一種超聲致金屬熔體結構變化的在線檢測方法
【專利摘要】本發明涉及材料科學領域，具體涉及一種超聲致金屬熔體結構變化的在線檢測方法。本發明將金屬熔體加熱再緩慢降低直至穩定在金屬熔體測試溫度T，采用電阻測試儀測量金屬熔體的電阻參數，即電阻值R或電阻率ρ隨時間t的變化數據，當金屬熔體的電阻參數穩定不變后，對金屬熔體施加一定頻率f和功率P的功率超聲，設定施加時間長度為Δt0，并繼續保溫，得到超聲處理過程中以及超聲處理之后金屬熔體的電阻參數隨時間的變化曲線。本發明通過對金屬熔體預處理過程中以及超聲處理之后的整個行程中的電阻或電阻率變化的檢測，對該熔體適合的鑄造時間和凝固后的組織進行預測，最終實現金屬熔體凝固組織的顯著細化。
【專利說明】一種超聲致金屬熔體結構變化的在線檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料科學領域，具體涉及一種超聲致金屬熔體結構變化的在線檢測方法。
【背景技術】
[0002]組織細晶化是金屬材料強韌化的主要途徑之一。通過熔體預處理和控制凝固過程獲得均勻細小的凝固組織，是現代凝固技術研究的熱點。金屬凝固過程包括形核與長大兩個過程，增加凝固過程中的形核率和抑制晶粒生長是實現凝固組織細晶化的有效方法。控制凝固行為的關鍵是控制金屬熔體的形核過程。一切可以提高形核率的方法均可以實現凝固組織的細化。金屬及其合金熔體雖然多種多樣，但其結構不外乎是原子或分子、或者化學短程有序原子團構成。高溫金屬熔體存在能量起伏、結構起伏和成份起伏，熔體結構的穩定性是個動態平衡結果，晶坯的形成與消亡與以上幾種起伏的動態平衡的失衡相關。熔體預處理是實現鑄態組織細化的常用方法。最常用的方法是在金屬熔體中添加細化劑或變質劑以實現異質形核，從而提高形核率。金屬熔體的外場預處理細化是促進均質形核實現細化的工藝方法，其機理之一是通過改變熔體結構的動態起伏平衡狀態以提高形核率，也就是說，外場的施加改變了金屬熔體的近程有序結構，從而實現細化。
[0003]對于熔體預處理工藝的細化效果的考察，一般通過建立預處理工藝參數與凝固組織之間的關系來優化預處理工藝方法與技術參數范圍。其存在的問題是對預處理效果考察存在滯后性和不連續性，即試驗周期長，且無法對預處理過程進行全程考察。另外，如前所述，熔體預處理細化效果在本質上是與熔體結構變化導致的形核率變化有關，而不同的熔體預處理工藝卻可能導致相同的凝固細化效果，即預處理工藝條件與熔體結構不見得是單值關系，而在冷卻條件一致時，熔體結構與形核率和凝固細化效果卻有單值對應關系。因此，如果能夠對熔體結構的變化進行實時考察，從而建立熔體結構與細化效果之間的關系，那么只要考察預處理條件所獲得的熔體結構變化行程，即可預測相應的細化效果。這樣不僅可以縮短工藝優化試驗周期，而且可使工藝優化更精細化。然而，金屬熔體大多處于高溫狀態，對高溫金屬熔體的實驗研究與檢測十分困難，致使人們對金屬熔體的研究比固體物質來說要困難得多，同時認知也膚淺得多，目前大多停留在熱力學理論推斷與模型假設階段，但這些模型只能從各自不同的角度定性描述了一定過熱度范圍內的金屬熔體的結構特征。對熔體結構進行定量描述與評估有賴于對實際檢測方法與檢測結果的深入研究。
[0004]對于金屬熔體結構的表征方法，主要有直接和間接方法。直接是采用X射線衍射、中子衍射、同步光源輻射、擴展X射線精細結構吸收等技術獲得原子分布函數的徑向分布函數，從而計算得到金屬的熔體結構，但是，直接法的檢測設備復雜，實驗繁瑣，且可重復性差。
[0005]從統計熱力學角度看，熔體微觀結構的變化必然導致宏觀熱力學性質的變化，也必然引起金屬熔體的物理性質的變化，即金屬熔體的物理性質與熔體的結構因子密切相關。電阻是熔體結構的敏感物理量，也是熔體物性中最容易檢測的物理量。根據Ziman電阻理論，金屬熔體的電阻率是結構因子的函數。因此，電阻測量可以從電子層次間接推測研究金屬熔體的結構變化，同時與其他方法相比，電阻法能夠提供更多的有關短程有序方面的信息。所以，通過研究外加物理場處理金屬熔體導致的電阻變化，將可表征外加物理場導致的熔體結構變化，進而建立金屬熔體的電阻變化與凝固細化效果之間的關系。盡管有關液體金屬通過電阻測量實驗來研究熔體結構已經取得了許多進展，但相關研究主要集中在熔體狀態與組成變化對熔體結構的影響，鮮有外加物理場對金屬熔體結構影響的電阻表征方法的研究。
[0006]由于超聲波在液體介質傳播時，會產生空化效應、聲流效應和熱效應，這些非線性效應會導致液體介質產生一系列物理或化學變化。大量研究已表明，在金屬或合金熔融狀態或凝固過程中施加超聲場可以顯著細化其凝固組織，是提高金屬材料機械性能的最有效方法之一。提出可以準確表征超聲致金屬熔體結構變化的導電參數，對金屬熔體超聲預處理工藝優化及其對細化機理的研究均具有十分重要的意義。
【發明內容】
[0007]針對現有技術存在的空白，本發明提供一種超聲致金屬熔體結構變化的在線檢測方法，目的是通過實時檢測金屬熔體電阻值，反映超聲處理的功率與處理時間等工藝技術條件的不同所導致的熔體結構變化以及所獲得的非穩態結構的穩定性，從而對該熔體適合的鑄造時間和凝固后的組織進行預測。
[0008]實現本發明目的的技術方案按照以下步驟進行:
[0009](I)將金屬熔體加熱升溫至液相線以上200~300°C，保溫至少30min，再緩慢降低直至穩定在金屬熔體測試溫度T，采用電阻測試儀測量金屬熔體的電阻參數，即電阻值R或電阻率P隨時間t的變化數據；
[0010](2)當金屬熔體的電阻值穩定在Rtl或電阻率穩定在P ^穩定不變后，對金屬熔體施加一定頻率f和功率P的功率超聲，設定施加時間長度為Atci，并繼續保溫，得到超聲處理過程中以及超聲處理之后金屬熔體的電阻參數隨時間的變化曲線；
[0011]根據上述超聲處理前后及超聲處理過程中電阻參數隨時間變化曲線，檢測得到在施加超聲期間，金屬熔體的電阻或電阻率產生顯著變化，此時金屬熔體的電阻值為V，其變化量為AR= Ir' -Rci|，稱為電阻的瞬態變化量；在停止超聲時，金屬熔體的電阻為R"，此時的變化量為Ar = Ir" -R0I, Ar遠小于Λ R，稱為電阻的持久變化量，且Ar在At1時間段內保持不變，之后在At2時間段內，金屬熔體的電阻值R"逐漸減小并最終恢復為超聲處理之前的Rtl, Ar也逐漸減小，最終變為零；
[0012]所述的△ tl反映了超聲致熔體結構變化穩定保持的時間段，即該亞穩態結構保持動態平衡的階段，稱為超聲致亞穩結構穩定期，也是反映該超聲處理條件下熔體凝固實現最好細化效果的有效時間段，也稱為超聲孕育最優期；
[0013]所述的At2反映了熔體結構向超聲處理之前靠近并逐漸恢復原狀的過程，稱為超聲致亞穩結構復原期，也是超聲處理逐漸失效的過程，即超聲孕育衰減期；
[0014]At= At1+At2反映了超聲致熔體結構保持變化的時間段，稱為超聲致亞穩結構存留期，即超聲處理停止之后熔體保溫時間若超過At，則熔體的超聲預處理效果完全消失，也稱超聲孕育有效期。[0015]所述的金屬熔體包括純金屬熔體及合金金屬熔體。
[0016]與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是:
[0017]本發明的基本原理如說明書附圖圖2所示，在超聲施加之前，金屬熔體原子團簇處于該溫度下的動態平衡狀態，施加超聲期間，由于超聲空化行為以及超聲聲流效應對金屬熔體的擾動作用導致的宏觀運動狀態以及微觀原子團簇的移動、振動與碰撞等行為的變化，導致了熔體導電行為的變化，最終反映在超聲施加產生的金屬熔體電阻或電阻率的瞬態變化量AR、Δ P，當然，其間超聲空化的非線性效應也逐漸對微觀原子團簇的近程有序結構產生影響，因此，瞬態變化量AR也包含了超聲導致的熔體結構的逐漸變化對導電能力的影響，但這部分相比較而言很小，因此AR在超聲施加期間基本上不會有很大的波動；超聲停止后，超聲空化行為和超聲聲流效應立即消失，因此，此時殘留的變化量即持久變化量Ar值很小，數值大約比AR小一個數量級，但卻是反映超聲處理后導致的熔體結構變化的重要物理參量，熔體的近程有序結構處于一個新的有別于超聲處理之前的亞穩態結構。
[0018]在恒溫T狀態下，施加超聲之前，檢測得到始終保持恒定的金屬熔體電阻或電阻率Rtl;在超聲施加功率為P，施加時間為時，施加超聲期間，檢測得到的金屬熔體的電阻或電阻率產生顯著變化，此時R = V，其變化量為AR= Ir' -RciI,稱為電阻或電阻率的瞬態變化量，在施加超聲的時間段Atci內，R'值呈微小波動，但波動量與AR比可忽略；在停止超聲時，此時檢測到的金屬熔體的電阻或電阻率值R = R"，此時的變化量為Ar =
R" -Rtl |，Ar遠小于AR，該Ar稱為電阻或電阻率的持久變化量，且Δr在Δt1時間段內保持不變，之后在At2時間段內金屬熔體的電阻或電阻率R由超聲剛剛停止時的R"逐漸減小并最終恢復為超聲處理之前的Rtl, Ar也逐漸減小，最終變為零。
[0019]Δ tl反映了超聲致熔體結構變化穩定保持的時間段，即該亞穩態結構保持動態平衡的階段，稱為超聲致亞穩結構穩定期，也是反映該超聲處理條件下熔體凝固實現最好細化效果的有效時間段，也稱為超聲孕育最優期；At2反映了熔體結構向超聲處理之前靠近并逐漸恢復原狀的過程，稱為超聲致亞穩結構復原期，也是超聲處理逐漸失效的過程，即超聲孕育衰減期；△ t= △ △ t2反映了超聲致熔體結構保持變化的時間段，稱為超聲致亞穩結構存留期，即超聲處理停止之后熔體保溫時間若超過△ t，則熔體的超聲預處理效果完全消失，也稱超聲孕育有效期。
[0020]對于特定的超聲處理條件，必然對應一個特定的Ar值和特定的保持時間At1和At, Ar值越大，超聲預處理效果越顯著，當處理后保持時間小于At1時，均可保持相同的最好凝固細化效果，在保持時間大于At1而小于At時，隨時間延長細化效果減弱，但仍然有效。因此，對于特定金屬熔體，超聲預處理的最優條件是Ar值大的條件，且超聲預處理之后金屬熔體必須在At1時間內完成澆鑄以獲得最好細化效果。一般情況下，Ar值越大，At1和At也都越長，即超聲致熔體結構的變化程度越大，超聲處理的孕育最優期和有效期也越長，但也可能存在最優值，因此，有時在評價超聲處理效果時要把以上參數進行綜合考慮，并根據工藝設備與工況做擇優選擇。
[0021]本發明通過對金屬熔體預處理過程中以及超聲處理之后的整個行程中的電阻或電阻率變化的檢測，獲得與熔體導電能力相關的特定物性參數來表征超聲致金屬熔體結構變化，通過實時檢測該特定物性參數，反映了超聲處理的功率與處理時間等工藝技術條件的不同所導致的熔體結構變化以及所獲得的非穩態結構的穩定性，從而對該熔體適合的鑄造時間和凝固后的組織進行預測，從而提高凝固過程中的形核率，最終實現金屬熔體凝固組織的顯著細化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的在恒溫狀態下對金屬熔體進行超聲預處理過程中以及超聲處理之后的電阻變化規律示意圖；
[0023]其中R:金屬熔體的電阻或電阻率；&:施加超聲之前金屬熔體電阻:施加超聲期間金屬熔體電阻；R":超聲停止之后的金屬熔體電阻；AR:施加超聲期間熔體電阻的瞬態變化量；Ar:超聲停止之后熔體電阻的持久變化量；t:熔體達到恒溫之后開始計時的時間；△ h:超聲施加時間；△ t1:超聲致熔體結構變化穩定保持的時間段；△ t2:熔體結構逐漸恢復原狀的過程，也是超聲處理逐漸失效的過程；Δ t:超聲致熔體結構變化的有效時間；
[0024]圖2為金屬熔體超聲預處理過程中以及超聲處理之后金屬熔體微觀結構變化行為示意圖；
[0025]圖3為本發明實施例1中施加不同功率的超聲時金屬熔體電阻率變化行程的典型曲線；
[0026]圖4為根據圖3得到的超聲功率對金屬熔體電阻率瞬態變化量Λ P '和持久變化量Λρ影響的曲線；
[0027]圖5為根據圖3得到的超聲功率對金屬熔體結構變化程度的穩定保持時間Λ &和有效時間At影響的曲線；
[0028]圖6為實施例1在相同超聲功率下施加時間Atci不同時金屬熔體電阻率變化行程的典型曲線；
[0029]圖7為根據圖6得到的超聲施加時間Λ t0對金屬熔體電阻率瞬態變化量Λ ρ '和持久變化量Λ ρ影響的曲線；
[0030]圖8為根據圖6得到的超聲施加時間Λ t0對金屬熔體結構變化程度的穩定保持時間Λ 和有效時間Δ t影響的曲線；
[0031]圖9為實施例1在超聲處理條件相同金屬熔體溫度不同時金屬熔體電阻率變化行程的典型曲線；
[0032]圖10為根據圖9得到的金屬熔體溫度對金屬熔體電阻率瞬態變化量Λ ρ，和持久變化量Λ ρ影響的曲線；
[0033]圖11為由圖9獲取的金屬熔體溫度對金屬熔體結構變化程度的穩定保持時間Δ&和有效時間Λ t影響的曲線；
[0034]圖12為實施例2金屬熔體在600W、20kHz超聲處理180s過程中的電阻率變化過程曲線；
[0035]圖13為根據圖12得到的不同時刻淬火凝固組織平均晶粒尺寸隨熔體超聲致電阻率持久變化量Λ ρ的變化曲線。
【具體實施方式】
[0036]本發明實施例中選用的電阻儀為BURSTER公司的RESIST0MAT2316型高分辨率微電阻測試儀。
[0037]實施例1
[0038]將Pb_20wt.%Sn金屬熔體加熱升溫至500°C，保溫30min，再緩慢降低直至穩定在金屬熔體測試溫度，采用電阻測試儀測量金屬熔體電阻率P隨時間t的變化數據，測試溫度分別為 300。。、350。。、400。。和 4500C ；
[0039]當金屬熔體的電阻率穩定在Ptl后，對金屬熔體施加功率超聲的頻率為20kHz，超聲功率分別為400W、600W和800W的功率超聲，設定施加時間長度為180s、300s、420s和600s，并繼續保溫，得到超聲處理過程中以及超聲處理之后金屬熔體的電阻參數隨時間的變化曲線；
[0040]通過組合繪制超聲處理功率、超聲處理時間和超聲處理的熔體溫度不同時的金屬熔體電阻率對時間變化的比較曲線，其典型曲線如圖3、圖6和圖9所示，由如圖3、圖6和圖9可以獲得對應超聲處理條件變化導致的金屬熔體電阻率瞬態變化量△!?(△ P ')和持久變化量△(△ P)，以及反映金屬熔體結構變化程度穩定性的穩定保持時間At1和有效時間At。繪制的各處理條件變化，對Λ ρ '和Λ ρ的影響規律曲線分別如圖4、圖7和圖10，對At1和At的影響規律曲線分別如圖5、圖8和圖11所示。
[0041]實施例2
[0042]將Sn_80wt.%Pb金屬熔體加熱升溫至500°C,保溫30min,再緩慢降低直至穩定在金屬熔體測試溫度，采用電阻測試儀測量金屬熔體電阻率P隨時間t的變化數據，測試溫度為2800C ；
[0043]當金屬熔體的電阻率穩定在P ^后，對金屬熔體施加功率超聲的頻率為20kHz，超聲功率分別為600W的功率超聲，設定施加時間長度為180s，并繼續保溫，得到超聲處理過程中以及超聲處理之后金屬熔體的電阻參數隨時間的變化曲線；
[0044]測試結果為如圖12所示的電阻率隨時間的變化曲線。從曲線獲取無超聲處理(a)時、超聲停止后保溫5min(b)、50min(c)、75min(d)和90min等不同時刻的Δ ρ數值，并分別在以上各時刻采用落滴法直接水冷獲得該時刻的凝固組織，并通過其金相組織采用圖像分析軟件獲得各自組織的平均晶粒尺寸d ;繪制得到d — Λ ρ關系曲線(圖13)，可見Λ P與d呈一一對應關系，且Λ ρ越大，凝固組織的平均晶粒尺寸越細小。
[0045]以上結果印證了電阻率持久量與組織的變化存在一致性，即電阻率持久量能夠敏感反應熔體結構的變化。
【權利要求】
1.一種超聲致金屬熔體結構變化的在線檢測方法，其特征在于按照以下步驟進行: (1)將金屬熔體加熱升溫至液相線以上200~300°C，保溫至少30min，再緩慢降低直至穩定在金屬熔體測試溫度T，采用電阻測試儀測量金屬熔體的電阻參數，即電阻值R或電阻率P隨時間t的變化數據； (2)當金屬熔體的電阻值穩定在Rtl或電阻率穩定在P^穩定不變后，對金屬熔體施加一定頻率f和功率P的功率超聲，設定施加時間長度為Atci，并繼續保溫，得到超聲處理過程中以及超聲處理之后金屬熔體的電阻參數隨時間的變化曲線； 根據上述超聲處理前后及超聲處理過程中電阻參數隨時間變化曲線，檢測得到在施加超聲期間，金屬熔體的電阻或電阻率產生顯著變化，此時金屬熔體的電阻值為V，其變化量為AR= IR' -RcJ,稱為電阻的瞬態變化量；在停止超聲時，金屬熔體的電阻為R"，此時的變化量為Ar = |R" -R0I, Ar遠小于Λ R，稱為電阻的持久變化量，且Λι在At1時間段內保持不變，之后在At2時間段內，金屬熔體的電阻值R"逐漸減小并最終恢復為超聲處理之前的Rtl, Ar也逐漸減小，最終變為零； 所述的△ h反映了超聲致熔體結構變化穩定保持的時間段，即該亞穩態結構保持動態平衡的階段，稱為超聲致亞穩結構穩定期，也是反映該超聲處理條件下熔體凝固實現最好細化效果的有效時間段，也稱為超聲孕育最優期； 所述的At2反映了熔體結構向超聲處理之前靠近并逐漸恢復原狀的過程，稱為超聲致亞穩結構復原期，也是超聲處理逐漸失效的過程，即超聲孕育衰減期； At=AtJAt2反映了超聲致熔體結構保持變化的時間段，稱為超聲致亞穩結構存留期，即超聲處理停止之后熔體保溫時間若超過Λ t，則熔體的超聲預處理效果完全消失，也稱超聲孕育有效期。
2.根據權利要求1所述的一種超聲致金屬熔體結構變化的在線檢測方法，其特征在于所述的金屬熔體包括純金屬熔體及合金金屬熔體。
【文檔編號】G01N27/04GK103940856SQ201410142854
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】樂啟熾, 白冒坤, 鄒宇明, 張賽鵬 申請人:東北大學
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