1、超聲波對金屬凝固過程的影響超聲波的定義及性質(zhì)超聲波是指頻率超過2000赫茲的高頻聲波。 由于超聲波具有能量大和沿直線傳播的特點(diǎn)，主要被分成檢測超聲和功率超聲兩類。 在強(qiáng)度較低時(shí)，超聲波可以作為探測負(fù)載信息的載體與媒介，稱為檢測超聲。 當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值，則與傳聲媒質(zhì)相互作用，可以改變以至破壞傳聲媒質(zhì)的狀態(tài)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，稱為高能超聲或功率超聲。超聲波的四個基本特性束射特性吸收特性高功率 聲壓作用超聲波波長短，可以集中成一束射線。超聲波在空氣、液體和固體中均會被吸收?？諝庵械奈兆顝?qiáng)烈，固體中的吸收最微弱。由于頻率高，超聲波的功率比聲波大的多，它不僅能使所作用的介質(zhì)產(chǎn)生急速運(yùn)動，甚至?xí)茐钠浞肿咏Y(jié)

2、構(gòu)。聲波振動使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏作用，這種由于聲波振動引起的附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。這四個基本特性使超聲波在媒體中導(dǎo)致如下這五種效應(yīng)：力學(xué)效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)、光學(xué)效應(yīng)、電學(xué)效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)。不同凝固方式對合金質(zhì)量的影響金屬凝固方式逐層凝固體積凝固中間凝固流動性好，容易獲得健全的凝固體；液體補(bǔ)縮性好，凝固體的組織致密； 熱裂傾向小，氣孔傾向小；流動性不好，不易獲得健全的凝固體； 液體補(bǔ)縮性不好，凝固組織不致密； 熱裂傾向大，氣孔傾向大；對質(zhì)量的影響介于上兩者之間金屬凝固過程金屬凝固過程包括兩個過程生核長大金屬凝固時(shí)必須克服的能障熱力學(xué)能障動力學(xué)能障1.1超聲波處理對形核過程的影響的機(jī)理1.3超聲波

3、處理對過冷度的影響機(jī)理1.細(xì)晶2.凝固熱過程1.2超聲波處理對長大過程的影響超聲波的特性對于金屬凝固過程有什么影響？凝固界面前沿的液相中有晶核來源液相中存在晶核形成和生長所需的過冷度晶粒細(xì)化的條件1.1超聲波處理對形核過程的影響通常條件下，當(dāng)過熱熔體冷卻到形核開始溫度后，在靠近型壁附近開始形核，隨后滿足生長條件的晶核逆著熱流方向長大，形成柱狀晶組織，直到凝固結(jié)束金屬凝固的典型宏觀組織內(nèi)部柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)表面細(xì)等軸晶區(qū)1.表層細(xì)等軸晶區(qū)2.內(nèi)部柱狀晶區(qū)：晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向3.中心等軸晶區(qū)：晶粒較為粗大圖 鑄錠凝固的典型宏觀組織足夠強(qiáng)的功率超聲波液體介質(zhì)產(chǎn)生空化氣泡聲壓的負(fù)壓

4、相聲壓的正壓相空化氣泡閉合與破裂一個周期的空化過程（聲空化理論）：空化泡在膨脹過程中，將從泡壁周圍的金屬中吸收大量熱量，導(dǎo)致微區(qū)熔體溫度過冷。液態(tài)金屬結(jié)晶驅(qū)動力滿足。作用于 實(shí)際熔體溫度T越低，液、固兩相自由能差值就越大，即相變驅(qū)動力越大，這樣就有利于形核的進(jìn)行。通常條件下，凝固初期在型壁處由于溫度低而發(fā)生大量形核。當(dāng)采用超聲波處理時(shí)，凝固初期合金的形核位置不僅僅在型壁處，由于空化效應(yīng)造成微小區(qū)域溫度的急劇降低。當(dāng)這些微區(qū)滿足生核所要求的溫度條件時(shí)，大量的晶核將在這些區(qū)域生成，其中部分小的晶核由于聲流造成的熱起伏而熔化，而大的晶核就保存下來使形核核心數(shù)量增加。凝固過程中激活能表示液態(tài)原子向固態(tài)

5、原子跨越所需克服的勢壘，因此，激活能越小，勢壘越小，液態(tài)原子向固態(tài)原子跨越的難度越小，越容易形核。激活能可按下式求得： 以上分析表明，當(dāng)輸入的超聲波功率達(dá)到一定值后，在熔體中將形成特有的空化效應(yīng)，其中產(chǎn)生的壓力變化和溫度激冷對凝固初期形核數(shù)量的增加有積極的作用，極大的提高了形核率。1.2超聲波處理對長大過程的影響 在凝固過程中，超聲波空化氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生的沖擊力對生長中的枝晶形貌也有很大的影響。當(dāng)用超聲波作用于熔體時(shí)，隨著超聲波導(dǎo)入的持續(xù)進(jìn)行，沖擊力對枝晶具有循環(huán)性的沖擊作用，破碎枝晶。同時(shí)根據(jù)金屬凝固理論知識，在枝晶根部的縮頸部位存在溶質(zhì)富集，此處熔化溫度較低，超聲波對熔體的劇烈攪拌形成大范圍

6、熱起伏，瞬間過熱的熔體將熔斷枝晶根部縮頸部位。通過沖擊力和熱流的綜合作用，大量碎小枝晶形成，增加了凝固過程中晶核數(shù)量，也有利于組織的細(xì)化。正常凝固情況下，在鑄型壁上形成細(xì)小晶核，隨后晶核沿著鑄型壁向熔體內(nèi)生長形成柱狀枝晶。在聲流作用下，長的枝晶破碎形成等軸枝晶，隨著液態(tài)金屬的流動，脫離的小枝晶將游離在熔體內(nèi)部使得最終凝固晶粒分布均勻。結(jié)晶: 大的過冷度-尺寸較大的相起伏 (晶胚) -晶核形成-晶核長大.過冷度:金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn(熔點(diǎn))與理論結(jié)晶溫度Tm之差(T). T= Tm- Tn 過冷度影響因素: 冷卻速度.金屬的本性和純度 超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰

7、時(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。1.3超聲波處理對過冷度過程的影響在金屬凝固過程，由于理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差造成了熔體過冷。隨著超聲波功率的提高，熔體的凝固溫度逐漸降低。金屬凝固的過冷度為金屬的理論結(jié)晶溫度與實(shí)際凝固溫度之差，那么就有超聲波的導(dǎo)入加大了熔體的過冷度，有利于金屬凝固組織細(xì)化。理論推導(dǎo)證明超聲波處理能提高合金理論結(jié)晶溫度，結(jié)合熱分析中對凝固溫度的測定結(jié)果說明超聲波處理有利于增大過冷度。凝固溫度2凝固熱第一部分對應(yīng)液相冷卻階段，澆注完畢后，溫度便迅速下降至試樣開始

8、凝固；第二部分對應(yīng)凝固階段，開始凝固后，由于結(jié)晶潛熱的放出，減緩了溫度的下降，溫度保持在凝固溫度平臺或者很緩慢下降；第三部分對應(yīng)固 相冷卻階段，整個試樣凝固完畢，不再有結(jié)晶潛熱釋放，因此溫度又快速下斛共晶反應(yīng)時(shí)間隨著超聲波功率的增加而縮短，也就是說超聲波處理后凝固過程加快。分析認(rèn)為超聲波功率增大后對熔體的劇烈攪拌作用使體系強(qiáng)迫對流冷卻速度極大增強(qiáng)，晶體生長所釋放的潛熱已經(jīng)無法抵消體系散熱，使再輝溫度不明顯凝固時(shí)間冷卻速率空化氣泡膨脹降低了微區(qū)熔體的瞬時(shí)溫度，增加形核核心數(shù)量；氣泡閉合瞬間微區(qū)形成巨大內(nèi)部壓力，降低了形核激活能，提高形核率；空化泡閉合產(chǎn)生的沖擊力持續(xù)不斷的作用造成枝晶折斷；由于聲流造成熔體內(nèi)熱起伏，熔斷枝晶根部縮頸部位，同時(shí)劇烈的沖刷作用，造成大量枝晶在型壁上脫落，促進(jìn)枝晶細(xì)化和分布均勻化。推導(dǎo)了超聲波處理?xiàng)l件下熔體理論結(jié)晶溫度函數(shù)式超聲波細(xì)晶的原因總結(jié) 超聲細(xì)晶技術(shù)是利用高能超聲對金屬液產(chǎn)生能量擾動，使其在非平衡狀態(tài)下形核乃至完成凝固過程，是細(xì)化金屬凝固組織的有效途徑。與傳統(tǒng)的細(xì)晶技術(shù)相比