引起熔体的流动“”州j 。熔体中距 离声源越远，声流引起的等效力越小。声流的产生表明声场对媒质施加了一个按 时问平均，不为零的力。在高能超声情况下，当声爪幅超过一定值时熔体中可 以产生一个流体的喷射。此喷流直接离开超声变幅 t 的端面， = 在整个流体中形成 环流，这便是声流( 图卜2 ) 。声流是环流与紊流的结合，因此声流不仅可明显提 高温度场的均匀性，而且对颗粒具有微观的搅拌作用。 圈卜2 超声场在蝽体中形成的声流示意图 在高能超声情况下当声压幅超过一定值时，熔体中可以产生一个流体的喷 射。此喷流直接离开超声变幅卡t 的端面并在整个流体中形成环流。罔1 - 3 为超声 波导入p bb 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 p ”。从圈中声流速度可以看出，在此超声波能量导 的情况下，虽大流体 速度可以达n 3 0 0 m s 。 中南大学硬士学位论文 第一章绪论 囤卜3 超声波导八p b b i 流体中得到的声流连度分布 超声场在液体中引起的声流的加速度很大，并使声流咀较大的速度运动，可 达到对流速度的1 0 1 03 倍。 1 3 4 机械效应 ( 1 ) 机械搅拌2 ：超声的高频振动及辐射压力可在气、熔体中形成有效的搅 动和流动。空化气泡振动对固体表面产生强烈射流和局部微冲流，均能显著减弱 熔体的表面张力和摩擦力，并破坏固液界面的附属层，因此达到普通低频机械拌 动达不到的效果。 ( 2 ) 相互扩散：利用超声振动及空化的压力，高温效应，促进i i i i 种熔体，两种固 体或者液固，液一气界面之间，发生分子的相互渗透，形成新的物质属性。 ( 3 ) 均匀化：空化泡闭合后产生的局部冲击波，可击碎液体中的颗粒，使其细 化均匀将较大小不均匀晶粒均匀分散在熔体中。 l 3 5 热效应 超声波是。种机械波具有良好的定向性和聚焦性。当超声波在熔体介质中 转播时，质点首先受到机械作用，部分机械能又转化为热能。当声强达到空化阀 值时，还可能产生空化效应。因此，超卢波热效应源于其机械效应，高温热效应 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。 1 3 6 超声衰减效应 超声波在熔体中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象 叫做超声波的衰减。从理论上讲，主要有三种原因引起超声波的衰减m 1 ： ( 1 ) 声柬扩散引起的超声波衰减 超声波在熔体传播时，由于声束的扩敞使能量逛渐分散，从而使单位面积内 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 超声波的能量随传播距离的增加而减弱，超声波的声压和声强均随离开声源的距 离的增加而减弱，超声波的这种衰减称为扩散衰减。 ( 2 ) 散射引起的超声波衰减 声波在熔体传播过程中遇到由不同声阻介质所组成的界面，将产生散射反 射，从而损耗了声波的能量，被散射的超声波在介质中沿着复杂路径传播下去， 最终变成热能。我们把这种衰减叫做散射衰减。 实际的材料不可能绝对均匀，这种材料的非均匀性是由下述几种原因造成 的：材料中的外来杂质( 例如锻件中的非金属央渣或气孔) ，对于合金材料，材 料本身就有不同元素成分，例如，钢和铜的晶粒混杂在一起，即使是完整的单晶 材料，由于热起伏引起局部密度变化，使得整体材料声阻抗不均匀，也会导致声 的散射衰减。 ( 3 ) 由介质吸收引起的超声波衰减 声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的摩擦，从而使一 部分声能传换为热能；同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进 行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象，通常由于介质的吸收 引起的超声波的衰减叫做粘滞衰减。 粘滞性越大，声速越高，吸收越小，而且，声速的吸收系数均随频率的增高 而增大。 超声波的衰减有两种表示方法，一种是用底波多次反射的次数来表示，这种 表示方法仅能粗略地比较超声波在不同材料中的衰减程度，也就是对同样厚度的 不同材料在同样的仪器灵敏度下，观察它们的底面反射波( 底波) 的次数，底波 次数多的材料，说明声波在该材料中衰减减少，底波次数少，则声波衰减严重： 另一种是理论上定量计算的表示方法，即用衰减系数来表示声波的衰减。 1 4 超声在材料制备中的研究现状 常用的多晶金属材料是由许多晶粒和晶界组成，晶界及相邻晶粒取向不同对 金属具有强化效应，所以通过细化晶粒来提高材料的室温强度、塑性和韧性，是 金属材料常用的强韧化方法之一。常用的细化晶粒方法有化学方法和物理方法。 化学方法通常采用额外加入形核剂的方法，在铝的凝固过程中通过异质形核使晶 粒细化，例如在铝中加入5 t i 、1 b 能实现晶粒的显著细化。但是，加入额外 的晶粒细化剂可能导致有害的副作用，使产品的性能下降。例如，如果t i b 2 在 金属中偏聚会损害最终产品的性能。另外，有些合金难以通过加入中间合金细化 剂实现晶粒细化。物理方法主要是指振动而言，包括机械振动、声波和超声波振 动以及电磁搅拌。机械搅拌的工艺参数难以控制，搅拌设备易磨损和腐蚀，不适 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 于高熔点合金和易氧化舍会，因此该方法仍处于实验室阶段，很难在工业上推广 应用。在金属和合盒凝固过程中施加超声波振动，消除了不理想的柱状区，细化 了晶粒，增加了等轴细晶结构。 近十几年来在对材料处理过程中施加超声场这一方法对细化晶粒、改善组织 有显著的作用，并且设备简单，可以在现有的设备上进行改造，因此，这种晶粒 细化工艺一经出现，就受到了极大的关注。 超声场应用于金属材料的制各，其主要作用是利用声空化和声流等综合效应 来改变金属凝固过程，达到改善凝固组织，减小偏析，细化晶粒，提高金属或合 金力学性能的目的。 1 4 1 超声场对金属凝固组织的影响 臻懑 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 布更加均匀，并且呈球状。 d o b a t k i n 和e s k i n l 3 8 噪用底部导入法研究了超声波对铝台金凝固过程的影 响。结果表明：含有微量t i 、z r 、b 元素的舍命经过超声处理后宏观晶粒尺寸减 d n 未处理时的1 4 0 ，拉伸强度提高了2 0 - - 2 5 。 国内最早由东南大学的何德坪等人于2 0 世纪8 0 年代末将超声场引入到 金属的凝固过程中。成功地将超声场引入到a l - s 1 合会水平连铸中，其中，超声 场频率为2 23 k h z ，采用顶部导入法。在超声场的作用下采用水平连铸制备的 铸坯，表面质量显著提高，凝固组织细化且成分偏析得到抑制。同时分析了不同 超声频率、不同超声功率对台金凝固过程的影响。 ( a ) 未经超声处理( b ) 经过超声处理 图1 - 5 卜17 s i 铸坯合金微观组织 东北大学李英龙h 伽等研究了a l s - 合金凝固过程中全程施加超声处理和仅在 结晶 “施加超声处理对a l s t 台金铸造组织和性能的影响。结果表明全程施加超 声处理使共晶s 显著细化，断裂并呈粒状分布。而以同样声强在结晶前施加超 声处理虽然也能细化共晶硅，但仍呈针状分布。 赵忠兴等采用底部导入超声方式对铝合金进行了处理，经超声处理后台 会组织得到明显细化，树枝晶被打碎，形成均匀的等轴组织。分析了超声波导入 方式对合金显微组织的影响，探讨了超声波在铝合金熔体中的传播距离与显微组 织细化的关系。认为超声波在熔体中传播时，将会产生周期的应山和卢压变化， 在卢波的波面处形成根强的压力梯度，产生局部的高温高压效应，这种效应导致 瞬间的丁f 压、负压变化。导敛结晶过程中固液界面f 在彤核、长大的晶胚脱落 下柬，被超声振动作用下的台金液带到整个熔体的各个部位，从而改变固液界面 的结晶方式。 李喜孟 删在不同的功率超声场作用下，对铝合会进行超声处理，研究了不 同的超声参数及工艺参数对铝合金铸坯晶粒细化的试验研究，验证了超声处理可 咀明显细化晶粒，改善元素的偏析倾向，随着超声功率的增加，改善作用的效果 越明显。 叶1 南大学陈康华 4 3 4 5 】等将超声场引入到铝台会的铸造中，改善了铸坯的凝崮 中南大学硕士学位论文第一章绪论 组织及性能。 李军文【| 6 】等在超声净化及细化组织方面开展了中发更多的研究。研究结果 表明，超声场作用下铝合金的晶粒明显细化，在除气净化方面，铸锭气孔率明显 降低。 戚飞鹏 4 7 1 等研究了不同超声场处理对s n - s b 合金凝固组织的影响。研究发现 未施加超声场处理时基体品粒比较粗大，方块状的口相( s n - s b 化合物) 全部聚集 于铸锭的顶部，而底部只有少量的网状口相，造成了十分严重的比重偏析。施加 超声场后，不仅基体晶粒得到了明显的细化，而且口相的形状也发生了显著变化， 从尖锐的方形变成多边形当超声功率为6 0 0 w 时，口相接近于球形，同时比重 偏析消除。 毛大恒肄采用双头式超声波导入杆在水平式双辊铸轧机进行超声波铝板 带的铸轧试验，超声波作用下增加铸轧铝板带的金相组织品粒细化程度，组织更 加均匀( 见图1 - 6 ) 。初步探索了功率超声在铝铸轧过程中的应用，超声场对铸轧 铝板带组织的影响及作用机制。 圈蕊 ( ) 耒经超声处理( 曲经过超声处理 图1 6 板带表面金相组织 李晓谦m 9 - 5 0 噜初步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。 国1 7 不同位置的铸键微观组织 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 同时有些学者通过透明有机物在超声场中结晶的模拟试验发现，超声处理能 使在过冷液体中所产生的结晶核心数目急剧增加。在对金属的研究中，虽然无法 用直接方法显示出金届的结晶情况，但是，可以对铸锭的尼微组织进行分析，许 多研究人员把在有机物溶液试验中所取得的成果应用到会属上来，显示了在高于 液相线温度时用弹性振动处理金属的结果，铝合余晶粒组织明显细化1 5 i 。 对于超声波处理钢液的研究。a b r a m o v 使用超声波处理碳钢，超声振动使铸 卷下u 8 和u 1 0 钢的晶粒尺寸从2 0 0 i t m 减小到2 5 5 0 9 m ；w 18 钢经超声处理后， 碳化物偏析明显减轻：同时发现钢中含碳量越高，超声处理的效果就越明显，对 于古碳量少于0 4 的亚共析钢进行超声处理的效果却就不太理想。而对s t 4 0 钢进行变质和超声联合处理时，不仪得到了晶粒细化的珠光体组纵，而且i f i 打碎 了铁索体网，这种组织和退火中碳钢的等轴组织很相似【5 “。s h k h 在铬钢半连铸 中，对熔体施j j u 超声振动，结果大大减小轴向疏松和缩小铸坯柱状品区，扩大等 轴品区，使晶粒和碳化物尺寸缩小。其它类钢也表现出裒好的超声处理性。超声 振动处理所有铁素体钢的试验结果表明，超声振动町以抑制杜状品的生长，细化 宏观和微观组织，同时也改善了钢锭的均匀性。上海大学材料学院翟启杰等人对 t 1 0 钢的超声处理研究也发现了相同的规律。 硒 图卜8 t 10 钢微观组织覆s b m 断口扫描照h a 未加超声，b 、c 、d 施加不同功率的超声 4 2 超声场对成分偏析的研究现状 偏析是一种化学成分才i 均匀现象，是凝同过程中溶质再分配的必然结果。在 凝吲中，液态与固态以及液- 固相之间的扩散，往往柬不及使备相随时达到相应 温度下的平衡浓度，使初始析出的崮相与液相浓度不同先析出的固相与后析出 的圃相化学成分不同，甚至在个晶粒内各个微小区域也因凝固先后不可，其化 中南大学硕士学位论文第一章绪论 学成分有差异，这种化学成分的不均匀性称为偏析。可以把偏析分为宏观偏析和 显微偏析两种。宏观偏析包括比重偏析、正偏析、反偏析、通道偏析和带状偏析 等。宏观偏析表现为铸件内外或上下各部位之间化学成分的差异。宏观偏析的形 成机理可能有以下几种：( 1 ) 生长界面前沿的扩散层向纯液相流动并混合。这是 以平面或几乎为平面生长的材料形成宏观偏析的重要机理。而对于枝晶方式生长 的材料，枝晶前沿的扩散层较薄这一机理却可能不是主要的。由于扩散和混合 是一个缓慢的过程，只有在长的凝固时间后，才能出现明显的宏观偏析。( 2 ) 纯 液相中析出固相或析出另一液相并沉积，如等轴晶或非金属夹杂物在铸锭的某一 部分优先沉积。在这一过程中，控制偏析的主要因素为形核和新相的生长。只有 在凝固足够时间后，新相由于重力或其它作用沉积，才能形成宏观偏析。( 3 ) 由 于凝固体收缩弓【起糊状区液体流动。当凝固条件( 凝固速度、温度梯度) 突然变 化时，可形成明显的宏观偏析。( 4 ) 由于枝晶间流体与纯液相的密度差异形成对 流。这一过程使含较多溶质的枝晶问液体流入纯液相，使铸件最后凝固的部分浓 度升高。只要凝固时间较长，就可形成明显的宏观偏析。 国外chg u t 和bo g d 等众多研究人员对不同超声下的合盒成分偏析做试 验，研究了超声对过共晶a 1 - s i 台金初生s i 的偏析规律。结果表明，虽然超声振 荡引起过共晶a l s l 舍金中仞生s - 的显著细化和圆整化，但常会使坯料表面出现 仞生s l 偏析层，合金中s 1 含量越大，初生s i 偏析层越厚；提高超声功率、降低 合舍熔体玲却速度都会减小或消除初生s - 偏析层。在超声振荡条件下，坯料表 面初生s t 偏析层的主要原因是固- 液界面处的温度梯度过太和存在一层跗面层。 ( a ) 耒加超声处理， 图l 一9 不同超声功率下a ( b ) 超声施振 s i 合金铸坯的微观组织 国内李军文，高学鹏”。”等对a 】s i 合金键台线水平连铸坯的微观组织形貌 以及溶质元素在基体中的分靠情况做了研究，实验结果表明：在功率超声作用下， 铸坯的凝固组织得到了细化，s j 元素在a 1 基体中的固溶度及其分布的均匀性 得到了提高溶质偏析得到了抑制从功率超声对a 1 s i 合会凝固过程中的溶质扩 散，结晶温度叫隔，液穴形态，温度场和流动场以及合金微观组织形貌的影响出 发，尝试性地对功率超声抑制溶质元素微观偏析的机理进行探讨性解释和说明。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 论文课题来源、研究意义及内容安t - - i 1 5 1 课题来源 本论文来源于国家重大基础研究发展项目( 9 7 3 计划) “高性能铝材与铝资 源高效利用的基础研究”的课题7 “大铸锭能量传输与宏微观缺陷的产生及控制” ( 编号：2 0 0 5 c b 6 2 3 7 0 7 ) 和国家高技术研究发展技术( “8 6 3 计划)“多能场 制备微细晶铝合金带坯与装备技术”( 编号：2 0 0 8 a a 0 3 2 1 0 3 ) 。 1 5 2 研究意义 将超声场用于材料制备加工过程实现对材料凝固过程和组织的控制已形成 了多学科交叉的研究领域。虽然国内外学者就有关超声波对金属凝固过程的影响 进行了广泛研究，并在超声凝固理论研究中取得了可喜的结果。但是超声场对金 属凝固过程的研究还处于初期阶段，没有十分深入的理论和实验分析。为推动冶 金行业的快速发展，使超声凝固技术更好地应用于实践，提高金属合金的力学性 能开辟新的途径，拓宽超声场在材料加工中的应用范围，有必要对其进行广泛研 究。 金属凝固时，要获得化学成分均匀一致的铸锭和铸件非常困难的。金属铸态 组织中常见的成分偏析现象会对材料的性能产生许多不良的影响，因此在各种工 艺中应尽可能地减小成分偏析，把它对材料性能的不良影响降低到最低限度。而 宏观偏析是凝固过程中各种复杂的凝固形态所造成，要想消除宏观偏析是很艰难 的，只有减少它的形成。有关超声影响宏观偏析的报道很少，并且作用机制尚属 空白。因此研究超声场对合金宏观偏析的影响规律，探讨其作用机制，将有能探 索出一条新的减少宏观偏析的途径，将对实际生产有指导意义，因此具有较大的 研究价值。 合金的结晶过程对铸件的宏观组织和微观结构都会产生很大的影响，而合金 的凝固组织在很大程度上与熔体凝固方式，熔体凝固温度场以及熔体凝固过程过 冷度、结晶温度等密切相关。对于超声场改善余属凝固组织的研究，国内外已开 展了很多工作，但是关于超声场对合金结晶过程及结晶温度的影响还有待于进一 步研究。研究在超声场作