超声波晶粒细化

超声波在金属凝固中的应用与发展一、超声波及其特性 超声波通常指1秒内振动20000次以上的高频声波。在强度较低时, 超声波可以作为探测负载信息的载体与媒介, 称为检测超声。当 其强度超过一定值, 则与传声媒质相互作用,可以改变以至破坏 传声媒质的状态、性质及结构, 称为高能超声或功率超声。 本文涉及的主要是高能超声。超声波具有以下4个基本特性:1、束射特性。超声波波长短, 可以集中成一束射线。2、吸收特性。超声波在空气、液体和固体中均会被吸收。空气 中的吸收最强烈, 固体中的吸收最微弱。3、高功率。由于频率高, 超声波的功率比声波大得多, 它不仅 能使所作用的介质产生急速运动, 甚至会破坏其分子结构。4、声压作用。声波振动使物质分子产生压缩和稀疏作用,这种由 于声波振动引起的附加压力现象叫声压作用。上述4个基本特性使超声波在媒体中导致如下5 种效应: 力学效 应、热学效应、光学效应、电学效应和化学效应叫。二、高能超声对金属凝固组织的作用(1) 超声波对纯金属凝固组织的作用Eskln用超声波处理高纯 铝，处理后使晶粒度从3.1增大到37.5,拉伸强度从54MPa提高到 70MPa,硬度从HB17.2提高到HB19.7，同时延伸率也得到了改善。 Abramov和Gurevich使用超声波处理具有不同点阵结构的纯金属, 结果表明超声处理能使具有不同点阵结构的金属晶粒细化, 力 学性能提高。(2) 超声振动对低熔点合金凝固组织的作用Eski n等采用10kw 的超声波对铝合金的凝固过程进行了较为深入的研究。试验表明, 纯铝经过超声处理,拉伸强度可以提高6%一10%，而含有微量元素 的铝经过超声处理拉伸强度却可以提高20%一25%。在连续铸造中, 用超声波处理AlSi合金，也取得了良好的效果,对初生Si相的 细化作用十分显著(见图1)。(3) 超声振动对钢和铁凝固组织的作用超声处理对钢和铸铁的细化效果也是十分明显的。研究表明, 普通碳钢中含碳量越高, 超声处理的效果就越明显。对st 40钢进行变质和超声振动的联合 处理试验, 不仅得到了晶粒细化的珠光体组织, 而且铁素体网也 被打碎。超声处理使W18工具钢中碳化物偏析明显减轻，微观组 织得到细化, 共晶体碳化物也得到细化。Abramo v研究了超声处理对钢力学性能的影响己。对于铸态亚共 析碳钢, 超声处理后强度提高了20%一30%, 塑性提高了30%一40%； 而过共析钢经超声处理后,屈服强度提高了75%,同时塑性也有增 大。经过超声处理的铁素体和奥氏体钢无论是在室温还是在工作 温度下, 强度和塑性同时得到了改善。三、超声细化的机理 国外众多学者对超声细化的机理进行了探讨,提出了破碎理论和 过冷生核理论, 这些理论的核心主要是声空化现象。(1)超声破碎理论。该理论认为高能超声形成的大量空化气泡在 超过一定阂值的声压下发生崩溃井产生激波,将已结晶长大的晶 粒打碎,使晶粒得到细化比。(2)过冷生核理论。还有一些学者认为,超声波产生的空化泡的 增大和内部液体的蒸发会降低空化泡的温度,这将导致空化泡表 面的金属熔液温度降低,因此在空化泡的附近就可能形成晶核。 Abdel Rehim根据前人的工作，将超声处理的细晶作用归纳为以 下四方面：1、空化现象引起的空冷；2、振荡器的冷却和搅拌； 3、坩埚壁的冷却；4、脉冲超声的时问延迟。四、超声凝固细晶技术的前景人类进入21 世纪后，物理、材料和电子等领域科学技术的飞速 发展使大功率超声设备和耐高温变幅杆的生产成为可能，特别是 非接触式电磁超声波的诞生为该超声技术在金属制备中的应用 开辟了更广阔的空间。因此，我们相信超声凝固细晶技术将会再 度成为材料领域的研究热点， 而输出峰值高、负荷小的电磁脉冲 超声波将会成为超声凝固细晶技术的新亮点。