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  1、超声波的定义及性质超声波是指频率超过2000赫兹的高频声波。 由于超声波具有能量大和沿直线传播的特点，主要被分成检测超声和功率超声两类。 在强度较低时，超声波可当作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，能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。超声波的四个基本特性束射特性吸收特性高功率 声压作用超声波波长短，可以集中成一束射线。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。由于频率高，超声波的功率比声波大的多，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。声波振动使物质分子产生

  2、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。这四个基本特性使超声波在媒体中导致如下这五种效应：力学效应、热学效应、光学效应、电学效应和化学效应。不同凝固方式对合金质量的影响金属凝固方式逐层凝固体积凝固中间凝固流动性好，容易获得健全的凝固体；液体补缩性好，凝固体的组织致密； 热裂倾向小，气孔倾向小；流动性不好，不易获得健全的凝固体； 液体补缩性不好，凝固组织不致密； 热裂倾向大，气孔倾向大；对质量的影响介于上两者之间金属凝固过程金属凝固过程包括两个过程生核长大金属凝固时必须克服的能障热力学能障动力学能障1.1超声波处理对形核过程的影响的机理1.3超声波处理对过冷度的影响机理1.

  3、细晶2.凝固热过程3.自身衰减超声波的衰减与传播距离和温度多项式的乘积呈负指数关系。1.2超声波处理对长大过程的影响超声波的特性对于金属凝固过程有什么影响？凝固界面前沿的液相中有晶核来源液相中存在晶核形成和生长所需的过冷度晶粒细化的条件1.1超声波处理对形核过程的影响通常条件下，当过热熔体冷却到形核开始温度后，在靠近型壁附近开始形核，随后满足生长条件的晶核逆着热流方向长大，形成柱状晶组织，直到凝固结束金属凝固的典型宏观组织内部柱状晶区中心等轴晶区表面细等轴晶区1.表层细等轴晶区2.内部柱状晶区：晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向3.中心等轴晶区：晶粒较为粗大图 铸锭凝固的典型宏观组织足够强的

  4、功率超声波液体介质产生空化气泡声压的负压相声压的正压相空化气泡闭合与破裂一个周期的空化过程（声空化理论）：空化泡在膨胀过程中，将从泡壁周围的金属中吸收大量热量，导致微区熔体温度过冷。液态金属结晶驱动力满足。作用于 实际熔体温度T越低，液、固两相自由能差值就越大，即相变驱动力越大，这样就有利于形核的进行。通常条件下，凝固初期在型壁处由于温度低而发生大量形核。当采用超声波处理时，凝固初期合金的形核位置不仅仅在型壁处，由于空化效应造成微小区域温度的急剧降低。当这些微区满足生核所要求的温度条件时，大量的晶核将在这些区域生成，其中部分小的晶核由于声流造成的热起伏而熔化，而大的晶核就存下来使形核核心数量

  5、增加。凝固过程中激活能表示液态原子向固态原子跨越所需克服的势垒，因此，激活能越小，势垒越小，液态原子向固态原子跨越的难度越小，越容易形核。激活能可按下式求得： 以上分析表明，当输入的超声波功率达到一定值后，在熔体中将形成特有的空化效应，其中产生的压力变化和温度激冷对凝固初期形核数量的增加有积极的作用，极大的提高了形核率。1.2超声波处理对长大过程的影响 在凝固过程中，超声波空化气泡闭合时产生的冲击力对生长中的枝晶形貌也有很大的影响。当用超声波作用于熔体时，随着超声波导入的持续进行，冲击力对枝晶具有循环性的冲击作用，破碎枝晶。同时根据金属凝固理论知识，在枝晶根部的缩颈部位存在溶质富集，此处熔化温

  6、度较低，超声波对熔体的剧烈搅拌形成大范围热起伏，瞬间过热的熔体将熔断枝晶根部缩颈部位。通过冲击力和热流的综合作用，大量碎小枝晶形成，增加了凝固过程中晶核数量，更有助于组织的细化。正常凝固情况下，在铸型壁上形成细小晶核，随后晶核沿着铸型壁向熔体内生长形成柱状枝晶。在声流作用下，长的枝晶破碎形成等轴枝晶，随着液态金属的流动，脱离的小枝晶将游离在熔体内部使得最终凝固晶粒分布均匀。1.3超声波处理对过冷度过程的影响在金属凝固过程，由于理论结晶温度与实际结晶温度之差造成了熔体过冷。随着超声波功率的提高，熔体的凝固温度逐渐降低。金属凝固的过冷度为金属的理论结晶温度与实际凝固温度之差，那么就有超声波的导入加

  7、大了熔体的过冷度，有利于金属凝固组织细化。剧烈的声流对铸型壁上枝晶的冲刷作用也导致了大量游离晶核的形成。如图所示为正常凝固和声流冲刷情况下枝晶凝固过程示意图。正常凝固情况下，在铸型壁上形成细小晶核，随后晶核沿着铸型壁向熔体内生长形成柱状枝晶。而在声流作用下，长的枝晶破碎形成等轴枝晶，随着液态金属的流动，脱离的小枝晶将游离在熔体内部使得最终凝固晶粒分布均匀。剧烈的声流对铸型壁上枝晶的冲刷大量游离晶核的形成 内部柱状晶区的形成长的枝晶破碎形成等轴枝晶凝固晶粒分布均匀游离晶促使中心等轴晶形成结晶: 大的过冷度-尺寸较大的相起伏 (晶胚) -晶核形成-晶核长大.过冷度:金属的实际结晶温度Tn(熔点)与

  8、理论结晶温度Tm之差(T). T= Tm- Tn 过冷度影响因素: 冷却速度.金属的本性和纯度超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，来提升了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。凝固温度凝固时间冷却速率凝固热：第一部分对应液相冷却阶段，浇注完毕后，温度便迅速下降至试样开始凝固；第二部分对应凝固阶段，开始凝固后，由于结晶潜热的放出，减缓了温度的下降，温度保持在凝固温度平台或者很缓慢下降；第三部分对应固 相冷却阶段，整个试样凝固完毕，不再有结晶潜热释放，因此温度又快速下斛微分热分析手段共晶反应时间随着超声波功率的增加而缩短，也就是说超声波处理后凝固过程加快。分析认为超声波功率增大后对熔体的剧烈搅拌作用使体系强迫对流冷却速度极大增强，晶体生长所释放的潜热已经没办法抵消体系散热，使再辉温度不明显。

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