各种因素对铝合金超声波铸锭等轴晶占有率的影响
超声空化对大规格高强铝合金热顶铸造凝固组织的影响及作用机理
超声空化对大规格高强铝合金热顶铸造凝固组织的影响及作用机理李瑞卿;李晓谦;陈平虎;郭兴;张敏【摘要】在直径为650 mm的高强铝合金热顶半连续铸造中施加多源超声波振动系统,考察多源超声场的施加对铸锭宏微观组织的影响,并分析热顶铸造过程中超声空化作用对熔体凝固的作用机理.研究结果表明:铸锭截面组织整体均匀细化,晶粒形状由发达的枝晶变为等轴枝晶,晶粒平均粒度减小了107 μm,在超声辐射杆附近区域,细化效果最明显;在热项铸造过程中,铝液中的超声空化范围主要在辐射杆附近有限区域内,故空化效应主要作用于液态金属中的异质颗粒,空化泡崩溃产生的冲击波增大了异质颗粒与液态金属的接触角,降低了形核所需自由能,促使异质形核发生,增大了形核率,细化了凝固组织.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(047)010【总页数】7页(P3354-3360)【关键词】超声空化;高强铝合金;热顶铸造【作者】李瑞卿;李晓谦;陈平虎;郭兴;张敏【作者单位】中南大学机电工程学院,高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学机电工程学院,高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学机电工程学院,高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学机电工程学院,高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学机电工程学院,高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TG148;TB559Al-Cu-Mn系合金属于可热处理强化的加工铝合金，具有良好的工艺性能，广泛应用于航空航天领域。
其中，2219铝合金不但耐热性好，易于焊接，而且低温性能良好，在−270~300 ℃力学性能和抗应力腐蚀性能优良，故常应用于火箭燃料箱与助燃剂箱，例如美国雷神δ(Thor-Delta)、土星Ⅱ(Saturn S-Ⅱ)号及日本H-1型火箭的燃料与助燃剂箱[1]。
铝合金铸锭中光亮晶粒的研究
铝合金铸锭中光亮晶粒的研究杨鑫鹭【摘要】本文从光亮晶粒的组织特征、形成原因、对其合金产品性能的影响、消除和预防措施等方面进行研究,便于大家准确认识和了解光亮晶粒的特征,在铝合金铸锭的生产过程中能有针对性的加强工艺控制,减少和预防该光亮晶粒,提高铝合金产品的质量.【期刊名称】《世界有色金属》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】2页(P62-63)【关键词】铝合金铸锭;光亮晶粒;特征;形成原因;预防措施【作者】杨鑫鹭【作者单位】中国铝业连城分公司质量检验中心,甘肃兰州730335【正文语种】中文【中图分类】TG249.7光亮晶粒又称浮游晶，是铝合金铸锭连续铸造中产生的，夹在正常柱状晶区或等轴晶区中的粗大树枝状晶粒组织，严重影响铝合金加工制品的强度，因此在铝合金产品标准中对光亮晶粒有严格的控制标准，一般民用铝材中允许有少量的光亮晶粒存在，但是在供应航空航天及高质量军工用的材料中，特别是硬质铝合金中不允许有光亮晶粒的存在，所以我们有必要认识和预防光亮晶粒的产生。
光亮晶粒一般是在对铝合金铸锭进行低倍组织检查时发现的，在低倍试片上呈粗大树枝状组织，较基体正常组织光亮，对光线无选择性（如图1所示）；在断口上呈较亮的絮状物，组织较松散(如图2所示)；其显微特征是：光亮晶粒区域的晶粒和枝晶网比正常部位都显得粗大、枝晶网很薄、二次晶稀少，显微硬度低于正常组织(如图3所示)。
光亮晶粒是在铸造过程中，由于铝液的铸造温度较低或不稳定，创造了合金内自发晶核成长有利条件，或者由混入合金内的高熔点氧化物、化合物质点形成自发晶核，依靠不断更新的铝合金液流结晶长大，然后降落到液穴底部，形成光亮晶粒，主要由以下三种机制形成：2.1 由液穴内等温区中形成从Φ400铝合金铸锭液穴内部温度的分布情况（如图4）可见，液穴内存在很大范围的等温区，若在此等温区中存在悬浮的晶体，就会逐渐长大成粗大的浮游晶，当铸造使用的漏斗预热温度较低，而且漏斗底部深入到等温区中，就会在漏斗底部形成悬挂的α固溶体初晶，随着漏斗底部熔体不断更新，α固溶体初晶在恒定温度、恒定成分下得以充分长大，当其长到一定程度，由于自身重量或液穴呢液体的浮动，坠落到液穴底部，形成粗大的光亮晶粒。
超声处理对7075铝合金性能的影响
三、技术路线或研究方法 1. 2. 3. 4. 查阅相图和相关文献确定超声 7075 铝合金液态方法； 设计超声发生器进行； 用超声发生器对 7075 铝合金进行凝固实验； 整理和分析实验结果，获得超声对 7075 铝合金组织与性能的影响。
四、现有条件 材料与化学工程学院的材料科学与工程实验中心和大学化学实验中心提供了试验所需的真空 热处理设备、奥林巴斯金相显微镜、JEOL6510-A 扫描电子显微镜、洛氏硬度仪、万能拉伸 /压缩 试验机及试验所需的化学试剂，对熔模 Zn-Al-Cu 合金进行超声处理研究；学院阅览室和学校图书 馆可以查阅到论文所需相关资料。 五、预期成果及表现形式
MCD-2012-BY-1
材料与化学工程学院毕业设计（论文）题目审定表
指导教师姓名 题目名称 课题适用专业 杨闯 职称 讲师 从事 专业 材料科学与工 程 是否外聘 □是 √ 否
超声处理对 7075 铝合金性能的影响 材料科学与工程 课题类型 W
课题简介：（课题的目的意义、主要研究内容、技术路线、现有条件、预期成果及表现形式。） 一、课题的目的和意义 超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。高能超声波具有独特的声学效果，在金属凝固过 程中，如果施加超声波振动，铸锭的凝固组织就会从粗大的柱状晶变成均匀细小的等轴晶，同时 铸锭的宏观及微观偏析也得到了改善。超声处理合金细化组织具有巨大的实用化前景。 通过对 7075 铝合金熔体进行超声熔体处理及其凝固组织和性能进行了探索与研究。 通过比较 7075 铝合金的结晶过程进行超声振动与未做超声振动合金的凝固组织，探讨超声凝固对高强铝合 金熔体的作用。 通过比较 7075 铝合金熔体作超声处理与未作超声处理条件下合金的微观组织和力 学性能，研究不同成分参数对高强铝合金的作用。 本课题综合了学生所学的基础课和专业课的知识，可以培养学生查阅资料、设计方案、动手 实验、性能分析等各方面综合能力。 二、课题主要研究或设计内容 1. 2. 3. 研究不同超声强度对 7075 铝合金组织与性能的影响； 研究不同超声频率对 7075 铝合金组织与性能的影响； 比较不同强度和频率对 7075 铝合金组织与性能的影响规律。
铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响
•铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。
铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。
（1）柱状晶：生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。
但柱状晶比较粗大，晶界面积小，位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。
凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体，将导致铸件热裂。
（2）等轴晶：晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。
枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。
细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。
晶粒越细综合性能越好。
对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶，增加其致密度；对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织；对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。
•等轴晶组织的获得和细化强化非均匀形核促进晶粒游离抑制柱状晶区（1）传热条件控制：①低温浇注可有效减少柱状晶，获得细等轴晶，但低温液态金属流动性差的不足。
②合理控制冷却条件，控制冷却速度，宽的凝固区域、大的过冷－－促进熔体形核和晶粒游离－小的温度梯度和高的冷却速度（2）孕育（变质）处理：向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善组织之目的的一种方法A.形核剂：a）直接作为外加晶核b）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核－能与液相中某些元素组成较稳定的化合物－通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出B.强成分过冷元素：通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，从而促进晶粒的游离。
强化熔体内部的非均匀形核，孕育剂富集抑制晶体生长时间效应:孕育期孕育衰退（3）动态晶粒细化：振动－－机械振动、电磁振动、音频或超声波振动搅拌－－机械、电磁搅拌或利用气泡搅拌旋转振荡－周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度晶粒平均直径/m m振幅/(in ×10-3) 振动对晶粒大小的影响（lin=2.54cm ）（4）等轴晶枝晶间距的控制：等轴枝晶每个枝晶的一次分枝彼此相交而沿径向辐射，不同枝晶间没有任何确定的位向关系，一次枝晶间距意义不大。
铸锭经过均匀化退火树枝晶转变为等轴晶的原因
铸锭经过均匀化退火树枝晶转变为等轴晶的原因一、引言铸造工艺中的晶粒结构对材料的性能有着重要的影响。
铸锭经过均匀化退火后，树枝晶结构会逐渐转变为等轴晶结构，这种结构变化对提高材料的力学性能和疲劳寿命都具有积极影响。
本文将从热力学和动力学两个方面来探讨铸锭转变为等轴晶结构的原因。
二、铸锭结构的形成原理1. 热力学原理铸锭的结晶结构形成受到热力学原理的制约。
在均匀化退火过程中，铸锭受热后内部原有的树枝晶结构会因晶粒的再结晶而发生变化，最终形成等轴晶结构。
这种结构转变由热力学原理驱动，主要受温度和固溶度的影响。
2. 动力学原理除了热力学原理外，动力学原理也对铸锭结晶结构的转变起着重要作用。
在均匀化退火过程中，晶粒内部存在的位错和晶界迁移等动力学过程会影响晶粒的再结晶和成核过程，从而导致树枝晶结构逐渐转变为等轴晶结构。
三、等轴晶结构的优势1. 提高材料的力学性能等轴晶结构相比树枝晶结构具有更好的力学性能，包括抗拉强度、延展性和耐疲劳性等方面。
铸锭经过均匀化退火树枝晶转变为等轴晶后，材料的性能会得到明显提升。
2. 增加材料的疲劳寿命树枝晶结构中存在大量的晶界和位错，容易成为裂纹的起始点，降低材料的疲劳寿命。
而等轴晶结构的晶粒更加均匀，晶界较少，因此具有较高的抗疲劳性能。
四、总结和展望本文从热力学和动力学的角度探讨了铸锭经过均匀化退火树枝晶转变为等轴晶的原因，并分析了这种结构转变的优势。
通过深入理解铸锭结晶结构的形成原理，我们可以更好地控制和优化铸造工艺，提高材料的性能和质量。
未来，我们可以进一步研究晶粒的成长规律和晶界的稳定性，以期在铸造工艺中取得更大的突破和进步。
个人观点和理解：在铸造工艺中，晶粒结构的演变是一个复杂而精密的过程。
铸锭经过均匀化退火树枝晶转变为等轴晶结构，背后是热力学和动力学的相互作用。
这种结构转变使材料的力学性能和疲劳寿命得到提升，对于提高铸造材料的质量和性能具有重要意义。
我对铸锭结晶结构的形成原理有了更深入的理解，相信这将对我的工作和研究有所帮助。
材料科学基础-实验指导-实验04 浇注和凝固条件对铸锭组织的影响
实验四浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响
一、实验目的
1. 研究金属注定的正常组织。
2. 讨论浇注和凝固条件对铸锭组织的影响。
3. 初步掌握宏观分析方法。
二、实验内容说明
金属铸锭（件）的组织一般分为三个区域：最外层的细等轴晶区，中间的柱状晶区和心部的粗等轴晶区。
最外层的细等轴晶区由于厚度太薄，对铸锭（件）的性能影响不大；铸锭中间柱状晶区和心部的粗等轴晶区在生产上有较重要的意义，因此认为地控制和改变这两个区域的相对厚度，使之有利于实际产品，有很大意义。
研究表明，铸锭（件）的组织（晶区的数目、相对厚度、晶粒形状的大小等）除与金属材料的性质有关外，还受浇注和凝固条件的影响。
因此当给定某种金属材料时，可借变更铸锭（件）的浇注凝固条件来改变三晶区的大小和晶粒的粗细，从而获得不同的性能。
本实验是通过对不同的锭模材料、模壁厚度、模壁温度、浇注温度及用变质处理和振动等方法浇注成的铝锭的宏观组织的观察，对铸锭（件）的组织形成和影响因素进行初步的探讨，并对金属研究中经常要采用的宏观分析方法进行一次初步的实践。
本实验用以观察的铸锭样品浇注和凝固条件如后表：
三、实验步骤
1. 教师介绍金属宏观分析方法，讲解各样品浇注和凝固条件。
2. 学员轮流观察各种样品，结合已知的浇注和凝固条件分析各样品宏观组织的形成过程。
3. 描述所观察到的各样品的宏观组织。
四、实验报告要求
1. 叙述浇注正常组织的形成过程。
2. 逐一描绘各试样的宏观组织图，分析浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响。
3. 简述宏观分析方法。
超声波处理时间对工业纯铝铸锭结晶组织的影响
响的原 因［ －８。 １ １Ｊ ７
分为二， 研磨并抛光， 分别观察宏观组织和微观组 核心再 度重熔 ， 使等 轴 晶减 少 柱状 晶增 加。过 剩 而
表 １ 实验条件
织。基本 实验条 件如 表 １ 示 。 所
３ ２ 处理时间对铸锭细化率的影响 ． 首 先 ， 铸锭 微 细 等轴 晶区域 的 面积 与铸锭 断 把
面面积 的 比值 ．规 定作 为铸 锭 的细化率 。
钢变幅杆（ｏｅ 、 ｃｎ）金属 陶瓷质传振杆（ｏｎ 、 ｈｒ）石墨坩
埚 、 温装置 、 测 位移 装置 等构 成。 图 １ 为超声波 场下
铸 锭凝 固装置 的概 念图 。
超声波换
机械性能大为降低。无气孔和缩孔的高质量金属的
生 产， 冶 金 、 在 铸造 领 域 ， 非常 重 要 的 问题 。在超 是
那么， 通过以上对铸锭的宏观组织的观察， 可
以求 出超声波 处理 时 间与工 业纯铝 铸锭细 化率之 间 的关 系．如 图 ３所示 。
３ 实 验结 果 与讨 论
３ １ 处理 后宏 观组 织的观 察 ． 为了研 究超 声波 处理 时 间对工业 纯铝 铸锭结 晶 组织 的影响 ， 别对纯 铝熔 体进 行 了如下 的处理 ： 分 即 添加除 气 剂 又进 行 超 声 波 处 理 ， 理 时 间 分 别 为 处
听觉 为 目的的某 些可 听声 的应用 也列 入超声 技术 的 研 究范 Ｉ２。 因 此 ， 实 际 应 用 中 ， 些 超 声 技 －］ 在 有 术 使用的频 率可 能在 １ Ｈｚ以下 。 ６ｋ 高能 超声 波 具 有独 特 的 声学 效 果 ， 金属 凝 固 在 过 程中， 如果 施加 超声 波振 动 ， 铸锭 的凝 固组 织就 会 从粗大 的柱状 晶变 成 均 匀 细 小 的 等轴 晶 ， 同时 铸锭 的宏观 及微 观 偏析 也 得 到 了 改 善［－ ］ ３ ７。可 是 ， 对于 超 声波处理 的铸 锭 。 获得 全部 等轴 晶的 同时 ， 在 往往 观察 到在 铸锭 内部存在 气孔 ， 这样 一 来， 就使 材料 的
影响铸件超声检测声波衰减的因素
影响铸件超声检测声波衰减的因素铸件超声检测是铸造行业中常用的一种无损检测手段，其优势在于不影响铸件的质量和外观，而且能够检测出铸件中存在的缺陷和裂纹等重要问题，从而保证铸件的质量和安全性。
但是在进行超声检测时，声波衰减是一个关键性问题，它会直接影响到检测结果的准确性和可靠性。
本文将介绍影响铸件超声检测声波衰减的因素，从而提高超声检测的准确性和可靠性。
一、铸件材料铸件材料是影响超声检测声波衰减的最主要因素，不同材料的密度、结构、含气量等因素都会对声波的传播产生影响。
例如，铸造材料中含有气孔、缺陷、夹杂物等，会使声波在传播过程中产生反射、散射和吸收，从而导致声波衰减加剧。
因此，铸造材料的性质是铸件超声检测能否实现高质量检测的关键因素之一。
二、声波频率声波频率也是影响超声检测声波衰减的因素之一。
高频声波在铸件内部的传播能力强，穿透深度小，能够有效地检测到细小的精细缺陷。
但是，高频声波也容易受到杂音、散射和衰减的影响，从而降低检测数据的可靠性。
低频声波则穿透深度大，能够检测到较深的缺陷，但是低频声波发射源较复杂，需要花费较多的时间和成本。
三、超声探头超声探头是铸件超声检测中的核心部件，在铸件中传递声波，负责接收和处理声波信号。
超声探头的形状、频率、角度等因素都会影响声波的传播和接收效果，进而影响到声波的衰减。
例如，超声探头的尺寸越小，穿透深度越浅，声波的衰减程度也会随之增加。
四、铸造工艺铸造工艺过程中的温度、压力、速度等因素也会影响声波的传播和衰减。
例如，铸造工艺中温度冷却不均匀，铸件的结构和材质就会发生变化，从而使声波的衰减加剧，检测结果的可靠性降低。
因此，在铸造过程中要加强对铸件温度、压力等方面的控制，避免不必要的杂音干扰和声波衰减。
综上所述，影响铸件超声检测声波衰减的因素主要有铸件材料、声波频率、超声探头、铸造工艺等，每个因素都会对声波的传播和接收效果产生重要影响，因此在进行超声检测时需要做好各种准备工作，合理控制各个因素的变化，以确保超声检测结果的可靠性和准确性。
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李 军 文 ， 野 正 何 丽娜 桃 ，
（ ．江 南大 学机 械工 程 学院 先进 制造 技 术 系， 苏无锡 ２ ４ ２ ； １ 江 １ １ ２ ２ ．国立 室兰 工业 大学 材料 物 性工 学科 ， 日本 室兰 市 ０ ０８ ８ ） ５ — ５ ５
摘 要 ： 超 声 波 探 针 顶 上 导 人 方 式 为 例 ， 论 了金 属 熔 体 、 声 波 参 数 、 针 和 铸 型 等 一 系 列 因素 对 铝 合 以 讨 超 探 金 铸 锭 等 轴 晶 占有 率 的 影 响 ， 对 超 声 细 晶机 理 进 行 了 探 讨 。结 果 表 明 ： 属 超 声 铸 锭 的 细 化 能 力 与 自 并 金 身 的 化 学 成 分 有 关 ； 着 超 声 波 功 率 和 处 理 时 间 的 增 加 ， 轴 晶 占有 率 提 高 ， 是 增 加 到 一 定 峰 值 后 开 随 等 但 始 下 降 ； 声 波探 针 应 置 于 液 面对 称 中 心 的位 置 ， 浸 入 较 小 深 度 为 宜 ； 于不 同 体 积 的铸 型 ， 在 一 个 超 且 对 存
Ｅｆ ｅ ｔ ｏ ｒ ｏ ｓＦａ ｔ ｒ ｎ Ｅｑｕ ａ ｅ ａ ｎ Ｏｃ ｕ ｎｃ ｆ Ａｌ ｍ ｉ ｍ ｆ ｃ ｆＶａ ｉ ｕ ｃ ｏ ｓ ｏ ｉ ｘ ｄ Ｇｒ ｉ ｃ ｐａ ｙ ｏ ｕ ｎｕ
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各 种 因素对 铝 合 金 超 声 波 铸 锭 等 轴 晶 占有 率 的影 响