對于超聲熔體處理細化晶粒的機制,國內(nèi)外學者進行了大量的理論分析和推斷,提出了眾多理論。目前大多數(shù)學者都認為主要是空化效應和聲流效應共同作用的結(jié)果,超聲波生產(chǎn)廠家歸納主要的解釋有以下幾方面:
1、空化破碎理論認為,在空化泡崩潰過程中,局部高溫、高壓和強烈的沖擊波,能熔斷并擊碎固-液界面初生晶體和正在長大的晶體,而破碎的晶體在聲流的攪拌作用下,再次分布到熔體中,提高了生核率,從而改變固-液界面的結(jié)晶方式,即通過“形核增殖”使晶粒細化。主要的增殖機制有:機械碰撞,高速運動的微小晶粒和空泡將一次和二次枝晶臂折斷,導致晶核增殖;根部重熔,空化產(chǎn)生的高溫或枝晶的溫升可能使枝晶熔斷;根部再結(jié)晶剝落,聲流使流體對枝晶產(chǎn)生彎曲應力,從而促使橫穿枝晶根部小角度晶界的擴展,直至熔體的浸入使枝晶剝落。其中,從能量的角度看,根部重熔與再結(jié)晶剝落兩者結(jié)合的可能性大,但提出空化破碎理論的學者并未提供令人信服的試驗結(jié)果來驗證。
2、過冷生核理論認為,空化氣泡的增大和內(nèi)部液體的蒸發(fā)會降低空化氣泡的溫度,使附近金屬熔液溫度瞬時降低,造成局部過冷,減小臨界晶核半徑,因而在空化氣泡的附近形成晶核,使晶核的形核率增加,組織得到細化。還有一種觀點也支持了該形核方式,空化產(chǎn)生的高壓沖擊波能夠使局部熔體的熔點顯著上升,有效過冷度亦隨之大大增加,從而提高形核率。
3、一些學者依據(jù)非均質(zhì)形核的熱力學條件提出異質(zhì)活化形核理論,推測超聲振動能夠減少晶體與熔體的界面能,使熔體中的雜質(zhì)活化成為形核的有效基底,從而也能減少晶核的臨界半徑,提高形核率。
4、部分學者的觀點認為由于聲流的環(huán)流特性,使得金屬熔液能夠上下翻動,因而使金屬熔液在宏觀上受到一定的攪拌作用,可明顯提高合金液溫度場的均勻性,從而使其凝固方式由逐層凝固變?yōu)轶w積凝固,抑制了柱狀晶組織的生長,形成了均勻的等軸晶組織。
前人的研究取得了諸多成果,深化了對這一問題的認識。然而,上述理論研究大多集中在描述和推測,缺乏系統(tǒng)的實驗研究論證。
相關(guān)信息:金屬熔體處理系統(tǒng)