一种超声致金属熔体结构变化的在线检测方法
【专利摘要】本发明涉及材料科学领域，具体涉及一种超声致金属熔体结构变化的在线检测方法。本发明将金属熔体加热再缓慢降低直至稳定在金属熔体测试温度T，采用电阻测试仪测量金属熔体的电阻参数，即电阻值R或电阻率ρ随时间t的变化数据，当金属熔体的电阻参数稳定不变后，对金属熔体施加一定频率f和功率P的功率超声，设定施加时间长度为Δt0，并继续保温，得到超声处理过程中以及超声处理之后金属熔体的电阻参数随时间的变化曲线。本发明通过对金属熔体预处理过程中以及超声处理之后的整个行程中的电阻或电阻率变化的检测，对该熔体适合的铸造时间和凝固后的组织进行预测，最终实现金属熔体凝固组织的显著细化。
【专利说明】一种超声致金属熔体结构变化的在线检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料科学领域，具体涉及一种超声致金属熔体结构变化的在线检测方法。
【背景技术】
[0002]组织细晶化是金属材料强韧化的主要途径之一。通过熔体预处理和控制凝固过程获得均匀细小的凝固组织，是现代凝固技术研究的热点。金属凝固过程包括形核与长大两个过程，增加凝固过程中的形核率和抑制晶粒生长是实现凝固组织细晶化的有效方法。控制凝固行为的关键是控制金属熔体的形核过程。一切可以提高形核率的方法均可以实现凝固组织的细化。金属及其合金熔体虽然多种多样，但其结构不外乎是原子或分子、或者化学短程有序原子团构成。高温金属熔体存在能量起伏、结构起伏和成份起伏，熔体结构的稳定性是个动态平衡结果，晶坯的形成与消亡与以上几种起伏的动态平衡的失衡相关。熔体预处理是实现铸态组织细化的常用方法。最常用的方法是在金属熔体中添加细化剂或变质剂以实现异质形核，从而提高形核率。金属熔体的外场预处理细化是促进均质形核实现细化的工艺方法，其机理之一是通过改变熔体结构的动态起伏平衡状态以提高形核率，也就是说，外场的施加改变了金属熔体的近程有序结构，从而实现细化。
[0003]对于熔体预处理工艺的细化效果的考察，一般通过建立预处理工艺参数与凝固组织之间的关系来优化预处理工艺方法与技术参数范围。其存在的问题是对预处理效果考察存在滞后性和不连续性，即试验周期长，且无法对预处理过程进行全程考察。另外，如前所述，熔体预处理细化效果在本质上是与熔体结构变化导致的形核率变化有关，而不同的熔体预处理工艺却可能导致相同的凝固细化效果，即预处理工艺条件与熔体结构不见得是单值关系，而在冷却条件一致时，熔体结构与形核率和凝固细化效果却有单值对应关系。因此，如果能够对熔体结构的变化进行实时考察，从而建立熔体结构与细化效果之间的关系，那么只要考察预处理条件所获得的熔体结构变化行程，即可预测相应的细化效果。这样不仅可以缩短工艺优化试验周期，而且可使工艺优化更精细化。然而，金属熔体大多处于高温状态，对高温金属熔体的实验研究与检测十分困难，致使人们对金属熔体的研究比固体物质来说要困难得多，同时认知也肤浅得多，目前大多停留在热力学理论推断与模型假设阶段，但这些模型只能从各自不同的角度定性描述了一定过热度范围内的金属熔体的结构特征。对熔体结构进行定量描述与评估有赖于对实际检测方法与检测结果的深入研究。
[0004]对于金属熔体结构的表征方法，主要有直接和间接方法。直接是采用X射线衍射、中子衍射、同步光源辐射、扩展X射线精细结构吸收等技术获得原子分布函数的径向分布函数，从而计算得到金属的熔体结构，但是，直接法的检测设备复杂，实验繁琐，且可重复性差。
[0005]从统计热力学角度看，熔体微观结构的变化必然导致宏观热力学性质的变化，也必然引起金属熔体的物理性质的变化，即金属熔体的物理性质与熔体的结构因子密切相关。电阻是熔体结构的敏感物理量，也是熔体物性中最容易检测的物理量。根据Ziman电阻理论，金属熔体的电阻率是结构因子的函数。因此，电阻测量可以从电子层次间接推测研究金属熔体的结构变化，同时与其他方法相比，电阻法能够提供更多的有关短程有序方面的信息。所以，通过研究外加物理场处理金属熔体导致的电阻变化，将可表征外加物理场导致的熔体结构变化，进而建立金属熔体的电阻变化与凝固细化效果之间的关系。尽管有关液体金属通过电阻测量实验来研究熔体结构已经取得了许多进展，但相关研究主要集中在熔体状态与组成变化对熔体结构的影响，鲜有外加物理场对金属熔体结构影响的电阻表征方法的研究。
[0006]由于超声波在液体介质传播时，会产生空化效应、声流效应和热效应，这些非线性效应会导致液体介质产生一系列物理或化学变化。大量研究已表明，在金属或合金熔融状态或凝固过程中施加超声场可以显著细化其凝固组织，是提高金属材料机械性能的最有效方法之一。提出可以准确表征超声致金属熔体结构变化的导电参数，对金属熔体超声预处理工艺优化及其对细化机理的研究均具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0007]针对现有技术存在的空白，本发明提供一种超声致金属熔体结构变化的在线检测方法，目的是通过实时检测金属熔体电阻值，反映超声处理的功率与处理时间等工艺技术条件的不同所导致的熔体结构变化以及所获得的非稳态结构的稳定性，从而对该熔体适合的铸造时间和凝固后的组织进行预测。
[0008]实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行:
[0009](I)将金属熔体加热升温至液相线以上200~300°C，保温至少30min，再缓慢降低直至稳定在金属熔体测试温度T，采用电阻测试仪测量金属熔体的电阻参数，即电阻值R或电阻率P随时间t的变化数据；
[0010](2)当金属熔体的电阻值稳定在Rtl或电阻率稳定在P ^稳定不变后，对金属熔体施加一定频率f和功率P的功率超声，设定施加时间长度为Atci，并继续保温，得到超声处理过程中以及超声处理之后金属熔体的电阻参数随时间的变化曲线；
[0011]根据上述超声处理前后及超声处理过程中电阻参数随时间变化曲线，检测得到在施加超声期间，金属熔体的电阻或电阻率产生显著变化，此时金属熔体的电阻值为V，其变化量为AR= Ir' -Rci|，称为电阻的瞬态变化量；在停止超声时，金属熔体的电阻为R"，此时的变化量为Ar = Ir" -R0I, Ar远小于Λ R，称为电阻的持久变化量，且Ar在At1时间段内保持不变，之后在At2时间段内，金属熔体的电阻值R"逐渐减小并最终恢复为超声处理之前的Rtl, Ar也逐渐减小，最终变为零；
[0012]所述的△ tl反映了超声致熔体结构变化稳定保持的时间段，即该亚稳态结构保持动态平衡的阶段，称为超声致亚稳结构稳定期，也是反映该超声处理条件下熔体凝固实现最好细化效果的有效时间段，也称为超声孕育最优期；
[0013]所述的At2反映了熔体结构向超声处理之前靠近并逐渐恢复原状的过程，称为超声致亚稳结构复原期，也是超声处理逐渐失效的过程，即超声孕育衰减期；
[0014]At= At1+At2反映了超声致熔体结构保持变化的时间段，称为超声致亚稳结构存留期，即超声处理停止之后熔体保温时间若超过At，则熔体的超声预处理效果完全消失，也称超声孕育有效期。[0015]所述的金属熔体包括纯金属熔体及合金金属熔体。
[0016]与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是:
[0017]本发明的基本原理如说明书附图图2所示，在超声施加之前，金属熔体原子团簇处于该温度下的动态平衡状态，施加超声期间，由于超声空化行为以及超声声流效应对金属熔体的扰动作用导致的宏观运动状态以及微观原子团簇的移动、振动与碰撞等行为的变化，导致了熔体导电行为的变化，最终反映在超声施加产生的金属熔体电阻或电阻率的瞬态变化量AR、Δ P，当然，其间超声空化的非线性效应也逐渐对微观原子团簇的近程有序结构产生影响，因此，瞬态变化量AR也包含了超声导致的熔体结构的逐渐变化对导电能力的影响，但这部分相比较而言很小，因此AR在超声施加期间基本上不会有很大的波动；超声停止后，超声空化行为和超声声流效应立即消失，因此，此时残留的变化量即持久变化量Ar值很小，数值大约比AR小一个数量级，但却是反映超声处理后导致的熔体结构变化的重要物理参量，熔体的近程有序结构处于一个新的有别于超声处理之前的亚稳态结构。
[0018]在恒温T状态下，施加超声之前，检测得到始终保持恒定的金属熔体电阻或电阻率Rtl;在超声施加功率为P，施加时间为时，施加超声期间，检测得到的金属熔体的电阻或电阻率产生显著变化，此时R = V，其变化量为AR= Ir' -RciI,称为电阻或电阻率的瞬态变化量，在施加超声的时间段Atci内，R'值呈微小波动，但波动量与AR比可忽略；在停止超声时，此时检测到的金属熔体的电阻或电阻率值R = R"，此时的变化量为Ar =
R" -Rtl |，Ar远小于AR，该Ar称为电阻或电阻率的持久变化量，且Δr在Δt1时间段内保持不变，之后在At2时间段内金属熔体的电阻或电阻率R由超声刚刚停止时的R"逐渐减小并最终恢复为超声处理之前的Rtl, Ar也逐渐减小，最终变为零。
[0019]Δ tl反映了超声致熔体结构变化稳定保持的时间段，即该亚稳态结构保持动态平衡的阶段，称为超声致亚稳结构稳定期，也是反映该超声处理条件下熔体凝固实现最好细化效果的有效时间段，也称为超声孕育最优期；At2反映了熔体结构向超声处理之前靠近并逐渐恢复原状的过程，称为超声致亚稳结构复原期，也是超声处理逐渐失效的过程，即超声孕育衰减期；△ t= △ △ t2反映了超声致熔体结构保持变化的时间段，称为超声致亚稳结构存留期，即超声处理停止之后熔体保温时间若超过△ t，则熔体的超声预处理效果完全消失，也称超声孕育有效期。
[0020]对于特定的超声处理条件，必然对应一个特定的Ar值和特定的保持时间At1和At, Ar值越大，超声预处理效果越显著，当处理后保持时间小于At1时，均可保持相同的最好凝固细化效果，在保持时间大于At1而小于At时，随时间延长细化效果减弱，但仍然有效。因此，对于特定金属熔体，超声预处理的最优条件是Ar值大的条件，且超声预处理之后金属熔体必须在At1时间内完成浇铸以获得最好细化效果。一般情况下，Ar值越大，At1和At也都越长，即超声致熔体结构的变化程度越大，超声处理的孕育最优期和有效期也越长，但也可能存在最优值，因此，有时在评价超声处理效果时要把以上参数进行综合考虑，并根据工艺设备与工况做择优选择。
[0021]本发明通过对金属熔体预处理过程中以及超声处理之后的整个行程中的电阻或电阻率变化的检测，获得与熔体导电能力相关的特定物性参数来表征超声致金属熔体结构变化，通过实时检测该特定物性参数，反映了超声处理的功率与处理时间等工艺技术条件的不同所导致的熔体结构变化以及所获得的非稳态结构的稳定性，从而对该熔体适合的铸造时间和凝固后的组织进行预测，从而提高凝固过程中的形核率，最终实现金属熔体凝固组织的显著细化。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的在恒温状态下对金属熔体进行超声预处理过程中以及超声处理之后的电阻变化规律示意图；
[0023]其中R:金属熔体的电阻或电阻率；&:施加超声之前金属熔体电阻:施加超声期间金属熔体电阻；R":超声停止之后的金属熔体电阻；AR:施加超声期间熔体电阻的瞬态变化量；Ar:超声停止之后熔体电阻的持久变化量；t:熔体达到恒温之后开始计时的时间；△ h:超声施加时间；△ t1:超声致熔体结构变化稳定保持的时间段；△ t2:熔体结构逐渐恢复原状的过程，也是超声处理逐渐失效的过程；Δ t:超声致熔体结构变化的有效时间；
[0024]图2为金属熔体超声预处理过程中以及超声处理之后金属熔体微观结构变化行为示意图；
[0025]图3为本发明实施例1中施加不同功率的超声时金属熔体电阻率变化行程的典型曲线；
[0026]图4为根据图3得到的超声功率对金属熔体电阻率瞬态变化量Λ P '和持久变化量Λρ影响的曲线；
[0027]图5为根据图3得到的超声功率对金属熔体结构变化程度的稳定保持时间Λ &和有效时间At影响的曲线；
[0028]图6为实施例1在相同超声功率下施加时间Atci不同时金属熔体电阻率变化行程的典型曲线；
[0029]图7为根据图6得到的超声施加时间Λ t0对金属熔体电阻率瞬态变化量Λ ρ '和持久变化量Λ ρ影响的曲线；
[0030]图8为根据图6得到的超声施加时间Λ t0对金属熔体结构变化程度的稳定保持时间Λ 和有效时间Δ t影响的曲线；
[0031]图9为实施例1在超声处理条件相同金属熔体温度不同时金属熔体电阻率变化行程的典型曲线；
[0032]图10为根据图9得到的金属熔体温度对金属熔体电阻率瞬态变化量Λ ρ，和持久变化量Λ ρ影响的曲线；
[0033]图11为由图9获取的金属熔体温度对金属熔体结构变化程度的稳定保持时间Δ&和有效时间Λ t影响的曲线；
[0034]图12为实施例2金属熔体在600W、20kHz超声处理180s过程中的电阻率变化过程曲线；
[0035]图13为根据图12得到的不同时刻淬火凝固组织平均晶粒尺寸随熔体超声致电阻率持久变化量Λ ρ的变化曲线。
【具体实施方式】
[0036]本发明实施例中选用的电阻仪为BURSTER公司的RESIST0MAT2316型高分辨率微电阻测试仪。
[0037]实施例1
[0038]将Pb_20wt.%Sn金属熔体加热升温至500°C，保温30min，再缓慢降低直至稳定在金属熔体测试温度，采用电阻测试仪测量金属熔体电阻率P随时间t的变化数据，测试温度分别为 300。。、350。。、400。。和 4500C ；
[0039]当金属熔体的电阻率稳定在Ptl后，对金属熔体施加功率超声的频率为20kHz，超声功率分别为400W、600W和800W的功率超声，设定施加时间长度为180s、300s、420s和600s，并继续保温，得到超声处理过程中以及超声处理之后金属熔体的电阻参数随时间的变化曲线；
[0040]通过组合绘制超声处理功率、超声处理时间和超声处理的熔体温度不同时的金属熔体电阻率对时间变化的比较曲线，其典型曲线如图3、图6和图9所示，由如图3、图6和图9可以获得对应超声处理条件变化导致的金属熔体电阻率瞬态变化量△!?(△ P ')和持久变化量△(△ P)，以及反映金属熔体结构变化程度稳定性的稳定保持时间At1和有效时间At。绘制的各处理条件变化，对Λ ρ '和Λ ρ的影响规律曲线分别如图4、图7和图10，对At1和At的影响规律曲线分别如图5、图8和图11所示。
[0041]实施例2
[0042]将Sn_80wt.%Pb金属熔体加热升温至500°C,保温30min,再缓慢降低直至稳定在金属熔体测试温度，采用电阻测试仪测量金属熔体电阻率P随时间t的变化数据，测试温度为2800C ；
[0043]当金属熔体的电阻率稳定在P ^后，对金属熔体施加功率超声的频率为20kHz，超声功率分别为600W的功率超声，设定施加时间长度为180s，并继续保温，得到超声处理过程中以及超声处理之后金属熔体的电阻参数随时间的变化曲线；
[0044]测试结果为如图12所示的电阻率随时间的变化曲线。从曲线获取无超声处理(a)时、超声停止后保温5min(b)、50min(c)、75min(d)和90min等不同时刻的Δ ρ数值，并分别在以上各时刻采用落滴法直接水冷获得该时刻的凝固组织，并通过其金相组织采用图像分析软件获得各自组织的平均晶粒尺寸d ;绘制得到d — Λ ρ关系曲线(图13)，可见Λ P与d呈一一对应关系，且Λ ρ越大，凝固组织的平均晶粒尺寸越细小。
[0045]以上结果印证了电阻率持久量与组织的变化存在一致性，即电阻率持久量能够敏感反应熔体结构的变化。
【权利要求】
1.一种超声致金属熔体结构变化的在线检测方法，其特征在于按照以下步骤进行: (1)将金属熔体加热升温至液相线以上200~300°C，保温至少30min，再缓慢降低直至稳定在金属熔体测试温度T，采用电阻测试仪测量金属熔体的电阻参数，即电阻值R或电阻率P随时间t的变化数据； (2)当金属熔体的电阻值稳定在Rtl或电阻率稳定在P^稳定不变后，对金属熔体施加一定频率f和功率P的功率超声，设定施加时间长度为Atci，并继续保温，得到超声处理过程中以及超声处理之后金属熔体的电阻参数随时间的变化曲线； 根据上述超声处理前后及超声处理过程中电阻参数随时间变化曲线，检测得到在施加超声期间，金属熔体的电阻或电阻率产生显著变化，此时金属熔体的电阻值为V，其变化量为AR= IR' -RcJ,称为电阻的瞬态变化量；在停止超声时，金属熔体的电阻为R"，此时的变化量为Ar = |R" -R0I, Ar远小于Λ R，称为电阻的持久变化量，且Λι在At1时间段内保持不变，之后在At2时间段内，金属熔体的电阻值R"逐渐减小并最终恢复为超声处理之前的Rtl, Ar也逐渐减小，最终变为零； 所述的△ h反映了超声致熔体结构变化稳定保持的时间段，即该亚稳态结构保持动态平衡的阶段，称为超声致亚稳结构稳定期，也是反映该超声处理条件下熔体凝固实现最好细化效果的有效时间段，也称为超声孕育最优期； 所述的At2反映了熔体结构向超声处理之前靠近并逐渐恢复原状的过程，称为超声致亚稳结构复原期，也是超声处理逐渐失效的过程，即超声孕育衰减期； At=AtJAt2反映了超声致熔体结构保持变化的时间段，称为超声致亚稳结构存留期，即超声处理停止之后熔体保温时间若超过Λ t，则熔体的超声预处理效果完全消失，也称超声孕育有效期。
2.根据权利要求1所述的一种超声致金属熔体结构变化的在线检测方法，其特征在于所述的金属熔体包括纯金属熔体及合金金属熔体。
【文档编号】G01N27/04GK103940856SQ201410142854
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】乐启炽, 白冒坤, 邹宇明, 张赛鹏 申请人:东北大学