商兵等：超声外场对不同温控状态下ZL205A铝合金凝固规律的影响 ·1013· (a) 扫描位置 A1原子数分数81.04% Cu原子数分数：18.96% Cu 01 2 3 456 7 8910 能量keV 504m (c) 扫描位置 A1原子数分数82.87% Cu原子数分数：17.13% Cu 01 2 3 45678910 50m 能量keV 图7普通共品组织和粗大共品组织扫描电镜形貌和能谱图.(a)普通共晶组织：(b)普通共品组织能谱：（©）粗大共品组织：(d)粗大 共品组织能谱 Fig.7 SEM morphology and EDS spectra of common second-phase and coarse copolymer structures:(a)ordinary eutectic structure;(b)EDS spec- trum of common eutectic structure;(c)coarse eutectic structure;(d)gross eutectic EDS spectrum 的量更少，因此经过超声处理的铸样第二相组织更 得出铸锭2、3”4相较于1”，平均抗拉强度分别增 加细小分散，整体析出量更少 加了18%、40%、55%，平均屈服强度分别增加了 根据斯托克斯-爱因斯坦方程]可知： 14%、49%、70%.图8(b)为平均延伸率柱状图，由 图8(b)可知，经过超声预处理的铸锭2和4延伸 D1= kT 6Tm (3) 率大于未经超声预处理的铸锭1"和3. kT2 由图3(e)可知，晶粒平均直径1">2”>4"> D2=6wm2 (4) 3",根据Hal-Petch公式9]可知： 式中：D2、T2、2分别为温度650℃时熔体自然扩散 0,=0。+ (6) 系数、绝对温度、动力黏度；D,、T1、,分别为730℃ va 时熔体自然扩散系数、绝对温度、动力黏度：k为波 式中，σ，为屈服应力，σ。为移动单个位错所需克服 尔茨曼常数：r为假想刚性球半径. 的点阵摩擦力，K为常数，d为晶粒平均直径 由式(3)和(4)可得： 由上式可知晶粒尺寸越小，金属的屈服强度越 D:_T2m 高.由图3和图6可知未经过超声预处理的铸锭1· D.Tin (5) 和3"存在组织疏松、气孔、粗大第二相组织等组织 上述计算结果表明当熔体温度降低时，熔体自 缺陷，这些疏松和气孔等内部缺陷在拉伸断裂时成 然扩散系数下降.显然，自然扩散系数的大幅降低 为断裂源，导致材料内部微裂纹较多且扩展较快，材 不利于溶质原子（主要是C)的扩散，且温度降低还 料过早断裂，强度较低：而第二相组织的分布也会影 导致超声空化效应的减弱]，超声预处理比空冷超 响拉伸强度，脆性第二相大多分布在晶界上，减少品 声处理实验温度更高，处理时间更长，因此有更好的 界对拉伸微裂纹扩展的阻力，使得断裂韧度降低，同 促进溶质再分配的作用. 样导致材料过早的脆性断裂).所以拉伸实验预期 2.3力学拉伸实验结果及分析 结果为拉伸强度4”>3>2>1"，延伸率4">2> 图8为力学拉伸实验结果，由图8(a)可以计算 3”>1.对比图8可知，拉伸试验结果基本符合预期商 兵等: 超声外场对不同温控状态下 ZL205A 铝合金凝固规律的影响 图 7 普通共晶组织和粗大共晶组织扫描电镜形貌和能谱图 郾 (a) 普通共晶组织; (b) 普通共晶组织能谱; (c)粗大共晶组织; ( d) 粗大 共晶组织能谱 Fig. 7 SEM morphology and EDS spectra of common second鄄phase and coarse copolymer structures: (a) ordinary eutectic structure; (b) EDS spec鄄 trum of common eutectic structure; (c) coarse eutectic structure; (d) gross eutectic EDS spectrum 的量更少,因此经过超声处理的铸样第二相组织更 加细小分散,整体析出量更少. 根据斯托克斯鄄鄄爱因斯坦方程[14]可知: D1 = kT1 6仔r浊1 (3) D2 = kT2 6仔r浊2 (4) 式中:D2 、T2 、浊2分别为温度 650 益 时熔体自然扩散 系数、绝对温度、动力黏度;D1 、T1 、浊1分别为 730 益 时熔体自然扩散系数、绝对温度、动力黏度;k 为波 尔茨曼常数;r 为假想刚性球半径. 由式(3)和(4)可得: D2 D1 = T2浊1 T1浊2 (5) 上述计算结果表明当熔体温度降低时,熔体自 然扩散系数下降. 显然,自然扩散系数的大幅降低 不利于溶质原子(主要是 Cu)的扩散,且温度降低还 导致超声空化效应的减弱[15] ,超声预处理比空冷超 声处理实验温度更高,处理时间更长,因此有更好的 促进溶质再分配的作用. 2郾 3 力学拉伸实验结果及分析 图 8 为力学拉伸实验结果,由图 8(a)可以计算 得出铸锭 2 # 、3 # 、4 #相较于 1 # ,平均抗拉强度分别增 加了 18% 、40% 、55% ,平均屈服强度分别增加了 14% 、49% 、70% . 图 8(b)为平均延伸率柱状图,由 图 8( b)可知,经过超声预处理的铸锭 2 #和 4 #延伸 率大于未经超声预处理的铸锭 1 #和 3 # . 由图 3(e) 可知,晶粒平均直径 1 # > 2 # > 4 # > 3 # ,根据 Hall鄄鄄Petch 公式[19]可知: 滓y = 滓0 + K d (6) 式中,滓y为屈服应力,滓0 为移动单个位错所需克服 的点阵摩擦力,K 为常数,d 为晶粒平均直径. 由上式可知晶粒尺寸越小,金属的屈服强度越 高. 由图 3 和图 6 可知未经过超声预处理的铸锭 1 # 和 3 #存在组织疏松、气孔、粗大第二相组织等组织 缺陷,这些疏松和气孔等内部缺陷在拉伸断裂时成 为断裂源,导致材料内部微裂纹较多且扩展较快,材 料过早断裂,强度较低;而第二相组织的分布也会影 响拉伸强度,脆性第二相大多分布在晶界上,减少晶 界对拉伸微裂纹扩展的阻力,使得断裂韧度降低,同 样导致材料过早的脆性断裂[1] . 所以拉伸实验预期 结果为拉伸强度 4 # > 3 # > 2 # > 1 # ,延伸率 4 # > 2 # > 3 # > 1 # . 对比图 8 可知,拉伸试验结果基本符合预期 ·1013·