功率超声对Pb-Sn合金凝固行为的影响

摘要

功率超声技术是以物理、机械、电子、材料等学科为基础的高新技术,它是以超声能量使物体或物性某些状态发生变化,或者使这种改变的过程加快的一门应用技术.与常规处理技术比较,功率超声处理技术具有许多特点,它常常能大幅度地提高处理速度和处理质量,完成一般技术所不能完成的工作.因此,功率超声处理技术在现代工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得到越来越广泛地应用.在金属凝固过程中施加功率超声处理技术,是改善金属凝固组织、提高材料机械性能的最有效方法之一.在功率超声作用下的熔融金属凝固行为研究中,作者首先进行了超声处理实验系统的设计、计算,确定了变幅杆的材质和尺寸,分析了功率超声作用下熔体的声场特性和热效应,研究了功率超声对5%Pb-Sn合金凝固过程的影响.试验结果表明:在Pb-Sn合金凝固过程中导入功率超声,不仅显著细化了初生β相,使之均匀分布在基体上,而且细化了共晶组织(α+β).超声功率从200W提高到600W时,细化程度明显.该文从金属凝固过程的热力学和动力学角度初步探讨了功率超声的细化机理.当超声导入金属熔体后,凝固条件被改变,熔体中产生的空化泡将以极高的速度闭合或崩溃,从而在熔体内部局部微小区域产生瞬时高温、高压和强烈的冲击波.强烈的冲击波会击碎初生晶体,使之成为破碎的晶核,在声流的搅拌作用下,又使其弥散地分布于熔池中,相当于增加了外来核心,因而使晶粒得到细化.空化效应产生的高温和枝晶的温升使枝晶熔断,也增加了形核率,从而增加了晶粒数目,减少了平均晶粒尺寸.另外,研究认为施振温度过高和过低都会明显影响超声波对凝固组织的细化作用.如果施振温度过高,一方面由于超声作用时间较长,加上媒质的吸声效应,则使熔体自身温度提高,造成细化效果减弱;另一方面,由于温度的升高,空化泡内的压力将增大,从而使空化强度减弱,细化效果不明显.如果施振温度过低,熔融合金粘度就会增大,致使声空化和声流效应发挥不了应有的作用.

目录

文摘

英文文摘

1前言

1.1功率超声技术在国内外的发展

1.2功率超声技术在材料制备方面的应用和发展

1.2.1功率超声在金属凝固中的应用和发展

1.2.2功率超声在金属基复合材料制备中的应用和发展

1.2.3功率超声在纳米材料制备中的应用和发展

1.3功率超声技术在其他方面的应用和发展

1.3.1超声清洗

1.3.2超声焊接

1.3.3超声加工

1.3.4超声金属成型

1.3.5功率超声在医学及生物学上的应用

1.3.6超声在电化学和化工等方面的应用

1.4本研究的内容和意义

参考文献

2功率超声的理论基础

2.1声学基本原理

2.1.1描述声波的基本参数

2.1.2声波的反射与折射

2.1.3声波的吸收与衰减

2.1.4声波的散射与绕散

2.1.5声场的近场与远场

2.1.6声波的干涉、驻波及混响场

2.2功率超声与媒质的相互作用

2.2.1超声的机械作用

2.2.2超声的热作用

2.2.3超声空化效应与空化阈值

2.2.4声流效应

2.3功率超声的产生

2.3.1超声换能器

2.3.2超声变幅杆

2.4功率超声的测量

2.4.1声场中的辐射力

2.4.2声强和声功率的测量

2.4.3空化强度的测量

参考文献

3功率超声实验装置的设计及系统分析

3.1功率超声实验系统

3.1.1实验系统的设计

3.1.2功率超声振动设备的设计

3.2超声振动在液体中的声场分析

3.2.1超声变幅杆中的声传播

3.2.2溶液中的声传播

3.2.3超声功率的实际测算

3.3超声振动时的热效应

3.3.1变幅杆的温升

3.3.2溶液的温升

3.3.3溶液温升的实际测算

3.4声流的计算

参考文献

4功率超声对Pb-Sn合金凝固行为的影响

4.1实验方法

4.1.1实验材料

4.1.2试样的制备

4.1.3试样的分析与测试

4.2 Pb-Sn合金凝固过程的基本原理

4.2.1 Pb-Sn二元合金相图

4.2.2合金凝固的形核与长大

4.2.3非平衡相变的影响

4.3结果分析及讨论

4.3.1静态凝固下的组织形态

4.3.2超声功率对Pb-Sn合金凝固组织的影响

4.3.3施振温度对Pb-Sn合金凝固组织的影响

4.3.4冷却方式对Pb-Sn合金凝固组织的影响

参考文献

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

硕士期间发表的论文

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