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超声波技术在金属凝固中的应用与发展
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摘要：本文简要介绍了超声波及其基本特性， 综述了高能超声对金属凝固过程作用的研究和应用状况，提出超声处理是改善金属凝固组织、提高力学性能的有效方法，并对21世纪超声凝固细晶技术的前景进行了展望。
关键词：超声波 金属 凝固
高能超声具有独特的声学效应。在金属凝固过程中引入超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴晶，金属的宏观及微观偏析均得到改善[1]。目前国外这方面的一些研究成果已经应用于生产中[ 2-3]，而国内相关研究报道很少。
1 超声波及其特性
超声波通常指1秒内振动20000次以上的高频声波。在强度较低时，超声波可以作为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，可以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。本文涉及的主要是高能超声。
超声波具有以下四个基本特性：
(1) 束射特性。超声波波长短，可以集中成一束射线。
(2) 吸收特性。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。
(3) 高功率。由于频率高，超声波的功率比声波大得多，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。
(4) 声压作用。声波振动使物质分子产生压缩和稀疏作用，这种由于声波振动引起的附加压力现象叫声压作用。
上述四个基本特性使超声波在媒体中导致如下五种效应：力学效应、热学效应、光学效应、电学效应和化学效应[4]。
2.2超声波对金属凝固组织的作用
2.2.1超声波对纯金属凝固组织的作用
Eskin用超声波处理高纯铝，处理后使晶粒度从3.1增加到37.5，拉伸强度从54MPa提高到70MPa，硬度从HB17.2提高到HB19.7，同时延伸率也得到了改善[10]。Abramov和Gurevich使用超声波处理具有不同点阵结构的纯金属[11]，结果表明超声处理能使具有不同点阵结构的金属晶粒细化，力学性能提高。
2.2.2超声振动对低熔点合金凝固组织的作用
Eskin等人采用10kW的超声波对铝合金的凝固过程进行了较为深入的研究[5,12]。试验表明，纯铝经过超声处理，拉伸强度可以提高6－10％，而含有微量元素的铝经过超声处理拉伸强度却可以提高20－25％。在连续铸造中，用超声波处理Al-Si合金，也取得了良好的效果，对初生Si相的细化作用十分显著(见图1) [13]。
李英龙等人研究了全过程和结晶前超声处理对Al-Si合金组织和性能的影响 [14]。实验结果表明，声强为3.5W/㎝2的全过程超声处理使共晶Si相显著细化，断裂并呈粒状分布，断裂处有局部熔化现象，棱角变钝。而以同样的声强结晶前超声处理虽然也能使共晶硅细化，但其仍呈针片状分布，晶粒没有断裂现象。
赵忠兴等人采用底部导入方式对铝合金进行超声处理[15]。经超声处理的合金组织得到明显细化，树枝晶被打碎，形成均匀的等轴晶或粒状晶组织。
 
(a) 原始铝合金 (b) 经过超声处理的铝合金
图1 过共晶硅(36%Si)的微观组织[13]
赵忠兴等人采用底部导入方式对铝合金进行超声处理[15]。经超声处理的合金组织得到明显细化，树枝晶被打碎，形成均匀的等轴晶或粒状晶组织。
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