超声处理对钢凝固组织的影响

－1－超声处理对钢凝固组织的影响刘清梅,张勇,宋耀林,戚飞鹏,翟启杰（上海大学材料科学与工程学院，上海，200072）摘要：本文简要介绍了作者近年来开展的超声波对钢凝固组织影响的研究。研究表明，超声处理可以细化低碳钢、高碳钢和不锈钢凝固组织，提高力学性能。关键词：超声波，组织细化，等轴晶EffectofultrasonictreatmentonsolidificationstructureofsteelsLIUQingmei,ZHANGYong,,SONGYaoling，QIFeipeng,ZHAIQjie(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Shanghai20072，China)Abstract:Inthispaper,therecentresearchprogressconductedintheeffectofultrasonictreatmentonstructurerefinementofsteelsisbrieflygeneralized.Theresultsshowtothatultrasonictreatmentintothemeltscanrefinesolidificationstructureoflow-carbon,high-carbonandstainlesssteel.And,themechanicalpropertiesofsteelsareimprovedremarkably.Keywords:Ultrasonic;Structurerefinement;equiaxedgrain0前言采用物理场对凝固过程的金属进行处理是近年来研究的一个热门问题。将超声波导入到熔融的金属液中将会产生诸多的非线性效应，例如声流效应，空化效应，乳化作用和辐射声压场效应等等[1,2]。经过高能超声处理后金属的凝固组织得到改善,力学性能提高[3-8]。本文简要介绍了上海大学凝固课题组近年来关于应用超声波细化不同种类钢凝固组织的研究进展，简要探讨了其作用机制。1超声波对低碳钢凝固组织的影响图1为超声波对低碳钢（C:0.05%）合金凝固组织的影响。根据铁碳相图可知，对于含碳量为0.05%的二元合金，其凝固区间的温度差非常小，这就使得超声波施加在凝固过程的时间也非常短。－2－但是，从图1中仍然可以看到，凝固过程中施加超声振动后，基体的晶粒得到了细化。2超声波对高碳钢凝固组织的影响图2为不同工艺下T10钢(C:0.99%)凝固组织。可以看到未经过超声波处理得到的晶粒粗大并且不均匀，其平均晶粒尺寸为820μm(图2(a))。相比而言，经过700W超声波处理后，T10钢的晶粒变成了细小而均匀分布的等轴晶，此时平均晶粒尺寸为315μm(图2(b))。表1列出了未处理和700W超声波处理下T10钢的抗拉强度和延伸率。从图中可以看出，抗拉强度从未处理的635MPa提高到700W超声波处理后的870MPa，提高幅度达到了37％。而与之相对应的延伸率从9.4%提高为16.7%，增加了1.8倍。图3给出了T10钢断面断口扫描对比图。可以看到，未经超声波处理试样断面为典型的脆性断裂，断口表面出现解理台阶和河流状花样。而经700W超声图1不同工艺下低碳钢的显微组织(a)0W(b)700WFig.1Microstructureoflow-carbonsteelwithvariousprocesses50μm(a)50μm(b)(a)(b)图2不同工艺处理下T10钢的显微组织(a)0W(b)700WFig.2MicrostructureofT10steelwithvariousprocesses－3－波处理后，试样断面为脆－韧性混合断裂，断面跌宕起伏并且出现大片韧窝。表1.不同工艺下T10钢的力学性能对比Table1MechanicalpropertiesofT10steelwithvariousprocesses抗拉强度/MPa/延伸率/%/未处理6359.4700W超声处理87016.73超声波对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢凝固组织的影响图4为不同工艺下得到的1Cr18Ni9Ti的EBSD图。在测量中，将位向差大于150定义为晶界，以黑色表示；同样，位向差在150和20之间定义为亚晶界，以灰色表示。另外，分布在晶粒内零散的点代表位错。因此，例如箭头A和B处代表晶界；箭头C处代表亚晶界；而箭头D和E指向位错。从图4(a)中可以看出，未处理得到的是粗大的柱状晶，而且在晶粒内部不均匀地分布着大量的位错。经过700W超声波处理后，晶界面积增大，形成了细化的等轴晶组织。在晶粒内的位错数量大大减少，而代替为大量的亚晶界。这表明在晶粒内发生了位错向亚晶的转变。表2列出了两种工艺条件下得到的试样抗拉强度，延伸率和断面收缩率。如表所示，材料的抗拉强度由未处理的649MPa提升为700W超声波处理的731MPa；相应的延伸率也从70.9%提高为79.5%。而且，超声波处理后断口的断面积变小。力学性能结果和凝固组织优化结果非常一致。图5为不同工艺下力学试样断口形貌图。对比图5(a)和(b)可以看出，铸态下和超声振动处理后试样的(a)(b)图3T10钢断口扫描对比图(a)0W(b)700WFig.3FracturemorphologiesofT10steelwithvariousprocesses－4－断裂均属于韧性断裂。未经超声振动处理试样的断口由准解理面和韧窝组成，而经过超声振动后试样的断口全部为韧窝。表2.不同工艺下不锈钢力学性能对比Table2Mechanicalpropertiesof1Cr18Ni9Tiwithvariousprocesses抗拉强度/MPa/延伸率/%/断面收缩率/%/未处理64970.946.0700W超声波处理73179.538.2图4不同工艺下不锈钢EBSD对比结果(a)0W(b)700WFig.4EBSDmapof1Cr18Ni9Tisteelwithvariousprocesses(a)AD(b)CBE－5－4结束语采用超声波处理凝固过程的钢液能显著细化凝固组织，提高钢的力学性能。与传统的细化金属凝固组织的方法相比，超声处理效果显著，并对材料本身和生产环境对不会造成污染，因此这种方法有良好的应用前景。致谢本课题得到了国家自然科学基金和“两个基地”项目(项目编号：50374046)的支持。参考文献1Meek,T.T.,Han,Q.EffectofpowerultrasoundonsolidificationofaluminumA356alloy.MaterialsLetters,2005;34(2):190~195.2MuzioG.,AlippiA.Anumericalmethodforstudyingnonlinearbubbleoscillationsinacousticcavitation.Ulrasonics,1998;36(3):553~557.3AbramovV.Solidificationofaluminumalloysunderultrasonicirradiationusingwater-cooledresonator.MaterialsLetters,1998;37(2):27~34.4BaranchikowA.E.,IvanovW.K.Kineticsoftheformationofzincferriteinanultrasonicfield.DokladyChemistry,2004;397(1):146~148.5LuminitaM.Fourierthermalanalysisofsolidificationkineticsinmoltenaluminiumandinpresenceofultrasonicfield.CzechoslovakJournalofPhysics,2000;50(3):1125~1131.6KaackM.UltrasonicattenuationbydislocationformationinNiTishapememoryalloys.Materials图5不同工艺下试样的断口形貌(a)0W(b)700WFig.5Fracturemorphologiesof1Cr18Ni9Tiwithvariousprocesses(b)(a)－6－Science&EngineeringA,2004;378(2):119~121.7ShouleiG.,QijieZ.EffectofhighintensityultrasoniconsolidificationstructureofSn-Sbperitectticalloy.Foundry,2003;52(1):21~23.8ZhangH.,ZhaiQ.EffectofsidetransmissionofpowerultrasoniconstructureofAZ81magnesiumalloy.Trans.NonferrousMet.Soc,2004(1);14:28~32.