超聲波對金屬凝固特性及組織影響的研究.pdf

1、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(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，本文首先采用此技術(shù)處理了低熔點亞共晶Al-7.3

2、％Si合金，系統(tǒng)研究了此工藝對合金凝固特性和組織的影響。采用微分熱分析方法對合金的凝固初始溫度、共晶反應(yīng)溫度和時間進行了分析。研究表明，200W超聲波處理對熔體的凝固初始溫度影響小，隨著輸入的超聲波功率進一步提高到600W后，合金的凝固初始溫度發(fā)生大幅度降低，對應(yīng)于宏觀組織細化和初生α相形貌的顯著改善。超聲波功率從0 W變化到700W時，平均晶粒尺寸與輸入的超聲波功率呈負(fù)指數(shù)遞減規(guī)律。本文考察了超聲波處理對材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明超

3、聲波處理提高了該合金的抗拉強度和延伸率。 為了探討超聲波處理對高熔點合金的影響，本文選用成分簡單的二元鐵碳合金(T10鋼)為研究材料，結(jié)合超聲波側(cè)部導(dǎo)入工藝分析超聲波對高熔點合金凝固特性和組織的影響。微分熱分析結(jié)果表明，功率小于300W時，超聲波處理對凝固初始溫度基本沒有影響。隨著輸入功率的提高，凝固初始溫度逐漸降低。組織結(jié)果顯示，隨著超聲波功率的提高T10鋼晶粒細化程度越發(fā)明顯，分布更加均勻。力學(xué)性能測試結(jié)果顯示，超聲波處理后

4、試樣抗拉強度增大，延伸率提高。斷口掃描結(jié)果表明，超聲波處理使斷口的斷裂特征由典型的脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂。 在上述研究基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)需求，深入研究了不同超聲波功率處理對1 Crl8Ni9Ti奧氏體不銹鋼凝固過程、組織及性能的影響。微分熱分析顯示，隨著超聲波處理功率的增大，熔體的凝固初始溫度逐漸降低，凝固時間縮短，包晶反應(yīng)溫度也隨著超聲波功率的提高而降低，而且包晶反應(yīng)前期近平衡凝固時間隨著功率的提高大大縮短。通過數(shù)學(xué)分析定

5、量的得到超聲波處理過程凝固初始溫度與功率的關(guān)系。隨后采用EBSD電子背散射衍射技術(shù)對晶界和晶粒內(nèi)部缺陷進行分析。結(jié)果表明，超聲波處理增加了組織中的晶界、亞晶界面積和位錯密度，并且隨著輸入功率的提高，凝固組織發(fā)生由柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。功率從0 W到700W，輸入功率與奧氏體相含量呈線性遞增關(guān)系，700W超聲波處理時組織近似為全奧氏體。分析了超聲波處理對奧氏體不銹鋼微觀組織的影響。結(jié)果顯示，隨著超聲波功率的提高發(fā)生了柱狀枝晶向等軸晶或球形

6、晶的轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的二次枝晶臂間距變小。通過EDS能譜技術(shù)測試了不銹鋼中主要元素在不同位置的分布，結(jié)果表明施加超聲波加速了固/液界面前沿的溶質(zhì)擴散，減小溶質(zhì)富集邊界層厚度，從而降低了合金元素偏析。力學(xué)性能測試結(jié)果表明，超聲波處理對不銹鋼試樣的延伸率影響不大，但能顯著提高合金抗拉強度。對合金抗拉強度沿著超聲波傳播距離上的衰減進行分析，表明合金抗拉強度與傳播距離呈負(fù)指數(shù)遞減關(guān)系?？垢g性測試顯示超聲波處理提高了奧氏體不銹鋼的抗腐蝕性能。

7、 結(jié)合凝固理論和聲學(xué)理論，對超聲波處理細化機理進行了系統(tǒng)分析。分析表明空化氣泡在膨脹過程導(dǎo)致微區(qū)過冷和氣泡閉合形成的高壓提高了合金形核速率，使組織細化。而氣泡閉合形成的強沖擊力造成的型壁晶粒剝落、超聲波處理后熔體內(nèi)熱起伏造成枝晶臂頸部熔斷也有效地促進了凝固組織的進一步細化。分析了超聲波作用對金屬理論結(jié)晶溫度的影響，推導(dǎo)出了超聲波處理下合金理論結(jié)晶溫度與超聲波功率的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并根據(jù)實驗所測的金屬凝固初始溫度，得到超聲波處理后合金過冷度增