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1、湖 南 涉 外 经 济 学 院本科毕业论文（设计）题目超声波对A380凝固行为的实验研究作者 学院机械工程学院专业材料成型与控制工程学号200800000000指导教师二一六 年 四 月 三十 日湖南涉外经济学院本科生毕业论文（设计）摘要传统导入方式的超声波处理虽然能够显著改善金属凝固组织和强化金属材料性能，但是由于存在诸多缺点，比如容易卷入夹杂物、对于高温合金的操作困难等，使得该技术在工业应用上有很大的难度。本文采用自主研发的“自吸式变幅杆”超声侧部导入技术，解决了超声波导入难题，并研究了该超声处理技术对铝基和铁基合金凝固特性、组织和性能的影响，探讨了其中的基础理论问题。为了探索超声波侧部导
2、入处理工艺的可行性。本文通过实验分析超声波对A380凝固行为。关键词：超声波；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 caug
3、ht 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,
4、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, th
5、e solidification behavior of A380 is analyzed by experiment.KEY WORDS: ultrasonic; A380; solidification目录摘要IABSTRACTII引言11相关概述11.1超声波处理技术11.2超声波中的金属熔体凝固21.2.1超声波处理工艺21.2.2超声波在低温合金凝固过程中应用31.2.3超声波在中温合金凝固过程中的应用42实验准备62.1实验设备62.1.1超声波处理设备72.1.2超声波衰减测量设备82.2分梳则试仪器93超声波对凝固特性和组织的影响123.1实验材料及实验方案123.1.1实验材
6、料123.1.2实验方案133.2超声波处理对力学性能的影响143.2.1超声波处理对抗拉强度和延伸率的影响143.2.2超声波处理对断口形貌的影响174总结19参考文献20致谢21IV引言现代科学技术的发展不仅对材料性能要求越来越高，而且对环保要求也日趋严格。材料的环境协调性促使绿色材料加工技术的飞速发展。传统的冶金化学手段细化凝固组织工艺受到了环境理念的质疑和挑战，凝固技术正朝着高效、环保的方向发展。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冶金及材料工作者长期追求和奋斗的目标。1相关概述基于上述发展思路，在凝固过程中施加物理场处理技术成为提高材料性能的重要工
7、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熔体施加物理场，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。该技术具有环境友好、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中在以下三个方面： 1)对金属熔体的凝固过程进行超声波处理;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波、磁场和电流等物理手段的产生成为可能，因此从20世纪90年代起物理场凝固细晶技术成为材料领域的研究热点。近几十年来各种物理场对材料凝固过程和组织的影响研究受到特别的关注，尤其是大功率
8、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，因此在材料领域的研究和应用再次成为热点。本课题主要研究功率超声波处理对金属凝固过程的影响，系统考察了不同超声波功率处理下金属的凝固行为，揭示超声波处理对金属凝固行为的影响机制;建立了超声波在熔体中传播的“衰减”模型，得到超声波在熔体中传播的有效传播距离，为工艺参数的选择和工业应用提供了理论依据。1.1超声波处理技术 超声波通常指的是频率高于2X1扩Hz的声波。从其使用用途来分包括检测超声、功率超声和医学超声。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改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技术。功率超声学涉及的主要内容包括大
9、功率和高声强超声波的产生(包括大功率超声换能器、变幅杆、变幅器、振动方向变换器和处理工具等)，声能对物质的作用机理和各种超声处理技术应用。其中声能量对物质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。因此本文将采用特定的导入设备，将功率超声波施加到液态金属的凝固过程中，通过功率超声波在凝固金属中形成的多种效应的综合作用，改变金属的凝固过程，最终改善或控制金属材料的凝固行为，获得优良组织和性能的材料。 早期的超声波处理工艺发展非常缓慢，因为有许多问题困扰超声波处理的应用，其中最突出的是功率超声波产生设备的研制问题。随着人们对超声波处理研究的不断深入以及物理、材料和电子等领
10、域科学技术的飞速发展，逐渐找到了解决方案。尤其是大功率晶体管的出现，包括vMOs和IGBT管的制造不断取得进展，功率合成系统不断完善，使得功率超声发生器输出功率可以达到几十千瓦，满足了工业应用的需求。据报道，美国ETREMA PRODUCTS公司用Terfenol-D磁致伸缩合金设计制造了25kW的超声源，结合形状记忆合金(Cu-AI-Me)作为变幅杆，具有较高的疲劳寿命及抗空化腐蚀性能。超声波产生设备的突破促使了超声波处理技术的广泛应用。1.2超声波中的金属熔体凝固1.2.1超声波处理工艺 传统的超声波导入方法主要有顶端导入和底端导入两种方式，如图1-6所示。它们共同的优点是操作简单，但这两
11、种导入方式各有其不足之处。对于底端导入来说，由于振荡器和盛放金属熔液的模子相粘接，那么有一部分超声振动不可避免的被模子吸收，特别是金属液浇入铸模后首先从底部开始凝固，导致振动效率降低，所以上部的金属熔液超声处理效果很差，尤其对于比重偏析严重的金属则需要用比顶端导入高出很多的振动强度才能取得相同的效果。顶端导入的效率虽说比较高，但变幅杆浸入液面，在超声波使合金液呈剧烈的振动状态时，合金液面连续的氧化膜遭到破坏，而这些破碎的氧化膜被振动的合金液从表面卷入到熔液的内部而形成夹杂，同时处理高温金属时，对变幅杆的材质会造成严重的高温腐蚀。本文对传统的超声波导入工艺进行改进，采用自吸式侧部导入方式，工艺示
12、意图为图1-6 。其特征在于利用特殊设计变幅杆的自吸力使其与增锅紧密接触，将超声波从侧部导入柑涡内的金属熔液中。本工艺一改传统的顶部和底部导入法，不直接接触金属熔液，从而避免了变幅杆由于与高温金属液相浸触所造成的腐蚀和损耗。不会造成表面氧化物和杂卷入金属液内部，避免了外来夹杂物，而且可以随着试块处理部位的需要灵活的改变超声源位置，提高处理效果。图1-6传统超声波导入方式图1-7侧部导入超声波装置示意图1.2.2超声波在低温合金凝固过程中应用 20世纪30年代，D. Loomis, W. Wood和S. Danilov等学者分别研究了超声振动对金属和有机物凝固过程的影响。随后S. Sokolov
13、, T. Teumin, P. Alekseev, G. Eskin和O. Abramov等人也分别对超声场下金属的凝固规律进行了探索67-690 O. Abramov, G. Eskin和F. Gurevich使用20kHz的超声波处理具有不同点阵结构的纯金属，其中包括Bi, Zn, Sn。换能器传递的能量为100-250W707i。实验表明，当换能器的输出功率为1 OOW时，Sn的晶粒开始细化。而当换能器的输出功率提高到250W时，Bi, Zn的晶粒才开始细化。实验结果揭示，超声处理能使具有不同点阵的金属晶粒细化。金属熔点较低晶粒形貌变化最大，随着材料熔化温度增加，细化效果减弱。 G.N.
14、 Kozhemyakin研究了功率超声波振动对InSb晶体凝固过程生长的影响。结果表明，超声波振动能影响InSb晶体的生长方向，择优的晶粒取向有利于提高晶体的胜能。图1-8为超声波处理对锡锑合金微观组织的影响73。对此种合金的研究结果表明，超声波处理能显著细化合金的微观组织，改变刀相形貌，使尖锐棱角的立方体刀相破碎为均匀细小的粒状，棱角有钝化趋势，并可消除比重偏析。图1-8 Sn-Sb合金的微观组织1.2.3超声波在中温合金凝固过程中的应用对低温金属的研究表明，超声波处理在细化晶粒方面有非常好的效果。为了增加这种处理工艺工业应用的适用性，随后的研究主要集中在工业常用的铝合金和镁合金。Abram
15、o选用纯铝为研究材料，合金凝固过程中施加超声振动后发现:对于整个试块，晶粒最细的部分分布在靠近工具头的部位。这说明位于空化区域和强声流区域的熔体具有很强的结晶性能。因此，当超声波工具头压入熔体中时，由空化气泡形成的液压波能非常有效的破碎已经凝固的合金，而由超声波产生的声流作用将破碎的固体颗粒均匀分布。在超声波处理区域，凝固组织发生了很大的变化，包括晶粒细化、抑止柱状晶生长、提高晶粒的各向同性和减低偏析。图1-9为采用顶部超声波处理工艺得到的纯铝未处理和超声波处理的微观组织，凝固组织由柱状晶向等轴晶的转变非常明显。而且力学性能测试结果发现，经过超声波处理后，材料的抗拉强度由52MPa提高为72M
16、Pa，增长幅度达到35%，硬度也从HB 17.2增长为HB 19.7 。 C. K. Jen和H. Soda研究了超声振动对具有不同微观组织(胞状、树枝状和多面体)的二元Al-Cu, Bi-Cd合金凝固过程的作用s。以前在这一领域内的研究仅限定在具有树枝状结构的低熔点合金，此实验中选用具有不同成分、不同微观组织的材料进行研究，深化了以前在这领域的研究。实验采用顶端导入，在温度高于液相线10 0C以上时，导入20kHz的超声振动，在温度低于固相线10时停止导入。实验结果表明，这些合金重熔凝固后，组织明显细化。然而对于合金重熔后是否还具有超声波的影响，这个问题尚存在争议。图1-9纯铝未处理(a)和
17、超声波处理(b)的微观组织本文在实验研究方面，采用自发研制的超声波侧部导入装置和超声波衰减测量装置。随后对分析试样采用多种分析测试手段，进行凝固特性、组织以及力学性能的系统分析。2实验准备2.1实验设备本文采用的超声波处理实验设备主要包括超声波产生系统、熔炼系统和温度采集系统。超声波熔体处理的实验设备示意图和实物图分别为图2-1和图2-2。以下将对本文使用的实验设备进行详细介绍。图2-1实验设备示意图图2-2实验实物装置图2.1.1超声波处理设备2.1.1.1超声波产生系统 (1)超声波发生器和换能器 超声波发生器和换能器振动系统是整个实验研究系统的重要设备之一，担负着为凝固实验提供超声源的任
18、务。超声波发生器是一个产生超声频电信号的功率源，它供给换能器工作时所必需的超声频电功率。换能器将电功率转换为超声能量生成超声振动。本实验中选择磁致伸缩换能器，发生器的主要参数为:输出功率0-1000W连续可调;输出阻抗约50欧姆;频率范围17-23kHz;电源电压220V，频率SOHz;电源消耗约2000伏安;磁化电流大于7安培;承受电功率1000W o (2)超声波变幅杆 将超声振动导入金属液中是超声波在金属凝固中应用的前提。这里涉及到变幅杆的材质和导入方式两个问题。在超声技术中变幅杆是振动系统中很重要的一部分，超声变幅杆，又称超声变速杆、超声聚能器。它的主要作用是把机械振动的质点位移和速度
19、放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用。在本实验中用超声波处理的是金属熔液或金属固液混合物，不需要加任何静压力，所以选用简单阶梯形变幅杆。 关于变幅杆材料的选择一般有如下要求:在工作频率范围内材料的损耗小、疲劳强度高、声阻抗率小，并且要易于机械加工。在本实验中，选用#45钢作为变幅杆材料，因为其具有较好的声学特性和延展性，而且能耐较高的温度，材料价格较低、使用经济等优点，是比较理想的变幅杆材料。 (3)超声波侧部导入装置 超声波侧部导入装置为课题组自制的实验设备，主要由自吸式变幅杆、变压器、线圈、冷却装置组成，设备示意图参看图1-7。2.1.1.2熔炼系统 对于铝硅合金，采用3kW
20、的钳锅电阻炉进行熔炼。钢的熔炼采用中频感应电炉，其额定功率为SOkW:工作频率2000Hz;最大中频电流1600A;最大直流电流1 OOA;最高工作温度1900 0C。炉头线圈尺寸为 160mmX25mm。熔化不锈钢时选用镁砂打结炉衬，熔化铸铁时选用石英砂打结炉衬。炉膛尺寸约为内径 70mmx 180mm，大约能熔化Skg炉料。2.1.1.3温度采集系统 温度采集系统包括K型、B型热电偶和红外测温仪、AD VANTECH-610工业控制计算机、ADAM4018+采温模块、OP07高精度低漂移运算放大器、滤波模块、热电偶补偿导线、以及用来实时显示温度一时间曲线的测温程序等。铝合金凝固时温度采用镍
21、铬-镍硅(K型)热电偶测量，而测试高温熔液时采用双铂锗热电偶，热电偶外部用石英管进行保护。2.1.2超声波衰减测量设备超声波衰减测量设备由原位加热系统、冷却系统、超声波发射接收装置、位置调节系统和温度采集系统组成。其中加热系统由3kW加热电阻丝、炉膛和塔祸组成。本文超声波发射接收装置所选用的超声波发射频率为2.SMHz。温度采集系统与超声波处理装置的测温系统相同。图2-3为实验设备示意图，该实验设备利用单探头超声发射、接收器，加上循环冷却装置，由导杆间接把超声波导入金属熔体。超声波经过导杆进入金属熔体，在金属柑锅底面发生反射后又经过同样的路径回到探头。超声波在导杆中的衰减量和在各界面处的反射系
22、数、透射系数等物性参数己知，则可以根据回波的大小得到超声波在金属熔体中的衰减值。图2-3超声波衰减测量设备示意图2.2分梳则试仪器 本文主要对试样凝固组织和力学性能进行了观测和测试，采用的测试仪器包括: (1)微观组织分析仪器 电子背散射衍射(Electron Back Scattering Diffraction，简称EBSD)是20世纪80年代发展起来的对金属材料进行组织分析和结晶学分析的新技术。利用EBSD技术可以从实验样品中获得多方面的信息，其中包括试样的晶粒形貌、晶内结构、晶体生长的取向和取向差、试样的相组成和各相所占的比例等等。传统的晶粒尺寸测量依赖于微观组织中晶界的观察，某些特殊
23、晶界，如小角晶界和孪晶界用常规的腐蚀方法难以显示，使得严重孪晶微观组织的晶粒尺寸测量相当困难。应用EBSD技术可以精确地勾画出小角晶界和孪晶界，获得完整的晶粒取向图(Crystal Orientation Mapping，简称COM ) fss,s9。在电子探针一分析中，对于某些化学成分相似的氧化物和碳化物很难区分，但EBSD技术可以从相的结晶学关系上很容易地加以区分。目前，EBSD可以对7大晶系任意对称性的样品进行自动取向测量和标定。结合EDS能谱微区成分分析，EBSD可以应用于未知物相的鉴定上。 在本文中，采用EBSD测试技术对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢试样做以下几个方面的分析和研究
24、: ( a ) 1 Cr 18Ni9Ti铸态组织中晶界、亚晶界和位错的分析。传统的晶粒观察是用显微镜成像方法，对于晶粒内部的缺陷不能反映出来。而1 Crl 8Ni9Ti是一种抗腐蚀性能很好的不锈钢，要完整的腐蚀其晶界有一定的难度，更不用说观察小角晶界和位错分布。所以为了研究超声波处理对晶粒内部的影响，采用EBSD技术对试样做更深入的分析。 (b)研究不同超声波功率处理下1 Crl 8Ni9Ti凝固时晶粒生长方向，从而分析超声波对1 Cr18Ni9Ti凝固过程热流的影响。 (c)分析1 Crl 8Ni9Ti铸态组织中铁素体相和奥氏体相的分布和各相所占的比例，从而研究超声波对1Cr18Ni9Ti凝
25、固组织中相含量的影响。 具体实验过程: (a)对未处理和不同超声波功率处理的试块在距离超声源1 Smm的位置切出小块尺寸为8mmX8mmX5的试样; (b)对切割的小试样采用电解抛光进行处理。电解抛光工艺参数如下: 电解液:15%高氯酸+85%酒精; 电压:15V; 电流密度:0.2A/cm2 ; 处理时间:SOs. (c) EBSD在HITACHI 5-570上进行，所用的实验电压为20kV，所选用的步长为20s/micron，最终数据通过TSL软件分析。选择晶界的角度范围为:150-1800;亚晶界的角度范围为:20-150 。 (2)能谱分析仪 分析奥氏体不锈钢主要元素含量的变化。具体操
26、作如下: (a)对不同超声功率处理的试块，取距离工具头5处的试样，试样尺寸为8mmX8mmX8mm; (b)将试样研磨、抛光; (c)用FeCl3 ( I Sg ) + HCl ( SOmI ) + H20 (1 OOmI )腐蚀剂对抛光后的试样进行腐蚀; (d)对腐蚀后的试样在JSM-6700E上进行元素测定，分别得到不同部位Fe, Cr,Ni三元素的含量。 (3)力学性能测试装置 力学性能实验在室温下进行，所使用的设备为ZWICK-Z20万能实验机。对于亚共晶Al-Si合金，在试块的中心截取组织观察和力学试样，如图2-4所示。对于T10钢和1 Crl 8Ni9Ti奥氏体不锈钢，在距离超声源
27、导入侧面Smm的位置沿着超声波传播方向切出五片厚度为2mm的片状力学试样进行分析，沿侧面5mm的位置开始测量试样的力学性能是为了消除工具头对试块壁的冷却作用，所取试样位置示意图如图2-5所示。根据国家标准GB228-87金属拉伸实验方法和GB6397-86金属拉伸实验试样，结合试快尺寸确定了拉伸片状试样的尺寸如图2-6所示92。拉断后的力学试样在HITACHI S-570上进行断口扫描分析。3超声波对凝固特性和组织的影响 铁基合金在凝固过程中温度较高，采用传统的超声波处理工艺会严重破坏工具头等相连接设备的使用寿命，所以采用功率超声波处理铁基合金熔体的报道较少。然而铁基材料在工业上的应用非常广泛
28、，尤其是钢铁材料在工业应用上有其不可替代的主导作用。同时近年来对超细钢的需求更提升了对钢细化工艺可行性研究的迫切性。 为了能克服传统的超声波处理工艺的缺陷，更好地研究超声波处理工艺对铁基合金中凝固组织和特性的影响，本章采用侧部导入超声波处理工艺，对简单的二元铁碳合金T10钢凝固阶段进行处理，探讨不同超声波处理对高熔点合金凝固过程的作用规律。3.1实验材料及实验方案3.1.1实验材料 在熔体凝固过程中，熔体冷却速率和凝固时间直接影响着超声波处理的有效时阳和处理效果。与铝合金不同的是，钢液密度大，而且钢液温度比铝液高很多，发生超声波效应(如声流效应、空化效应等)比较困难。在前期的探索性工作中，对含
29、碳量为0.05%的Q235钢进行了超声波处理，结果如图4-1所示。结果表明，与铝相比，超声波处理对Q235钢晶粒尺寸的改变并不十分明显。分析认为，这是因为钢的熔点高，凝固时间太短，超声波处理效果没有得到很好的体现。为了能更明显的观察到超声波处理的直观效果，需提高超声波处理的有效时间，同时从工业应用上考虑所选材料的实用价值。本章选择常用的普碳钢T10钢为实验材料。T10钢是一种碳素工具钢，它生产成本低，冷、热加工性能好，而且具有较好的耐磨性，常用于制作切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动的各种工具，如车刀、刨刀、钻头等，也可用作不受较大冲击的耐磨零件，因此在生产上具有广泛的应用。
30、这种材料虽然有足够的硬度和耐磨性，但是强度和韧性均不理想，所以要想获得理想的力学性能，首先需要细化晶粒，同时改善碳化物的形态、大小、数量和分布。本实验所用T10钢的主要化学成分如表4-1所示。图4-1未处理(a)和700W (b)超声波处理Q235钢微观组织的影响表4-1实验用T10钢化学成分3.1.2实验方案 考虑到超声波设备的超声波功率范围，确定试样尺寸为:64mmX60mmX 140mm 。采用水玻璃砂铸型，水玻璃加入量为3.5%。起模后将铸型放进烘箱烘干并预热。铸型烘干过程为先调节温度为3000C，烘烤砂型2小时，然后将温度调节到5000C，预热砂型40分钟。将直径为40mm的T10钢
31、棒放入中频感应炉中加热熔化并过热到1600时静置进行除气和除渣处理。随后将熔体浇注到砂型中，盖上保温盖，尽可能降低试块与外界的换热。同时采用双铂锗热电偶实时测量熔体温度，通过温度采集模块和温度处理软件绘制冷却曲线。通过温度曲线的信息，在高于液相线温度50 0C时导入功率超声波对金属熔体处理。在处理过程中，需要从总体上估计声场能量及作用效果，因此输出的超声波功率是非常重要的工艺参数。为了全面衡量不同强度的超声波对高熔点合金的处理效果，选用的超声波功率依次为100W, 200W, 300W, 400W, SOOW, 600W和700W 。凝固结束后停止超声波的导入，随后将试块空冷到室温。为了对比，
32、在相同外界条件下浇注了一组没有超声波处理的试块。图4-2热电偶放置的位置示意图 图4-2为T10钢凝固过程中热电偶放置的位置示意图，为确保实验的准确和实验数据的可比性，每次浇注过程都将热电偶固定在砂型同一位置。本实验中，热电偶一前端距离型壁内表面距离20mm。当钢液浇入砂型以后，启动温度测量系统，计算机将实时记录熔体冷却过程的温度值。3.2超声波处理对力学性能的影响3.2.1超声波处理对抗拉强度和延伸率的影响力学试样的切取部位和尺寸如图2-5和2-6所示，为了研究试块不同部位T10钢的抗拉强度，沿着超声波传播方向切取5片片状力学试样。取靠近超声源的试样为1号试样，它距离超声源距离7mm;最远离
33、的为5号试样，它距离超声源距离1 5mm。图4-9为不同超声波功率处理下T10钢的抗拉强度，观察图4-9中的实验数据可知，超声波处理后试块的抗拉强度得到提高。对应所有的1号试样，在未处理时抗拉强度为675.9MPa。经过100W超声波处理后，100W-1号试样的抗拉强度基本没有改变。200W超声波处理后，200W-1号试样的抗拉强度为709MPa，比未处理试样增长了4.9%，说明在靠近超声源的试样力学性能稍有提高。而当超声波功率提高到300W以后，300W-1号试样的抗拉强度提高非常明显，比未处理1号试样提高了约15%，尤其是当功率达到700W时，700W-1试样的抗拉强度870MPa，比未处
34、理的试样提高了约30%。对所有最远离超声源的5号试样，未处理和超声波功率小于300W的抗拉强度基本相近，说明在超声波传播距离为15mm部位，当功率小于300W时抗拉强度基本没有变化，也就是说超声波作用效果不明显，直到超声波功率达到400W后，400W-5号试样的抗拉强度才逐渐提高。图4-9不同超声波功率处理下T10钢的抗拉强度图4-10为不同传播距离下T10钢的抗拉强度。对于未处理试样，从1号试样到5号试样的抗拉强度变化很小，在100W处理后试样的抗拉强度也基本没有变化，但是随着功率的提高，从200W处理直到700W超声波处理，沿着超声波传播方向，1号试样到5号试样的抗拉强度逐渐递减，其中70
35、0W超声波处理1号试样和5号试样抗拉强度差75MPa。这说明超声波对不同部位的试样造成不同的处理效果，分析认为超声波在介质中传播时产生的衰减现象造成了试块后端所受超声波处理的影响较小，尤其在凝固中后期，由于靠近超声源处熔体己经形成骨架相的固体，使得远离变幅杆的熔体没有受到超声波的作用。图4-10不同传播距离下T10钢的抗拉强度图4-11 (a)和(b)分别为不同超声波功率处理下T10钢的延伸率和不同传播距离下T10钢的延伸率。图4-11 (a)所示靠近超声源的1号试样，当超声波功率为200W时延伸率就得到提高，而且增加量随着超声波功率的增加而加大。当功率为700W时，700W-1号试样的延伸率
36、从未处理的8.9%增加到16.7%，增长幅度高达88%。图4-11 (b)代表不同传播距离下试样的延伸率的衰减情况，可以明显的得到延伸性能也是随着传播距离的加大而减弱。图4-11不同超声波功率处理下T10钢的延伸率(a)和不同传播距离下T10钢的延伸率(b)超声波处理能显著细化铸态凝固组织，而且随着超声波功率增大，T10钢晶粒细化效果越明显。由材料学可知，当多晶体金属材料发生塑性变形时，位错源从施密特因子大的晶粒内开动，并沿一定晶面产生滑移和增值，滑移至晶界面前的位错被晶界阻挡，这样一个晶粒的塑性变形就无法直接传到相邻的晶粒中去，造成塑变晶粒内位错塞积。晶界上位错塞积产生的应力场是相邻位错源开
37、动的驱动力，而塞积位错应力场的强度与塞积位错数目和外力有关，塞积位错的数目又正比于晶粒尺寸。因此，材料晶粒细小时塞积位错的数量将减少，要开动相邻晶粒内的位错就只能靠加大外力了。对于本研究来说，因为超声波使T10钢的晶粒得到了细化，从而使T10钢的强度也得到了提局。3.2.2超声波处理对断口形貌的影响对不同超声波功率处理下1号力学试样的断口形貌进行扫描，结果如图4-12所示。断口形貌表明，未处理情况下断面为典型的解理断裂，图4-12 (a)显示大量的解理断裂痕迹，并且解理台阶上形成了明显的河流状花样。1 OOW超声波处理后，断口形貌并未明显的变化，依然是典型的解理断裂，如图4-12 (b)所示。
38、当超声波功率提高为200W时，虽然保持典型的解理断裂特征，但是在解理面上分布着许多细小的韧窝，如图4-12 (c)所示。从试样的受力方向可以判断，与拉力平行方向上的韧窝在发生断裂时将形成大的塑性变形，以此来提高材料的延伸性能。因此，在经过200W超声波处理后，试样的抗拉强度和延伸率比未处理和100W超声波处理后的试样都高。300W超声波处理后，断口解理面上有大量韧窝形成，同时还形成了鱼骨状韧窝。当超声波处理功率为400W和SOOW时，可以发现断裂情况发生了明显的变化。图4-12(e)和(f)显示大的解理台阶和解理面消失，取而代之的是小的突起解理面上分布着大量韧窝，这说明超声波处理对材料塑性的提
39、高非常明显。当功率提高到600W和700W时，试样的断口形貌呈现出韧一脆混合断裂的特征，存在许多大小不等的凹陷微坑，而且韧窝形状变大。就整个断面看，在700W超声波处理时断面形貌跌宕起伏，说明试样在拉断前瞬间还有许多微小区域依然连接着，只有再加大拉应力才能将试样拉断。图4-12不同超声波功率处理下T10钢断口形貌4总结 本文采用超声波侧部导入工艺对亚共晶铝硅合金、T10钢和奥氏体不锈钢凝固过程进行超声波功率处理，对超声波处理条件下合金的凝固特性、组织和力学性能进行了分析，探讨了超声波处理凝固细晶机理和超声波在凝固金属中的衰减过程，得到如下结论:(1)对不同合金的热分析表明，超声波处理降低合金的
40、凝固初始温度，缩短凝固时间。通过三种合金的实验测试结果，得到了在本实验条件下凝固初始温度与超声波功率的定量函数关系式 (2)超声波处理明显细化亚共晶A1-7.3%Si合金的组织。在本实验条件下，平均晶粒尺寸从未处理的3SOO.m降低为700W的309m，平均晶粒尺寸与超声波输入功率呈负指数关系。未处理试样初生a ( Al)为一次枝晶臂特别发达的长柱状树枝晶，树枝晶杂乱交错。200W超声波处理后，一次枝晶主干缩短，枝晶主干和二次臂的生长趋于一致。功率提高到400 W以后，柱状枝晶等轴化。随着功率提高到700W，树枝晶消失，形成球状等轴晶。 (3)超声波处理对高温合金的组织细化效果明显。对T10钢
41、的研究表明，随着功率的提高，T10钢的晶粒明显细化，平均晶粒尺寸从未处理的820m降低为700W处理的315m，减小幅度达61%。对1 Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的EBSD结果显示，超声波处理后，晶粒形态发生柱状晶斗柱状/等轴晶井等轴晶转变，晶界和亚晶界面积增大，位错增殖。晶粒生长方向由未处理的垂直于模壁生长逐渐变为晶粒择优取向的发散形生长。未处理情况下基体内铁素体相弥散分布，含量占5%，经过超声波处理后，铁素体相含量逐渐减少。当700W超声波处理后，铁素体相基本消失，形成全奥氏体组织。不锈钢微观组织转变存在着柱状枝晶井柱状/等轴混合枝晶功等轴晶/球状晶转变的过程，而且二次枝晶间距减小。参
42、考文献1 刘萍. 冷却速度对Mg2Si增强过共晶Al-Si合金组织与性能的影响J. 铸造技术. 2006(07)2 岳睿,潘祖军,李艳. 不锈钢的腐蚀分析J. 金属世界. 2006(03)3 张振杰. 奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂探讨J. 石油化工腐蚀与防护. 2006(02)4 陈绍楷,李晴宇,苗壮,许飞. 电子背散射衍射(EBSD)及其在材料研究中的应用J. 稀有金属材料与工程. 2006(03)5 杨明波,潘复生,丁培道. 1Cr18Ni9Ti不锈钢双辊薄带的铸态组织特征研究J. 机械工程材料. 2005(06)6 戚飞鹏,张海波,高守雷,翟启杰. Microstructure Refine
43、ment of Sn-Sb Peritectic Alloy under High-Intensity Ultrasound TreatmentJ. Journal of Shanghai University. 2005(01)7 Tadashi MOMONO. Effect of Ultrasonic Output Power on Refining the Crystal Structures of Ingots and Its Experimental SimulationJ. Journal of Materials Science & Technology. 2005(01)8 张
44、寿禄. 电子背散射衍射技术及其应用J. 电子显微学报. 2002(05)9 李荣德,孙玉霞,白彦华,于海朋,黄忠平. 凝固参数对ZA27合金二次枝晶间距及抗拉强度的影响J. 材料科学与工艺. 2001(02)10 李廷举,金俊泽. 材料电磁加工的现状与未来展望J. 材料导报. 2000(12)致谢 历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师XX老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！ 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版等过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！20