超聲波對A380凝固行為的實驗研究分析材料成型與控制工程專業(yè)

摘要傳統(tǒng)導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化金屬材料性能，但是由于存在諸多缺點，比如容易卷入夾雜物、對于高溫合金的操作困難等，使得該技術(shù)在工業(yè)應用上有很大的難度。本文采用自主研發(fā)的“自吸式變幅桿”超聲側(cè)部導入技術(shù)，解決了超聲波導入難題，并研究了該超聲處理技術(shù)對鋁基和鐵基合金凝固特性、組織和性能的影響，探討了其中的基礎理論問題。為了探索超聲波側(cè)部導入處理工藝的可行性。本文通過實驗分析超聲波對A380凝固行為。關鍵詞：超聲波；A380；凝固ABSTRACT Traditional ways of introducing 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, 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 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: ultrasonic; A380; solidification目錄摘要IABSTRACTII引言11相關概述11.1超聲波處理技術(shù)11.2超聲波中的金屬熔體凝固21.2.1超聲波處理工藝21.2.2超聲波在低溫合金凝固過程中應用31.2.3超聲波在中溫合金凝固過程中的應用42實驗準備62.1實驗設備62.1.1超聲波處理設備72.1.2超聲波衰減測量設備82.2分梳則試儀器93超聲波對凝固特性和組織的影響123.1實驗材料及實驗方案123.1.1實驗材料123.1.2實驗方案133.2超聲波處理對力學性能的影響143.2.1超聲波處理對抗拉強度和延伸率的影響143.2.2超聲波處理對斷口形貌的影響174總結(jié)19參考文獻20致謝21引言現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展不僅對材料性能要求越來越高，而且對環(huán)保要求也日趨嚴格。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)的冶金化學手段細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現(xiàn)對金屬凝固過程和凝固組織的控制是冶金及材料工作者長期追求和奮斗的目標。1相關概述基于上述發(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。按照外場種類不同，該領域的研究熱點主要集中在以下三個方面： 1)對金屬熔體的凝固過程進行超聲波處理;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。進入21世紀后，物理、材料和電子等領域科學技術(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世紀90年代起物理場凝固細晶技術(shù)成為材料領域的研究熱點。近幾十年來各種物理場對材料凝固過程和組織的影響研究受到特別的關注，尤其是大功率超聲波由于其獨特的聲學效應對金屬凝固過程具有十分顯著的影響，因此在材料領域的研究和應用再次成為熱點。本課題主要研究功率超聲波處理對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，揭示超聲波處理對金屬凝固行為的影響機制;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Hz的聲波。從其使用用途來分包括檢測超聲、功率超聲和醫(yī)學超聲。功率超聲處理是通過超聲能量對物質(zhì)的作用來改變或加速改變物質(zhì)的一些物理、化學和生物特性或狀態(tài)的技術(shù)。功率超聲學涉及的主要內(nèi)容包括大功率和高聲強超聲波的產(chǎn)生(包括大功率超聲換能器、變幅桿、變幅器、振動方向變換器和處理工具等)，聲能對物質(zhì)的作用機理和各種超聲處理技術(shù)應用。其中聲能量對物質(zhì)的作用機制是功率超聲較為獨特的問題，也是一個有待于繼續(xù)深入研究的課題。因此本文將采用特定的導入設備，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。 早期的超聲波處理工藝發(fā)展非常緩慢，因為有許多問題困擾超聲波處理的應用，其中最突出的是功率超聲波產(chǎn)生設備的研制問題。隨著人們對超聲波處理研究的不斷深入以及物理、材料和電子等領域科學技術(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到幾十千瓦，滿足了工業(yè)應用的需求。據(jù)報道，美國ETREMA PRODUCTS公司用Terfenol-D磁致伸縮合金設計制造了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)生設備的突破促使了超聲波處理技術(shù)的廣泛應用。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)的超聲波導入方法主要有頂端導入和底端導入兩種方式，如圖1-6所示。它們共同的優(yōu)點是操作簡單，但這兩種導入方式各有其不足之處。對于底端導入來說，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，導致振動效率降低，所以上部的金屬熔液超聲處理效果很差，尤其對于比重偏析嚴重的金屬則需要用比頂端導入高出很多的振動強度才能取得相同的效果。頂端導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狀態(tài)時，合金液面連續(xù)的氧化膜遭到破壞，而這些破碎的氧化膜被振動的合金液從表面卷入到熔液的內(nèi)部而形成夾雜，同時處理高溫金屬時，對變幅桿的材質(zhì)會造成嚴重的高溫腐蝕。本文對傳統(tǒng)的超聲波導入工藝進行改進，采用自吸式側(cè)部導入方式，工藝示意圖為圖1-6 。其特征在于利用特殊設計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)超聲波導入方式圖1-7側(cè)部導入超聲波裝置示意圖1.2.2超聲波在低溫合金凝固過程中應用 20世紀30年代，D. Loomis, W. Wood和S. Danilov等學者分別研究了超聲振動對金屬和有機物凝固過程的影響。隨后S. Sokolov, T. Teumin, P. Alekseev, G. Eskin和O. Abramov等人也分別對超聲場下金屬的凝固規(guī)律進行了探索67-690 O. Abramov, G. Eskin和F. Gurevich使用20kHz的超聲波處理具有不同點陣結(jié)構(gòu)的純金屬，其中包括Bi, Zn, Sn。換能器傳遞的能量為100-250W707i。實驗表明，當換能器的輸出功率為1 OOW時，Sn的晶粒開始細化。而當換能器的輸出功率提高到250W時，Bi, Zn的晶粒才開始細化。實驗結(jié)果揭示，超聲處理能使具有不同點陣的金屬晶粒細化。金屬熔點較低晶粒形貌變化最大，隨著材料熔化溫度增加，細化效果減弱。 G.N. Kozhemyakin研究了功率超聲波振動對InSb晶體凝固過程生長的影響。結(jié)果表明，超聲波振動能影響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為超聲波處理對錫銻合金微觀組織的影響73。對此種合金的研究結(jié)果表明，超聲波處理能顯著細化合金的微觀組織，改變刀相形貌，使尖銳棱角的立方體刀相破碎為均勻細小的粒狀，棱角有鈍化趨勢，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用對低溫金屬的研究表明，超聲波處理在細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后發(fā)現(xiàn):對于整個試塊，晶粒最細的部分分布在靠近工具頭的部位。這說明位于空化區(qū)域和強聲流區(qū)域的熔體具有很強的結(jié)晶性能。因此，當超聲波工具頭壓入熔體中時，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，凝固組織發(fā)生了很大的變化，包括晶粒細化、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，材料的抗拉強度由52MPa提高為72MPa，增長幅度達到35%，硬度也從HB 17.2增長為HB 19.7 。 C. K. Jen和H. Soda研究了超聲振動對具有不同微觀組織(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。以前在這一領域內(nèi)的研究僅限定在具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的低熔點合金，此實驗中選用具有不同成分、不同微觀組織的材料進行研究，深化了以前在這領域的研究。實驗采用頂端導入，在溫度高于液相線10 0C以上時，導入20kHz的超聲振動，在溫度低于固相線10時停止導入。實驗結(jié)果表明，這些合金重熔凝固后，組織明顯細化。然而對于合金重熔后是否還具有超聲波的影響，這個問題尚存在爭議。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驗研究方面，采用自發(fā)研制的超聲波側(cè)部導入裝置和超聲波衰減測量裝置。隨后對分析試樣采用多種分析測試手段，進行凝固特性、組織以及力學性能的系統(tǒng)分析。2實驗準備2.1實驗設備本文采用的超聲波處理實驗設備主要包括超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)、熔煉系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)。超聲波熔體處理的實驗設備示意圖和實物圖分別為圖2-1和圖2-2。以下將對本文使用的實驗設備進行詳細介紹。圖2-1實驗設備示意圖圖2-2實驗實物裝置圖2.1.1超聲波處理設備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)生器和換能器振動系統(tǒng)是整個實驗研究系統(tǒng)的重要設備之一，擔負著為凝固實驗提供超聲源的任務。超聲波發(fā)生器是一個產(chǎn)生超聲頻電信號的功率源，它供給換能器工作時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。本實驗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);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 將超聲振動導入金屬液中是超聲波在金屬凝固中應用的前提。這里涉及到變幅桿的材質(zhì)和導入方式兩個問題。在超聲技術(shù)中變幅桿是振動系統(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械振動的質(zhì)點位移和速度放大，或者將超聲能量集中在較小的面積上，即聚能作用。在本實驗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。 關于變幅桿材料的選擇一般有如下要求:在工作頻率范圍內(nèi)材料的損耗小、疲勞強度高、聲阻抗率小，并且要易于機械加工。在本實驗中，選用#45鋼作為變幅桿材料，因為其具有較好的聲學特性和延展性，而且能耐較高的溫度，材料價格較低、使用經(jīng)濟等優(yōu)點，是比較理想的變幅桿材料。 (3)超聲波側(cè)部導入裝置 超聲波側(cè)部導入裝置為課題組自制的實驗設備，主要由自吸式變幅桿、變壓器、線圈、冷卻裝置組成，設備示意圖參看圖1-7。2.1.1.2熔煉系統(tǒng) 對于鋁硅合金，采用3kW的鉗鍋電阻爐進行熔煉。鋼的熔煉采用中頻感應電爐，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;最高工作溫度1900 0C。爐頭線圈尺寸為' 160mmX25mm。熔化不銹鋼時選用鎂砂打結(jié)爐襯，熔化鑄鐵時選用石英砂打結(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)控制計算機、ADAM4018+采溫模塊、OP07高精度低漂移運算放大器、濾波模塊、熱電偶補償導線、以及用來實時顯示溫度一時間曲線的測溫程序等。鋁合金凝固時溫度采用鎳鉻-鎳硅(K型)熱電偶測量，而測試高溫熔液時采用雙鉑鍺熱電偶，熱電偶外部用石英管進行保護。2.1.2超聲波衰減測量設備超聲波衰減測量設備由原位加熱系統(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為實驗設備示意圖，該實驗設備利用單探頭超聲發(fā)射、接收器，加上循環(huán)冷卻裝置，由導桿間接把超聲波導入金屬熔體。超聲波經(jīng)過導桿進入金屬熔體，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超聲波衰減測量設備示意圖2.2分梳則試儀器 本文主要對試樣凝固組織和力學性能進行了觀測和測試，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80年代發(fā)展起來的對金屬材料進行組織分析和結(jié)晶學分析的新技術(shù)。利用EBSD技術(shù)可以從實驗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，使得嚴重孿晶微觀組織的晶粒尺寸測量相當困難。應用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，對于某些化學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)晶學關系上很容易地加以區(qū)分。目前，EBSD可以對7大晶系任意對稱性的樣品進行自動取向測量和標定。結(jié)合EDS能譜微區(qū)成分分析，EBSD可以應用于未知物相的鑒定上。 在本文中，采用EBSD測試技術(shù)對1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼試樣做以下幾個方面的分析和研究: ( a ) 1 Cr 18Ni9Ti鑄態(tài)組織中晶界、亞晶界和位錯的分析。傳統(tǒng)的晶粒觀察是用顯微鏡成像方法，對于晶粒內(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分布。所以為了研究超聲波處理對晶粒內(nèi)部的影響，采用EBSD技術(shù)對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凝固時晶粒生長方向，從而分析超聲波對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1Cr18Ni9Ti凝固組織中相含量的影響。 具體實驗過程: (a)對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)對切割的小試樣采用電解拋光進行處理。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 ; 處理時間:SOs. (c) EBSD在HITACHI 5-570上進行，所用的實驗電壓為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:20-150 。 (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 )腐蝕劑對拋光后的試樣進行腐蝕; (d)對腐蝕后的試樣在JSM-6700E上進行元素測定，分別得到不同部位Fe, Cr,Ni三元素的含量。 (3)力學性能測試裝置 力學性能實驗在室溫下進行，所使用的設備為ZWICK-Z20萬能實驗機。對于亞共晶Al-Si合金，在試塊的中心截取組織觀察和力學試樣，如圖2-4所示。對于T10鋼和1 Crl 8Ni9Ti奧氏體不銹鋼，在距離超聲源導入側(cè)面Smm的位置沿著超聲波傳播方向切出五片厚度為2mm的片狀力學試樣進行分析，沿側(cè)面5mm的位置開始測量試樣的力學性能是為了消除工具頭對試塊壁的冷卻作用，所取試樣位置示意圖如圖2-5所示。根據(jù)國家標準GB228-87金屬拉伸實驗方法和GB6397-86金屬拉伸實驗試樣，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。拉斷后的力學試樣在HITACHI S-570上進行斷口掃描分析。3超聲波對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嚴重破壞工具頭等相連接設備的使用壽命，所以采用功率超聲波處理鐵基合金熔體的報道較少。然而鐵基材料在工業(yè)上的應用非常廣泛，尤其是鋼鐵材料在工業(yè)應用上有其不可替代的主導作用。同時近年來對超細鋼的需求更提升了對鋼細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鐵基合金中凝固組織和特性的影響，本章采用側(cè)部導入超聲波處理工藝，對簡單的二元鐵碳合金T10鋼凝固階段進行處理，探討不同超聲波處理對高熔點合金凝固過程的作用規(guī)律。3.1實驗材料及實驗方案3.1.1實驗材料 在熔體凝固過程中，熔體冷卻速率和凝固時間直接影響著超聲波處理的有效時陽和處理效果。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(如聲流效應、空化效應等)比較困難。在前期的探索性工作中，對含碳量為0.05%的Q235鋼進行了超聲波處理，結(jié)果如圖4-1所示。結(jié)果表明，與鋁相比，超聲波處理對Q235鋼晶粒尺寸的改變并不十分明顯。分析認為，這是因為鋼的熔點高，凝固時間太短，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間，同時從工業(yè)應用上考慮所選材料的實用價值。本章選擇常用的普碳鋼T10鋼為實驗材料。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)上具有廣泛的應用。這種材料雖然有足夠的硬度和耐磨性，但是強度和韌性均不理想，所以要想獲得理想的力學性能，首先需要細化晶粒，同時改善碳化物的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布。本實驗所用T10鋼的主要化學成分如表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實驗用T10鋼化學成分3.1.2實驗方案 考慮到超聲波設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%。起模后將鑄型放進烘箱烘干并預熱。鑄型烘干過程為先調(diào)節(jié)溫度為3000C，烘烤砂型2小時，然后將溫度調(diào)節(jié)到5000C，預熱砂型40分鐘。將直徑為40mm的T10鋼棒放入中頻感應爐中加熱熔化并過熱到1600時靜置進行除氣和除渣處理。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。同時采用雙鉑鍺熱電偶實時測量熔體溫度，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時導入功率超聲波對金屬熔體處理。在處理過程中，需要從總體上估計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度的超聲波對高熔點合金的處理效果，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入，隨后將試塊空冷到室溫。為了對比，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，為確保實驗的準確和實驗數(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。本實驗中，熱電偶一前端距離型壁內(nèi)表面距離20mm。當鋼液澆入砂型以后，啟動溫度測量系統(tǒng)，計算機將實時記錄熔體冷卻過程的溫度值。3.2超聲波處理對力學性能的影響3.2.1超聲波處理對抗拉強度和延伸率的影響力學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鋼的抗拉強度，沿著超聲波傳播方向切取5片片狀力學試樣。取靠近超聲源的試樣為1號試樣，它距離超聲源距離7mm;最遠離的為5號試樣，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鋼的抗拉強度，觀察圖4-9中的實驗數(shù)據(jù)可知，超聲波處理后試塊的抗拉強度得到提高。對應所有的1號試樣，在未處理時抗拉強度為675.9MPa。經(jīng)過100W超聲波處理后，100W-1號試樣的抗拉強度基本沒有改變。200W超聲波處理后，200W-1號試樣的抗拉強度為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性能稍有提高。而當超聲波功率提高到300W以后，300W-1號試樣的抗拉強度提高非常明顯，比未處理1號試樣提高了約15%，尤其是當功率達到700W時，700W-1試樣的抗拉強度870MPa，比未處理的試樣提高了約30%。對所有最遠離超聲源的5號試樣，未處理和超聲波功率小于300W的抗拉強度基本相近，說明在超聲波傳播距離為15mm部位，當功率小于300W時抗拉強度基本沒有變化，也就是說超聲波作用效果不明顯，直到超聲波功率達到400W后，400W-5號試樣的抗拉強度才逐漸提高。圖4-9不同超聲波功率處理下T10鋼的抗拉強度圖4-10為不同傳播距離下T10鋼的抗拉強度。對于未處理試樣，從1號試樣到5號試樣的抗拉強度變化很小，在100W處理后試樣的抗拉強度也基本沒有變化，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號試樣到5號試樣的抗拉強度逐漸遞減，其中700W超聲波處理1號試樣和5號試樣抗拉強度差75MPa。這說明超聲波對不同部位的試樣造成不同的處理效果，分析認為超聲波在介質(zhì)中傳播時產(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)形成骨架相的固體，使得遠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號試樣，當超聲波功率為200W時延伸率就得到提高，而且增加量隨著超聲波功率的增加而加大。當功率為700W時，700W-1號試樣的延伸率從未處理的8.9%增加到16.7%，增長幅度高達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化鑄態(tài)凝固組織，而且隨著超聲波功率增大，T10鋼晶粒細化效果越明顯。由材料學可知，當多晶體金屬材料發(fā)生塑性變形時，位錯源從施密特因子大的晶粒內(nèi)開動，并沿一定晶面產(chǎn)生滑移和增值，滑移至晶界面前的位錯被晶界阻擋，這樣一個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)位錯塞積。晶界上位錯塞積產(chǎn)生的應力場是相鄰位錯源開動的驅(qū)動力，而塞積位錯應力場的強度與塞積位錯數(shù)目和外力有關，塞積位錯的數(shù)目又正比于晶粒尺寸。因此，材料晶粒細小時塞積位錯的數(shù)量將減少，要開動相鄰晶粒內(nèi)的位錯就只能靠加大外力了。對于本研究來說，因為超聲波使T10鋼的晶粒得到了細化，從而使T10鋼的強度也得到了提局。3.2.2超聲波處理對斷口形貌的影響對不同超聲波功率處理下1號力學試樣的斷口形貌進行掃描，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。當超聲波功率提高為200W時，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)生斷裂時將形成大的塑性變形，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，同時還形成了魚骨狀韌窩。當超聲波處理功率為400W和SOOW時，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材料塑性的提高非常明顯。當功率提高到600W和700W時，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。就整個斷面看，在700W超聲波處理時斷面形貌跌宕起伏，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)部導入工藝對亞共晶鋁硅合金、T10鋼和奧氏體不銹鋼凝固過程進行超聲波功率處理，對超聲波處理條件下合金的凝固特性、組織和力學性能進行了分析，探討了超聲波處理凝固細晶機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，縮短凝固時間。通過三種合金的實驗測試結(jié)果，得到了在本實驗條件下凝固初始溫度與超聲波功率的定量函數(shù)關系式 (2)超聲波處理明顯細化亞共晶A1-7.3%Si合金的組織。在本實驗條件下，平均晶粒尺寸從未處理的3SOO.m降低為700W的309m，平均晶粒尺寸與超聲波輸入功率呈負指數(shù)關系。未處理試樣初生a ( Al)為一次枝晶臂特別發(fā)達的長柱狀樹枝晶，樹枝晶雜亂交錯。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)超聲波處理對高溫合金的組織細化效果明顯。對T10鋼的研究表明，隨著功率的提高，T10鋼的晶粒明顯細化，平均晶粒尺寸從未處理的820m降低為700W處理的315m，減小幅度達61%。對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1 劉萍. 冷卻速度對Mg2Si增強過共晶Al-Si合金組織與性能的影響J. 鑄造技術(shù). 2006(07)2 岳睿,潘祖軍,李艷. 不銹鋼的腐蝕分析J. 金屬世界. 2006(03)3 張振杰. 奧氏體不銹鋼應力腐蝕破裂探討J. 石油化工腐蝕與防護. 2006(02)4 陳紹楷,李晴宇,苗壯,許飛. 電子背散射衍射(EBSD)及其在材料研究中的應用J. 稀有金屬材料與工程. 2006(03)5 楊明波,潘復生,丁培道. 1Cr18Ni9Ti不銹鋼雙輥薄帶的鑄態(tài)組織特征研究J. 機械工程材料. 2005(06)6 戚飛鵬,張海波,高守雷,翟啟杰. 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