超聲波對(duì)A380凝固行為的實(shí)驗(yàn)研究分析材料成型與控制工程專業(yè)

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1、 摘要 傳統(tǒng)導(dǎo)入方式的超聲波處理雖然能夠顯著改善金屬凝固組織和強(qiáng)化金屬材料性能，但是由于存在諸多缺點(diǎn)，比如容易卷入夾雜物、對(duì)于高溫合金的操作困難等，使得該技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用上有很大的難度。本文采用自主研發(fā)的“自吸式變幅桿”超聲側(cè)部導(dǎo)入技術(shù)，解決了超聲波導(dǎo)入難題，并研究了該超聲處理技術(shù)對(duì)鋁基和鐵基合金凝固特性、組織和性能的影響，探討了其中的基礎(chǔ)理論問題。為了探索超聲波側(cè)部導(dǎo)入處理工藝的可行性。本文通過實(shí)驗(yàn)分析超聲波對(duì)A380凝固行為。 關(guān)鍵詞：超聲波；A380；凝固 ABSTRACT Traditional ways of in

2、troducing ultrasonic treatment although can significantly improve the solidification structure of metals and metal materials to strengthen performance, but due to the existence of many shortcomings, such as easy to get caught up in inclusion, difficult operation to high-temperature alloy and so on,

3、making the technique has great difficult in industrial applications. In this paper, the independent research and development of "self suction horn" ultrasonic side of import technology to solve the ultrasonic import problem, and to study the effect of the ultrasonic treatment technology of aluminum

4、matrix and iron-based alloy solidification characteristics, microstructure and properties of, discusses the basic theoretical problems. In order to explore the feasibility of ultrasonic treatment technology. In this paper, the solidification behavior of A380 is analyzed by experiment. KEY WORDS: ul

5、trasonic; A380; solidification 目錄 摘要 I ABSTRACT II 引言 1 1相關(guān)概述 1 1.1超聲波處理技術(shù) 1 1.2超聲波中的金屬熔體凝固 2 1.2.1超聲波處理工藝 2 1.2.2超聲波在低溫合金凝固過程中應(yīng)用 3 1.2.3超聲波在中溫合金凝固過程中的應(yīng)用 4 2實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 6 2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備 6 2.1.1超聲波處理設(shè)備 7 2.1.2超聲波衰減測量設(shè)備 8 2.2分梳則試儀器 9 3超聲波對(duì)凝固特性和組織的影響 12 3.1實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方案 12 3.1.1實(shí)驗(yàn)材料

6、 12 3.1.2實(shí)驗(yàn)方案 13 3.2超聲波處理對(duì)力學(xué)性能的影響 14 3.2.1超聲波處理對(duì)抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響 14 3.2.2超聲波處理對(duì)斷口形貌的影響 17 4總結(jié) 19 參考文獻(xiàn) 20 致謝 21 引言 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅對(duì)材料性能要求越來越高，而且對(duì)環(huán)保要求也日趨嚴(yán)格。材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性促使綠色材料加工技術(shù)的飛速發(fā)展。傳統(tǒng)的冶金化學(xué)手段細(xì)化凝固組織工藝受到了環(huán)境理念的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，凝固技術(shù)正朝著高效、環(huán)保的方向發(fā)展。如何能在不“污染”環(huán)境及材料的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬凝固過程和凝固組織的控制是冶金及

7、材料工作者長期追求和奮斗的目標(biāo)。 1相關(guān)概述 基于上述發(fā)展思路，在凝固過程中施加物理場處理技術(shù)成為提高材料性能的重要工藝手段之一。外加物理場處理技術(shù)是在金屬凝固前或凝固過程中對(duì)金屬熔體施加物理場，利用金屬和物理場相互作用，改善其凝固過程和組織的一種技術(shù)。該技術(shù)具有環(huán)境友好、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。按照外場種類不同，該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要集中在以下三個(gè)方面： 1)對(duì)金屬熔體的凝固過程進(jìn)行超聲波處理;2)讓金屬熔體在磁場中凝固，即磁場處理;3)讓電流通過金屬熔體，即電流處理。 進(jìn)入21世紀(jì)后，物理、材料和電子等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使大功率超聲波、磁場和電流等物理手段的產(chǎn)生成為可能，因此從20世

8、紀(jì)90年代起物理場凝固細(xì)晶技術(shù)成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近幾十年來各種物理場對(duì)材料凝固過程和組織的影響研究受到特別的關(guān)注，尤其是大功率超聲波由于其獨(dú)特的聲學(xué)效應(yīng)對(duì)金屬凝固過程具有十分顯著的影響，因此在材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用再次成為熱點(diǎn)。 本課題主要研究功率超聲波處理對(duì)金屬凝固過程的影響，系統(tǒng)考察了不同超聲波功率處理下金屬的凝固行為，揭示超聲波處理對(duì)金屬凝固行為的影響機(jī)制;建立了超聲波在熔體中傳播的“衰減”模型，得到超聲波在熔體中傳播的有效傳播距離，為工藝參數(shù)的選擇和工業(yè)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。 1.1超聲波處理技術(shù) 超聲波通常指的是頻率高于2X1擴(kuò)Hz的聲波。從其使用用途來分包括檢測超聲

9、、功率超聲和醫(yī)學(xué)超聲。功率超聲處理是通過超聲能量對(duì)物質(zhì)的作用來改變或加速改變物質(zhì)的一些物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)的技術(shù)。功率超聲學(xué)涉及的主要內(nèi)容包括大功率和高聲強(qiáng)超聲波的產(chǎn)生(包括大功率超聲換能器、變幅桿、變幅器、振動(dòng)方向變換器和處理工具等)，聲能對(duì)物質(zhì)的作用機(jī)理和各種超聲處理技術(shù)應(yīng)用。其中聲能量對(duì)物質(zhì)的作用機(jī)制是功率超聲較為獨(dú)特的問題，也是一個(gè)有待于繼續(xù)深入研究的課題。因此本文將采用特定的導(dǎo)入設(shè)備，將功率超聲波施加到液態(tài)金屬的凝固過程中，通過功率超聲波在凝固金屬中形成的多種效應(yīng)的綜合作用，改變金屬的凝固過程，最終改善或控制金屬材料的凝固行為，獲得優(yōu)良組織和性能的材料。 早期的超聲波

10、處理工藝發(fā)展非常緩慢，因?yàn)橛性S多問題困擾超聲波處理的應(yīng)用，其中最突出的是功率超聲波產(chǎn)生設(shè)備的研制問題。隨著人們對(duì)超聲波處理研究的不斷深入以及物理、材料和電子等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，逐漸找到了解決方案。尤其是大功率晶體管的出現(xiàn)，包括vMOs和IGBT管的制造不斷取得進(jìn)展，功率合成系統(tǒng)不斷完善，使得功率超聲發(fā)生器輸出功率可以達(dá)到幾十千瓦，滿足了工業(yè)應(yīng)用的需求。據(jù)報(bào)道，美國ETREMA PRODUCTS公司用Terfenol-D磁致伸縮合金設(shè)計(jì)制造了25kW的超聲源，結(jié)合形狀記憶合金(Cu-AI-Me)作為變幅桿，具有較高的疲勞壽命及抗空化腐蝕性能。超聲波產(chǎn)生設(shè)備的突破促使了超聲波處理技術(shù)的廣泛應(yīng)

11、用。 1.2超聲波中的金屬熔體凝固 1.2.1超聲波處理工藝 傳統(tǒng)的超聲波導(dǎo)入方法主要有頂端導(dǎo)入和底端導(dǎo)入兩種方式，如圖1-6所示。它們共同的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，但這兩種導(dǎo)入方式各有其不足之處。對(duì)于底端導(dǎo)入來說，由于振蕩器和盛放金屬熔液的模子相粘接，那么有一部分超聲振動(dòng)不可避免的被模子吸收，特別是金屬液澆入鑄模后首先從底部開始凝固，導(dǎo)致振動(dòng)效率降低，所以上部的金屬熔液超聲處理效果很差，尤其對(duì)于比重偏析嚴(yán)重的金屬則需要用比頂端導(dǎo)入高出很多的振動(dòng)強(qiáng)度才能取得相同的效果。頂端導(dǎo)入的效率雖說比較高，但變幅桿浸入液面，在超聲波使合金液呈劇烈的振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，合金液面連續(xù)的氧化膜遭到破壞，而這些破碎

12、的氧化膜被振動(dòng)的合金液從表面卷入到熔液的內(nèi)部而形成夾雜，同時(shí)處理高溫金屬時(shí)，對(duì)變幅桿的材質(zhì)會(huì)造成嚴(yán)重的高溫腐蝕。 本文對(duì)傳統(tǒng)的超聲波導(dǎo)入工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用自吸式側(cè)部導(dǎo)入方式，工藝示意圖為圖1-6 。其特征在于利用特殊設(shè)計(jì)變幅桿的自吸力使其與增鍋緊密接觸，將超聲波從側(cè)部導(dǎo)入柑渦內(nèi)的金屬熔液中。本工藝一改傳統(tǒng)的頂部和底部導(dǎo)入法，不直接接觸金屬熔液，從而避免了變幅桿由于與高溫金屬液相浸觸所造成的腐蝕和損耗。不會(huì)造成表面氧化物和雜卷入金屬液內(nèi)部，避免了外來夾雜物，而且可以隨著試塊處理部位的需要靈活的改變超聲源位置，提高處理效果。 圖1-6傳統(tǒng)超聲波導(dǎo)入方式 圖1-7側(cè)部導(dǎo)入超聲波裝置示意

13、圖 1.2.2超聲波在低溫合金凝固過程中應(yīng)用 20世紀(jì)30年代，D. Loomis, W. Wood和S. Danilov等學(xué)者分別研究了超聲振動(dòng)對(duì)金屬和有機(jī)物凝固過程的影響。隨后S. Sokolov, T. Teumin, P. Alekseev, G. Eskin和O. Abramov等人也分別對(duì)超聲場下金屬的凝固規(guī)律進(jìn)行了探索[[67-69]0 O. Abramov, G. Eskin和F. Gurevich使用20kHz的超聲波處理具有不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的純金屬，其中包括Bi, Zn, Sn。換能器傳遞的能量為100-250W[70}7i]。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)換能器的輸出功率

14、為1 OOW時(shí)，Sn的晶粒開始細(xì)化。而當(dāng)換能器的輸出功率提高到250W時(shí)，Bi, Zn的晶粒才開始細(xì)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示，超聲處理能使具有不同點(diǎn)陣的金屬晶粒細(xì)化。金屬熔點(diǎn)較低晶粒形貌變化最大，隨著材料熔化溫度增加，細(xì)化效果減弱。 G.N. Kozhemyakin研究了功率超聲波振動(dòng)對(duì)InSb晶體凝固過程生長的影響。結(jié)果表明，超聲波振動(dòng)能影響InSb晶體的生長方向，擇優(yōu)的晶粒取向有利于提高晶體的勝能。 圖1-8為超聲波處理對(duì)錫銻合金微觀組織的影響[[73]。對(duì)此種合金的研究結(jié)果表明，超聲波處理能顯著細(xì)化合金的微觀組織，改變刀相形貌，使尖銳棱角的立方體刀相破碎為均勻細(xì)小的粒狀，棱角有鈍化趨

15、勢(shì)，并可消除比重偏析。 圖1-8 Sn-Sb合金的微觀組織 1.2.3超聲波在中溫合金凝固過程中的應(yīng)用 對(duì)低溫金屬的研究表明，超聲波處理在細(xì)化晶粒方面有非常好的效果。為了增加這種處理工藝工業(yè)應(yīng)用的適用性，隨后的研究主要集中在工業(yè)常用的鋁合金和鎂合金。 Abramo選用純鋁為研究材料，合金凝固過程中施加超聲振動(dòng)后發(fā)現(xiàn):對(duì)于整個(gè)試塊，晶粒最細(xì)的部分分布在靠近工具頭的部位。這說明位于空化區(qū)域和強(qiáng)聲流區(qū)域的熔體具有很強(qiáng)的結(jié)晶性能。因此，當(dāng)超聲波工具頭壓入熔體中時(shí)，由空化氣泡形成的液壓波能非常有效的破碎已經(jīng)凝固的合金，而由超聲波產(chǎn)生的聲流作用將破碎的固體顆粒均勻分布。在超聲波處理區(qū)域，凝固組

16、織發(fā)生了很大的變化，包括晶粒細(xì)化、抑止柱狀晶生長、提高晶粒的各向同性和減低偏析。圖1-9為采用頂部超聲波處理工藝得到的純鋁未處理和超聲波處理的微觀組織，凝固組織由柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變非常明顯。而且力學(xué)性能測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲波處理后，材料的抗拉強(qiáng)度由52MPa提高為72MPa，增長幅度達(dá)到35%，硬度也從HB 17.2增長為HB 19.7 。 C. K. Jen和H. Soda研究了超聲振動(dòng)對(duì)具有不同微觀組織(胞狀、樹枝狀和多面體)的二元Al-Cu, Bi-Cd合金凝固過程的作用[}}s}。以前在這一領(lǐng)域內(nèi)的研究僅限定在具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的低熔點(diǎn)合金，此實(shí)驗(yàn)中選用具有不同成分、不同微

17、觀組織的材料進(jìn)行研究，深化了以前在這領(lǐng)域的研究。實(shí)驗(yàn)采用頂端導(dǎo)入，在溫度高于液相線10 0C以上時(shí)，導(dǎo)入20kHz的超聲振動(dòng)，在溫度低于固相線10℃時(shí)停止導(dǎo)入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些合金重熔凝固后，組織明顯細(xì)化。然而對(duì)于合金重熔后是否還具有超聲波的影響，這個(gè)問題尚存在爭議。 圖1-9純鋁未處理(a)和超聲波處理((b)的微觀組織 本文在實(shí)驗(yàn)研究方面，采用自發(fā)研制的超聲波側(cè)部導(dǎo)入裝置和超聲波衰減測量裝置。隨后對(duì)分析試樣采用多種分析測試手段，進(jìn)行凝固特性、組織以及力學(xué)性能的系統(tǒng)分析。 2實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備 本文采用的超聲波處理實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)、

18、熔煉系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)。超聲波熔體處理的實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖和實(shí)物圖分別為圖2-1和圖2-2。以下將對(duì)本文使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)介紹。 圖2-1實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖 圖2-2實(shí)驗(yàn)實(shí)物裝置圖 2.1.1超聲波處理設(shè)備 2.1.1.1超聲波產(chǎn)生系統(tǒng) (1)超聲波發(fā)生器和換能器 超聲波發(fā)生器和換能器振動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，擔(dān)負(fù)著為凝固實(shí)驗(yàn)提供超聲源的任務(wù)。超聲波發(fā)生器是一個(gè)產(chǎn)生超聲頻電信號(hào)的功率源，它供給換能器工作時(shí)所必需的超聲頻電功率。換能器將電功率轉(zhuǎn)換為超聲能量生成超聲振動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)中選擇磁致伸縮換能器，發(fā)生器的主要參數(shù)為:輸出功率0-1000W連續(xù)可調(diào);

19、輸出阻抗約50歐姆;頻率范圍17-23kHz;電源電壓220V，頻率SOHz;電源消耗約2000伏安;磁化電流大于7安培;承受電功率1000W o (2)超聲波變幅桿 將超聲振動(dòng)導(dǎo)入金屬液中是超聲波在金屬凝固中應(yīng)用的前提。這里涉及到變幅桿的材質(zhì)和導(dǎo)入方式兩個(gè)問題。在超聲技術(shù)中變幅桿是振動(dòng)系統(tǒng)中很重要的一部分，超聲變幅桿，又稱超聲變速桿、超聲聚能器。它的主要作用是把機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移和速度放大，或者將超聲能量集中在較小的面積上，即聚能作用。在本實(shí)驗(yàn)中用超聲波處理的是金屬熔液或金屬固液混合物，不需要加任何靜壓力，所以選用簡單階梯形變幅桿。 關(guān)于變幅桿材料的選擇一般有如

20、下要求:在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗小、疲勞強(qiáng)度高、聲阻抗率小，并且要易于機(jī)械加工。在本實(shí)驗(yàn)中，選用#45鋼作為變幅桿材料，因?yàn)槠渚哂休^好的聲學(xué)特性和延展性，而且能耐較高的溫度，材料價(jià)格較低、使用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，是比較理想的變幅桿材料。 (3)超聲波側(cè)部導(dǎo)入裝置 超聲波側(cè)部導(dǎo)入裝置為課題組自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要由自吸式變幅桿、變壓器、線圈、冷卻裝置組成，設(shè)備示意圖參看圖1-7。 2.1.1.2熔煉系統(tǒng) 對(duì)于鋁硅合金，采用3kW的鉗鍋電阻爐進(jìn)行熔煉。鋼的熔煉采用中頻感應(yīng)電爐，其額定功率為SOkW:工作頻率2000Hz;最大中頻電流1600A;最大直流電流1 OOA;最高工

21、作溫度1900 0C。爐頭線圈尺寸為}' 160mmX25mm。熔化不銹鋼時(shí)選用鎂砂打結(jié)爐襯，熔化鑄鐵時(shí)選用石英砂打結(jié)爐襯。爐膛尺寸約為內(nèi)徑} 70mmx 180mm，大約能熔化Skg爐料。 2.1.1.3溫度采集系統(tǒng) 溫度采集系統(tǒng)包括K型、B型熱電偶和紅外測溫儀、AD VANTECH-610工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、ADAM4018+采溫模塊、OP07高精度低漂移運(yùn)算放大器、濾波模塊、熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線、以及用來實(shí)時(shí)顯示溫度一時(shí)間曲線的測溫程序等。鋁合金凝固時(shí)溫度采用鎳鉻-鎳硅(K型)熱電偶測量，而測試高溫熔液時(shí)采用雙鉑鍺熱電偶，熱電偶外部用石英管進(jìn)行保護(hù)。 2.1.2超聲波衰減測量設(shè)備

22、超聲波衰減測量設(shè)備由原位加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、超聲波發(fā)射接收裝置、位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)組成。其中加熱系統(tǒng)由3kW加熱電阻絲、爐膛和塔禍組成。本文超聲波發(fā)射接收裝置所選用的超聲波發(fā)射頻率為2.SMHz。溫度采集系統(tǒng)與超聲波處理裝置的測溫系統(tǒng)相同。圖2-3為實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖，該實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用單探頭超聲發(fā)射、接收器，加上循環(huán)冷卻裝置，由導(dǎo)桿間接把超聲波導(dǎo)入金屬熔體。超聲波經(jīng)過導(dǎo)桿進(jìn)入金屬熔體，在金屬柑鍋底面發(fā)生反射后又經(jīng)過同樣的路徑回到探頭。超聲波在導(dǎo)桿中的衰減量和在各界面處的反射系數(shù)、透射系數(shù)等物性參數(shù)己知，則可以根據(jù)回波的大小得到超聲波在金屬熔體中的衰減值。 圖2-3超聲波衰減測量設(shè)備示意

23、圖 2.2分梳則試儀器 本文主要對(duì)試樣凝固組織和力學(xué)性能進(jìn)行了觀測和測試，采用的測試儀器包括: (1)微觀組織分析儀器 電子背散射衍射(Electron Back Scattering Diffraction，簡稱EBSD)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的對(duì)金屬材料進(jìn)行組織分析和結(jié)晶學(xué)分析的新技術(shù)。利用EBSD技術(shù)可以從實(shí)驗(yàn)樣品中獲得多方面的信息，其中包括試樣的晶粒形貌、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)、晶體生長的取向和取向差、試樣的相組成和各相所占的比例等等。傳統(tǒng)的晶粒尺寸測量依賴于微觀組織中晶界的觀察，某些特殊晶界，如小角晶界和孿晶界用常規(guī)的腐蝕方法難以顯示，使得嚴(yán)重孿晶微觀組織的晶粒

24、尺寸測量相當(dāng)困難。應(yīng)用EBSD技術(shù)可以精確地勾畫出小角晶界和孿晶界，獲得完整的晶粒取向圖(Crystal Orientation Mapping，簡稱COM ) fss,s9}。在電子探針一分析中，對(duì)于某些化學(xué)成分相似的氧化物和碳化物很難區(qū)分，但EBSD技術(shù)可以從相的結(jié)晶學(xué)關(guān)系上很容易地加以區(qū)分。目前，EBSD可以對(duì)7大晶系任意對(duì)稱性的樣品進(jìn)行自動(dòng)取向測量和標(biāo)定。結(jié)合EDS能譜微區(qū)成分分析，EBSD可以應(yīng)用于未知物相的鑒定上。 在本文中，采用EBSD測試技術(shù)對(duì)1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼試樣做以下幾個(gè)方面的分析和研究: ( a ) 1 Cr 18Ni9Ti鑄態(tài)組織中晶界

25、、亞晶界和位錯(cuò)的分析。傳統(tǒng)的晶粒觀察是用顯微鏡成像方法，對(duì)于晶粒內(nèi)部的缺陷不能反映出來。而1 Crl 8Ni9Ti是一種抗腐蝕性能很好的不銹鋼，要完整的腐蝕其晶界有一定的難度，更不用說觀察小角晶界和位錯(cuò)分布。所以為了研究超聲波處理對(duì)晶粒內(nèi)部的影響，采用EBSD技術(shù)對(duì)試樣做更深入的分析。 (b)研究不同超聲波功率處理下1 Crl 8Ni9Ti凝固時(shí)晶粒生長方向，從而分析超聲波對(duì)1 Cr18Ni9Ti凝固過程熱流的影響。 (c)分析1 Crl 8Ni9Ti鑄態(tài)組織中鐵素體相和奧氏體相的分布和各相所占的比例，從而研究超聲波對(duì)1Cr18Ni9Ti凝固組織中相含量的影響。

26、具體實(shí)驗(yàn)過程: (a)對(duì)未處理和不同超聲波功率處理的試塊在距離超聲源1 Smm的位置切出小塊尺寸為8mmX8mmX5~的試樣; (b)對(duì)切割的小試樣采用電解拋光進(jìn)行處理。電解拋光工藝參數(shù)如下: 電解液:15%高氯酸+85%酒精; 電壓:15V; 電流密度:0.2A/cm2 ; 處理時(shí)間:SOs. (c) EBSD在HITACHI 5-570上進(jìn)行，所用的實(shí)驗(yàn)電壓為20kV，所選用的步長為20s/micron，最終數(shù)據(jù)通過TSL軟件分析。選擇晶界的角度范圍為:150-1800;亞晶界的角度范圍為:20

27、-150 。 (2)能譜分析儀 分析奧氏體不銹鋼主要元素含量的變化。具體操作如下: (a)對(duì)不同超聲功率處理的試塊，取距離工具頭5~處的試樣，試樣尺寸為 8mmX8mmX8mm; (b)將試樣研磨、拋光; (c)用FeCl3 ( I Sg ) + HCl ( SOmI ) + H20 (1 OOmI )腐蝕劑對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕; (d)對(duì)腐蝕后的試樣在JSM-6700E上進(jìn)行元素測定，分別得到不同部位Fe, Cr, Ni三元素的含量。 (3)力學(xué)性能測試裝置 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，所使用的設(shè)備為ZWIC

28、K-Z20萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)。對(duì) 于亞共晶Al-Si合金，在試塊的中心截取組織觀察和力學(xué)試樣，如圖2-4所示。 對(duì)于T10鋼和1 Crl 8Ni9Ti奧氏體不銹鋼，在距離超聲源導(dǎo)入側(cè)面Smm的位置 沿著超聲波傳播方向切出五片厚度為2mm的片狀力學(xué)試樣進(jìn)行分析，沿側(cè)面5mm的位置開始測量試樣的力學(xué)性能是為了消除工具頭對(duì)試塊壁的冷卻作用， 所取試樣位置示意圖如圖2-5所示。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB228-87《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)方 法》和GB6397-86《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)試樣》，結(jié)合試快尺寸確定了拉伸片狀試樣的尺寸如圖2-6所示[[92]。拉斷后的力學(xué)試樣在HITACHI S-570上進(jìn)行斷口掃描分 析。

29、 3超聲波對(duì)凝固特性和組織的影響 鐵基合金在凝固過程中溫度較高，采用傳統(tǒng)的超聲波處理工藝會(huì)嚴(yán)重破壞工具頭等相連接設(shè)備的使用壽命，所以采用功率超聲波處理鐵基合金熔體的報(bào)道較少。然而鐵基材料在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛，尤其是鋼鐵材料在工業(yè)應(yīng)用上有其不可替代的主導(dǎo)作用。同時(shí)近年來對(duì)超細(xì)鋼的需求更提升了對(duì)鋼細(xì)化工藝可行性研究的迫切性。 為了能克服傳統(tǒng)的超聲波處理工藝的缺陷，更好地研究超聲波處理工藝對(duì)鐵基合金中凝固組織和特性的影響，本章采用側(cè)部導(dǎo)入超聲波處理工藝，對(duì)簡單的二元鐵碳合金T10鋼凝固階段進(jìn)行處理，探討不同超聲波處理對(duì)高熔點(diǎn)合金凝固過程

30、的作用規(guī)律。 3.1實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方案 3.1.1實(shí)驗(yàn)材料 在熔體凝固過程中，熔體冷卻速率和凝固時(shí)間直接影響著超聲波處理的有效時(shí)陽和處理效果。與鋁合金不同的是，鋼液密度大，而且鋼液溫度比鋁液高很多，發(fā)生超聲波效應(yīng)(如聲流效應(yīng)、空化效應(yīng)等)比較困難。在前期的探索性工作中，對(duì)含碳量為0.05%的Q235鋼進(jìn)行了超聲波處理，結(jié)果如圖4-1所示。結(jié)果表明，與鋁相比，超聲波處理對(duì)Q235鋼晶粒尺寸的改變并不十分明顯。分析認(rèn)為，這是因?yàn)殇摰娜埸c(diǎn)高，凝固時(shí)間太短，超聲波處理效果沒有得到很好的體現(xiàn)。 為了能更明顯的觀察到超聲波處理的直觀效果，需提高超聲波處理的有效時(shí)間，同時(shí)從工業(yè)應(yīng)用上考慮所選

31、材料的實(shí)用價(jià)值。本章選擇常用的普碳鋼T10鋼為實(shí)驗(yàn)材料。T10鋼是一種碳素工具鋼，它生產(chǎn)成本低，冷、熱加工性能好，而且具有較好的耐磨性，常用于制作切削條件較差、耐磨性要求較高且不受突然和劇烈沖擊振動(dòng)的各種工具，如車刀、刨刀、鉆頭等，也可用作不受較大沖擊的耐磨零件，因此在生產(chǎn)上具有廣泛的應(yīng)用。這種材料雖然有足夠的硬度和耐磨性，但是強(qiáng)度和韌性均不理想，所以要想獲得理想的力學(xué)性能，首先需要細(xì)化晶粒，同時(shí)改善碳化物的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布。本實(shí)驗(yàn)所用T10鋼的主要化學(xué)成分如表4-1所示。 圖4-1未處理(a)和700W (b)超聲波處理Q235鋼微觀組織的影響 表4-1實(shí)驗(yàn)用T10鋼化學(xué)成分

32、 3.1.2實(shí)驗(yàn)方案 考慮到超聲波設(shè)備的超聲波功率范圍，確定試樣尺寸為:64mmX60mmX 140mm 。采用水玻璃砂鑄型，水玻璃加入量為3.5%。起模后將鑄型放進(jìn)烘箱烘干并預(yù)熱。鑄型烘干過程為先調(diào)節(jié)溫度為3000C，烘烤砂型2小時(shí)，然后將溫度調(diào)節(jié)到5000C，預(yù)熱砂型40分鐘。 將直徑為40mm的T10鋼棒放入中頻感應(yīng)爐中加熱熔化并過熱到1600℃時(shí)靜置進(jìn)行除氣和除渣處理。隨后將熔體澆注到砂型中，蓋上保溫蓋，盡可能降低試塊與外界的換熱。同時(shí)采用雙鉑鍺熱電偶實(shí)時(shí)測量熔體溫度，通過溫度采集模塊和溫度處理軟件繪制冷卻曲線。通過溫度曲線的信息，在高于液相線溫度50 0C時(shí)導(dǎo)入功率超

33、聲波對(duì)金屬熔體處理。在處理過程中，需要從總體上估計(jì)聲場能量及作用效果，因此輸出的超聲波功率是非常重要的工藝參數(shù)。為了全面衡量不同強(qiáng)度的超聲波對(duì)高熔點(diǎn)合金的處理效果，選用的超聲波功率依次為100W, 200W, 300W, 400W, SOOW, 600W和700W 。凝固結(jié)束后停止超聲波的導(dǎo)入，隨后將試塊空冷到室溫。為了對(duì)比，在相同外界條件下澆注了一組沒有超聲波處理的試塊。 圖4-2熱電偶放置的位置示意圖 圖4-2為T10鋼凝固過程中熱電偶放置的位置示意圖，為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，每次澆注過程都將熱電偶固定在砂型同一位置。本實(shí)驗(yàn)中，熱電偶一前端距離型壁內(nèi)表面距離20

34、mm。當(dāng)鋼液澆入砂型以后，啟動(dòng)溫度測量系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)記錄熔體冷卻過程的溫度值。 3.2超聲波處理對(duì)力學(xué)性能的影響 3.2.1超聲波處理對(duì)抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響 力學(xué)試樣的切取部位和尺寸如圖2-5和2-6所示，為了研究試塊不同部位T10鋼的抗拉強(qiáng)度，沿著超聲波傳播方向切取5片片狀力學(xué)試樣。取靠近超聲源的試樣為1號(hào)試樣，它距離超聲源距離7mm;最遠(yuǎn)離的為5號(hào)試樣，它距離超聲源距離1 5mm。圖4-9為不同超聲波功率處理下T10鋼的抗拉強(qiáng)度，觀察圖4-9中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，超聲波處理后試塊的抗拉強(qiáng)度得到提高。對(duì)應(yīng)所有的1號(hào)試樣，在未處理時(shí)抗拉強(qiáng)度為675.9MPa。經(jīng)過100W超聲波處理后，

35、100W-1號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度基本沒有改變。200W超聲波處理后，200W-1號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度為709MPa，比未處理試樣增長了4.9%，說明在靠近超聲源的試樣力學(xué)性能稍有提高。而當(dāng)超聲波功率提高到300W以后，300W-1號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度提高非常明顯，比未處理1號(hào)試樣提高了約15%，尤其是當(dāng)功率達(dá)到700W時(shí)，700W-1試樣的抗拉強(qiáng)度870MPa，比未處理的試樣提高了約30%。對(duì)所有最遠(yuǎn)離超聲源的5號(hào)試樣，未處理和超聲波功率小于300W的抗拉強(qiáng)度基本相近，說明在超聲波傳播距離為15mm部位，當(dāng)功率小于300W時(shí)抗拉強(qiáng)度基本沒有變化，也就是說超聲波作用效果不明顯，直到超聲波功率達(dá)到400W后，

36、400W-5號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度才逐漸提高。 圖4-9不同超聲波功率處理下T10鋼的抗拉強(qiáng)度 圖4-10為不同傳播距離下T10鋼的抗拉強(qiáng)度。對(duì)于未處理試樣，從1號(hào)試樣到5號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度變化很小，在100W處理后試樣的抗拉強(qiáng)度也基本沒有變化，但是隨著功率的提高，從200W處理直到700W超聲波處理，沿著超聲波傳播方向，1號(hào)試樣到5號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度逐漸遞減，其中700W超聲波處理1號(hào)試樣和5號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度差75MPa。這說明超聲波對(duì)不同部位的試樣造成不同的處理效果，分析認(rèn)為超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的衰減現(xiàn)象造成了試塊后端所受超聲波處理的影響較小，尤其在凝固中后期，由于靠近超聲源處熔體己經(jīng)形成

37、骨架相的固體，使得遠(yuǎn)離變幅桿的熔體沒有受到超聲波的作用。 圖4-10不同傳播距離下T10鋼的抗拉強(qiáng)度 圖4-11 (a)和(b)分別為不同超聲波功率處理下T10鋼的延伸率和不同傳播距離下T10鋼的延伸率。圖4-11 (a)所示靠近超聲源的1號(hào)試樣，當(dāng)超聲波功率為200W時(shí)延伸率就得到提高，而且增加量隨著超聲波功率的增加而加大。當(dāng)功率為700W時(shí)，700W-1號(hào)試樣的延伸率從未處理的8.9%增加到16.7%，增長幅度高達(dá)88%。圖4-11 (b)代表不同傳播距離下試樣的延伸率的衰減情況，可以明顯的得到延伸性能也是隨著傳播距離的加大而減弱。 圖4-11不同超聲波功率處理下T10

38、鋼的延伸率(a)和不同傳播距離下T10鋼的延伸率(b) 超聲波處理能顯著細(xì)化鑄態(tài)凝固組織，而且隨著超聲波功率增大，T10鋼晶粒細(xì)化效果越明顯。由材料學(xué)可知，當(dāng)多晶體金屬材料發(fā)生塑性變形時(shí)，位錯(cuò)源從施密特因子大的晶粒內(nèi)開動(dòng)，并沿一定晶面產(chǎn)生滑移和增值，滑移至晶界面前的位錯(cuò)被晶界阻擋，這樣一個(gè)晶粒的塑性變形就無法直接傳到相鄰的晶粒中去，造成塑變晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積。晶界上位錯(cuò)塞積產(chǎn)生的應(yīng)力場是相鄰位錯(cuò)源開動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，而塞積位錯(cuò)應(yīng)力場的強(qiáng)度與塞積位錯(cuò)數(shù)目和外力有關(guān)，塞積位錯(cuò)的數(shù)目又正比于晶粒尺寸。因此，材料晶粒細(xì)小時(shí)塞積位錯(cuò)的數(shù)量將減少，要開動(dòng)相鄰晶粒內(nèi)的位錯(cuò)就只能靠加大外力了。對(duì)于本研究來說，因?yàn)槌?/p>

39、波使T10鋼的晶粒得到了細(xì)化，從而使T10鋼的強(qiáng)度也得到了提局。 3.2.2超聲波處理對(duì)斷口形貌的影響 對(duì)不同超聲波功率處理下1號(hào)力學(xué)試樣的斷口形貌進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖4-12所示。斷口形貌表明，未處理情況下斷面為典型的解理斷裂，圖4-12 (a)顯示大量的解理斷裂痕跡，并且解理臺(tái)階上形成了明顯的河流狀花樣。1 OOW超聲波處理后，斷口形貌并未明顯的變化，依然是典型的解理斷裂，如圖4-12 (b)所示。當(dāng)超聲波功率提高為200W時(shí)，雖然保持典型的解理斷裂特征，但是在解理面上分布著許多細(xì)小的韌窩，如圖4-12 (c)所示。從試樣的受力方向可以判斷，與拉力平行方向上的韌窩在發(fā)生斷裂時(shí)將形

40、成大的塑性變形，以此來提高材料的延伸性能。因此，在經(jīng)過200W超聲波處理后，試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率比未處理和100W超聲波處理后的試樣都高。300W超聲波處理后，斷口解理面上有大量韌窩形成，同時(shí)還形成了魚骨狀韌窩。當(dāng)超聲波處理功率為400W和SOOW時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)斷裂情況發(fā)生了明顯的變化。圖4-12(e)和(f)顯示大的解理臺(tái)階和解理面消失，取而代之的是小的突起解理面上分布著大量韌窩，這說明超聲波處理對(duì)材料塑性的提高非常明顯。當(dāng)功率提高到600W和700W時(shí)，試樣的斷口形貌呈現(xiàn)出韌一脆混合斷裂的特征，存在許多大小不等的凹陷微坑，而且韌窩形狀變大。就整個(gè)斷面看，在700W超聲波處理時(shí)斷面形貌跌宕起

41、伏，說明試樣在拉斷前瞬間還有許多微小區(qū)域依然連接著，只有再加大拉應(yīng)力才能將試樣拉斷。 圖4-12不同超聲波功率處理下T10鋼斷口形貌 4總結(jié) 本文采用超聲波側(cè)部導(dǎo)入工藝對(duì)亞共晶鋁硅合金、T10鋼和奧氏體不銹鋼凝固過程進(jìn)行超聲波功率處理，對(duì)超聲波處理?xiàng)l件下合金的凝固特性、組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析，探討了超聲波處理凝固細(xì)晶機(jī)理和超聲波在凝固金屬中的衰減過程，得到如下結(jié)論: (1)對(duì)不同合金的熱分析表明，超聲波處理降低合金的凝固初始溫度，縮短凝固時(shí)間。通過三種合金的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，得到了在本實(shí)驗(yàn)條件下凝固初始溫度與超聲波功率的定量函數(shù)關(guān)系式

42、 (2)超聲波處理明顯細(xì)化亞共晶A1-7.3%Si合金的組織。在本實(shí)驗(yàn)條件下，平均晶粒尺寸從未處理的3SOO}.m降低為700W的309}m，平均晶粒尺寸與超聲波輸入功率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。未處理試樣初生a ( Al)為一次枝晶臂特別發(fā)達(dá)的長柱狀樹枝晶，樹枝晶雜亂交錯(cuò)。200W超聲波處理后，一次枝晶主干縮短，枝晶主干和二次臂的生長趨于一致。功率提高到400 W以后，柱狀枝晶等軸化。隨著功率提高到700W，樹枝晶消失，形成球狀等軸晶。 (3)超聲波處理對(duì)高溫合金的組織細(xì)化效果明顯。對(duì)T10鋼的研究表明，隨著功率的提高，T10鋼的晶粒明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸從未處理的820}m降低為700W

43、處理的315m，減小幅度達(dá)61%。對(duì)1 Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的EBSD結(jié)果顯示，超聲波處理后，晶粒形態(tài)發(fā)生柱狀晶斗柱狀/等軸晶井等軸晶轉(zhuǎn)變，晶界和亞晶界面積增大，位錯(cuò)增殖。晶粒生長方向由未處理的垂直于模壁生長逐漸變?yōu)榫Я駜?yōu)取向的發(fā)散形生長。未處理情況下基體內(nèi)鐵素體相彌散分布，含量占5%，經(jīng)過超聲波處理后，鐵素體相含量逐漸減少。當(dāng)700W超聲波處理后，鐵素體相基本消失，形成全奧氏體組織。不銹鋼微觀組織轉(zhuǎn)變存在著柱狀枝晶井柱狀/等軸混合枝晶功等軸晶/球狀晶轉(zhuǎn)變的過程，而且二次枝晶間距減小。 參考文獻(xiàn) [1] 劉萍. 冷卻速度對(duì)Mg2Si增強(qiáng)過共晶Al-Si合金組織

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