高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究

高能超聲處理Al-17%Si-xFe合金組織的研究姓名：梅秋平學(xué)部：機(jī)械與電氣工程學(xué)部專業(yè)：材料成型及控制工程指導(dǎo)老師：毛有武高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!

目錄13452目錄1、緒論2、鋁及鋁合金的介紹3、實(shí)驗(yàn)材料與方案4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論5、全文總結(jié)與展望高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!1、緒論13452Part11.1選題目的與意義1.2鋁硅合金的應(yīng)用現(xiàn)狀1.3半固態(tài)成形技術(shù)高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!1、緒論1.1選題的目的與意義

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車制造材料的構(gòu)成，發(fā)生了較大的變化，高密度材料的比例下降，低密度材料有較大幅度的增加，有色輕金屬的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，特別是高強(qiáng)度、低密度、耐磨性和耐蝕性好的材料越來(lái)越受到各行各業(yè)的青睞。

經(jīng)過(guò)超聲波處理的鋁硅合金具有抗拉強(qiáng)度高、線膨脹系數(shù)小、耐磨性和抗蝕性好、鑄造和切削性能優(yōu)良等特點(diǎn)，它是汽車、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的理想材料。因此，研究超聲波處理對(duì)鋁硅合金的顯微組織及其力學(xué)性能的影響具有極其重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!1、緒論1.3半固態(tài)成形技術(shù)

半固態(tài)成形就是在金屬的凝固過(guò)程中采用某些特殊工藝，充分破碎枝狀的初生固相，得到一種液態(tài)金屬母相中均勻的懸浮著一定數(shù)量球狀、橢球狀或薔薇狀初生固相的固液混合漿料，其仍具有一定的流動(dòng)性，具有這種特殊結(jié)構(gòu)的部分凝固金屬就稱為半固態(tài)金屬。而采用這種既非完全液態(tài)，又非完全固態(tài)的半固態(tài)金屬加工成形的方法就稱為半固態(tài)金屬加工技術(shù)。常用的半固態(tài)金屬坯料的成形方法：機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法、超聲波振動(dòng)法

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!2、鋁及鋁合金的介紹2.1鑄造鋁合金的分類及其特點(diǎn)①Al-Si類合金（含Si量≥5%）：具有優(yōu)良的鑄造性能；②Al-Cu類合金（含Cu量≥4%）：具有較高的室溫和高溫力學(xué)性能；③Al-Mg類合金（含Mg量≥5%）：具有非常優(yōu)異的抗蝕性能，力學(xué)性能高，密度最?。?/p>

④Al-Zn類合金：最大優(yōu)點(diǎn)是不需要熱處理就能使合金強(qiáng)化；⑤Al-RE（混合稀土）類合金：高溫強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!2、鋁及鋁合金的介紹2.3細(xì)化鋁合金晶粒的方法細(xì)化晶粒的方法主要有物理和化學(xué)兩類，物理方法主要包括：（1）形變處理細(xì)化法（2）物理場(chǎng)細(xì)化

（①脈沖電流處理；②磁場(chǎng)處理；③超聲波處理）

（3）快速冷卻法（4）機(jī)械物理細(xì)化法

化學(xué)細(xì)化方法：（1）添加細(xì)化劑；（2）添加變質(zhì)劑細(xì)化

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!3、實(shí)驗(yàn)材料與方案13452Part33.1材料的合金成分3.2合金材料的制備工藝3.3超聲波振動(dòng)試驗(yàn)高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!3、實(shí)驗(yàn)材料與方案3.3超聲波振動(dòng)試驗(yàn)3.3.1實(shí)驗(yàn)原理——超聲波的空化作用與聲流作用

①空化作用：存在于液體中的微氣核空化泡在聲波的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生生長(zhǎng)和崩潰，可以破碎合金熔體中的枝狀晶粒。

②聲流作用：高能超聲在熔體中傳播時(shí)，有限振幅衰減使液體內(nèi)從聲源處開(kāi)始形成一定的聲壓梯度，導(dǎo)致液體流動(dòng)，當(dāng)聲壓幅值超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，液體內(nèi)部可產(chǎn)生一個(gè)流體的噴射，此噴射流從超聲變幅桿端面離開(kāi)，在整個(gè)流體內(nèi)部形成環(huán)流，即稱為聲流。在聲流的作用下，也能把結(jié)晶長(zhǎng)大的枝狀晶粒打碎，抑制晶粒的長(zhǎng)大，從而使得晶粒細(xì)化，晶體得到均勻彌散。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!3、實(shí)驗(yàn)材料與方案3.3.3超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程⑴制備鋁合金漿料⑵待溫度降低至700℃時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行超聲波振動(dòng)，直至溫度降低至682℃時(shí)停止振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)間為66s。⑶用石英玻璃管吸取少量試樣水淬，制備試樣。⑷再將超聲波振動(dòng)時(shí)間分別設(shè)為96s和102s，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，并將最終得到的試樣標(biāo)記放好。⑸為了研究在不同過(guò)熱度條件下，超聲波振動(dòng)細(xì)化的不同效果，在不同的溫度期間完成超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，一組的起振溫度為730℃，停振溫度為710℃；另一組的起振溫度為719℃，停振溫度為700℃，按照上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程獲得試樣，并標(biāo)記放好。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論4.1

Fe的不同含量對(duì)合金的顯微組織的影響Fe相左圖為沒(méi)有經(jīng)過(guò)超聲波振動(dòng)處理的Al-17%Si-5Fe合金；右圖為沒(méi)有經(jīng)過(guò)超聲波振動(dòng)處理的Al-17%Si-8Fe合金。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論4.2超聲波處理對(duì)Fe-相形態(tài)的影響

左圖為沒(méi)有經(jīng)過(guò)高能超聲波振動(dòng)處理的Al-17%Si-8Fe的顯微組織；右圖為經(jīng)過(guò)高能超聲波振動(dòng)處理后的Al-17%Si-8Fe的顯微組織高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論左圖是振動(dòng)溫度區(qū)間為730℃-710℃的合金的顯微組織；右圖是振動(dòng)溫度區(qū)間為719℃-700℃的合金的顯微組織。高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!5、全文總結(jié)與展望13452Part55.1總結(jié)5.2展望高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!5、全文總結(jié)與展望5.2展望

目前對(duì)于鋁鐵合金的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，使得鋁鐵合金在某些方面已經(jīng)充分發(fā)揮其有利作用，并在生產(chǎn)中已得到應(yīng)用。但是，采用的高能超聲波振動(dòng)方法，其制備工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴、制品尺寸有限，在工業(yè)應(yīng)用上受到一定限制。因此，仍有必要深人研究工業(yè)上細(xì)化過(guò)共晶鋁硅合金中的富鐵相，提高其綜合性能的簡(jiǎn)單易行方法，使之在普通熔鑄條件下實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，從而真正成為一種具有優(yōu)良性能的工業(yè)實(shí)用材料。高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!1、緒論1.2鋁硅合金的應(yīng)用現(xiàn)狀

可能我們常見(jiàn)的鋁合金都是應(yīng)用在建筑門窗、幕墻、陽(yáng)臺(tái)護(hù)欄、指指示牌等地方，其實(shí)鋁硅合金的應(yīng)用早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)日常的生活領(lǐng)域。如今，在制造形狀復(fù)雜、比強(qiáng)度、比剛度要求高的零部件時(shí)，均廣泛采用鋁合金，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、運(yùn)載火箭、各種航天器等主要結(jié)構(gòu)材料多采用鋁合金。鋁硅合金不僅能在汽車、航天工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，在電話、電纜中也有很廣泛的應(yīng)用。

1.2鋁硅合金的應(yīng)用現(xiàn)狀

可能我們常見(jiàn)的鋁合金都是應(yīng)用在建筑門窗、幕墻、陽(yáng)臺(tái)護(hù)欄、指指示牌等地方，其實(shí)鋁硅合金的應(yīng)用早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)日常的生活領(lǐng)域。如今，在制造形狀復(fù)雜、比強(qiáng)度、比剛度要求高的零部件時(shí)，均廣泛采用鋁合金，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、運(yùn)載火箭、各種航天器等主要結(jié)構(gòu)材料多采用鋁合金。鋁硅合金不僅能在汽車、航天工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，在電話、電纜中也有很廣泛的應(yīng)用。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!2、鋁及鋁合金的介紹13452part22.1各類鑄造鋁合金的特點(diǎn)2.2Al-Si系鑄造鋁合金2.3細(xì)化鋁合金晶粒的方法及原理2.4Fe對(duì)鋁硅合金的影響及細(xì)化措施高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!2、鋁及鋁合金的介紹2.2Al-Si系鑄造鋁合金

二元Al-Si合金（ZL102）又稱硅鋁明，含硅量為11%~13%，就其組織而言，屬于過(guò)共晶合金，共晶溫度577℃。

共晶鋁硅合金的組織特點(diǎn)：

Al-Si二元系僅形成α相β相，通常把共晶中的β相稱為共晶硅，在鑄態(tài)下，共晶硅呈粗大的針狀，因此合金強(qiáng)度和塑性都很低。共晶和過(guò)共晶合金組織中的初晶β相稱為初晶硅。在鑄態(tài)下初晶硅呈粗大的多角形塊狀和板狀。高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!2、鋁及鋁硅合金的介紹2.4Fe對(duì)鋁硅合金的影響β-Fe相鋁硅合金中的鐵通常以金屬間化合物的形式存在,常見(jiàn)的有α相和β相兩種,前者的微觀組織表現(xiàn)為漢字狀,對(duì)合金的有害作用并不明顯；后者為針狀(立體為片狀)，對(duì)合金的力學(xué)性能有害作用比較大。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!3、實(shí)驗(yàn)材料與方案3.1材料的合金成分

在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用到的合金材料有兩種，一種是Al-17Si-5Fe，另一種就是Al-17Si-8Fe。3.2合金材料的制備工藝合金材料的制備工藝大致包括以下幾個(gè)步驟：裝料熔化合金化扒渣精煉除氣

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!3、實(shí)驗(yàn)材料與方案3.3.2超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器超聲波振動(dòng)部件主要包括大功率超聲波換能器、變幅桿、工具頭（發(fā)射頭）。換能器將輸入的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，即超聲波，變幅桿將超聲波能量振動(dòng)傳遞給工具頭，再由工具頭將超聲波能量發(fā)射到金屬熔體中。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論13452Part44.1Fe的不同含量對(duì)合金的顯微組織的影響4.2超聲波處理對(duì)Fe-相形態(tài)的影響

4.3不同振動(dòng)時(shí)間對(duì)合金組織Fe相形態(tài)的影響4.4不同振動(dòng)溫度區(qū)間對(duì)鋁硅合金Fe相顯微組織的影響

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!Al-17%Si-5Fe中Fe相呈大塊狀，有少部分呈針狀；Al-17%Si-8Fe中Fe相均以針狀β鐵相的形式存在,既硬又脆,呈粗大針狀割裂基體,大大影響鋁合金的力學(xué)性能。結(jié)論：要想獲得性能良好的鋁硅鐵合金，就要適當(dāng)降低合金中的Fe的含量，或?qū)辖疬M(jìn)行處理，改變其中β鐵相的形狀，如對(duì)合金進(jìn)行變質(zhì)處理、加高能超聲波處理、加電磁場(chǎng)來(lái)改變?chǔ)妈F相的形成過(guò)程。高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論沒(méi)有經(jīng)過(guò)超聲波處理的過(guò)共晶鋁硅合金中，F(xiàn)e相呈粗大針狀存在于合金基體中，嚴(yán)重的降低了合金的綜合力學(xué)性能，這樣的合金不能廣泛的應(yīng)用于實(shí)際生活中。經(jīng)過(guò)高能超聲波振動(dòng)處理的合金中，其Fe相成長(zhǎng)為比較規(guī)則的棒狀或塊狀的等軸晶。結(jié)論：超聲波振動(dòng)能夠有效地細(xì)化鋁硅合金中的針狀富鐵相組織，從而提高鋁硅合金的耐磨性能、耐蝕性能、力學(xué)性能以及切削性能。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論從上圖可以看出，沒(méi)有經(jīng)過(guò)高能超聲波處理的合金中的Fe相呈針狀，嚴(yán)重的割裂了基體，使得合金性能下降。而經(jīng)過(guò)高能超聲波振動(dòng)處理的，F(xiàn)e相呈短棒狀或塊狀；當(dāng)振動(dòng)時(shí)間為66s時(shí)，所得到的Fe相還只是比較粗大的棒狀或大塊的塊狀，形狀并不均一，最終便會(huì)導(dǎo)致合金的受力不均勻，從而縮短了合金的使用壽命。但隨著振動(dòng)時(shí)間增加，合金中各晶粒分布也越來(lái)越均勻，形狀也越來(lái)越接近于等軸晶，合金中的棒狀Fe相也逐漸變?yōu)閴K狀，最終，F(xiàn)e相呈細(xì)小塊狀分布于合金基體中，這樣的合金，其綜合力學(xué)性能最優(yōu)。若高能超聲處理振動(dòng)時(shí)間進(jìn)一步增加，塊狀Fe相又會(huì)富集，使得晶粒又變得粗大，性能也逐漸下降。高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論振動(dòng)溫度為730℃時(shí)，過(guò)熱度比較大，所得到的Fe相為粗大的棒狀，還有部分為針狀；而振動(dòng)溫度為719℃時(shí)，所得到的Fe相形狀均勻，呈塊狀，并且Fe相晶粒得到了明顯的細(xì)化。

結(jié)論：隨著超聲波導(dǎo)入時(shí)的熔體的過(guò)熱度的增加，鋁硅合金中的富鐵相的顯微組織呈現(xiàn)粗化現(xiàn)象，只有當(dāng)超聲波處理的溫度范圍在合金的液相線附近時(shí)，才能得到最佳的細(xì)化效果。

高能超聲處理對(duì)晶粒細(xì)化的組織和研究共29頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!5、全文總結(jié)與展望5.1總結(jié)

本文章主要研究了高能超聲處理對(duì)Al-17%Si-xFe合金的顯微組織的影響，并分析其產(chǎn)生的原因，最終得到如下結(jié)論：⑴鋁硅合金中的針狀鐵相的長(zhǎng)度隨合金中的含鐵量的增加而增長(zhǎng)；⑵高能超聲處理對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織中的富Fe相有細(xì)化