[发明专利]一种超声致金属熔体结构变化的在线检测方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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

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。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）将金属熔体加热升温至液相线以上200～300℃，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ρ随时间t的变化数据；