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user: 3. 结果与分析 3.1. 温度对超声波处理效果的影响 5356铝合金在不同温度超声波处理下的显微组织如图3所示。由于5xxx系铝合金耐腐蚀性能较好，Keller试剂并不能很好的反映细化后的晶界，所以利用分析软件对显微组织进行二值化处理，增强了显微组织的分析性，并测定其晶粒度如表3所示。 Table 1 Ultrasonic treatment processin 试验编号 处理温度/℃ 处理时间/min 超声探头插入深度/mm 功率/W 0# 原始样(浇铸温度710℃) 1# 640 1 10 1300 2# 650 3# 660 4# 670 5# 660 1 10 1300 6# 2 7# 3 8# 4 9# 660 3 10 1100 10# 1300 11# 1500 表1. 超声波处理方案 Table 2 Composition of 5356 aluminum allo 元素 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Be Al 含量(wt%) 0.25 0.40 0.10 0.05~0.20 4.5~5.5 0.05~0.20 0.10 0.06~0.20 0.0003 余量 表2. 5356铝合金的化学成分 图1. 拉伸试样示意图 图2. 冲击试样示意图 图3. 5356铝合金不同温度下超声波处理后的显微组织(经过二值化处理)；(a) 640℃；(b) 650℃；(c) 660℃；(d) 670℃ Table 3 Grain size of 5356 aluminum alloy after ultrasonic treatment at different temperature 实验编号 平均晶粒度评级 1# 6.42 2# 7.03 3# 8.75 4# 8.13 表3. 5356铝合金不同温度超声波处理后的晶粒度 结合图3和表3综合分析可知，超声波处理温度在640℃~660℃范围内，随着温度的升高，晶粒度逐渐增大，晶粒细化效果越来越好，组织由更均匀细小的等轴晶取代了大部分树枝晶。在660℃晶粒最细化，晶粒度为8.75。但从660℃升温到670℃时，晶粒度出现了下降的趋势，树枝晶又重新出现在显微组织中，晶粒细化效果变差。 5356铝合金在不同温度超声波处理下的力学性能测试结果如图4、表4所示。 结合图4和表4综合分析可知，超声波处理温度在640℃~660℃范围内，随着温度的升高，抗拉强度不断增大，应变量也在不多增加。在660℃时抗拉强度达到最大值153.82 Mpa，最大应变量也为最大值7.755%。但在660℃~670℃范围内，抗拉强度和最大应变量都开始减小。这种变化规律与图3、表3表现出的规律相一致。 另一方面，冲击功则在640℃~670℃范围内都随着温度的升高而增大，670℃时达到26.4J。这是由于超声波处理后组织得到了显著的细化，根据霍尔佩奇 [ 12 ] 公式，晶粒尺寸减小后，单位面积内晶界增多，成为了位错运动的障碍，提升了抗拉强度，而晶粒的增多进一步提升了整体材料中位错滑移的空间，进而提高了合金的塑性和韧性。 分别对超声波处理640℃和660℃的试样进行能谱分析，所得结果如图5、表5所示。超声波处理640℃和660℃的试样拉伸断口和冲击断口如图6所示。 图4. 在不同温度下超声波处理下的5356铝合金的应力–应变曲线 Table 4 Mechanical properties of 5356 aluminum alloy under ultrasonic treatment at different temperature 试样编号 最大应变值(%) 抗拉强度(Mpa) 冲击功(J) 1# 0.9915 90.681 6.2 2# 1.8350 112.586 13.2 3# 7.7550 153.828 26.2 4# 2.8550 98.858 26.4 表4. 在不同温度超声波处理下5356铝合金的力学性能 Table 5 The contents of Mg in the grains after ultrasonic treatment at different temperature 试样 编号 Mg (Wt.%) 1 2 3 4 1# 3.4 5.8 6.4 4.0 3# 3.1 3.6 3.6 4.0 表5. 不同温度下超声波处理后晶粒内外Mg的含量 图5. 不同温度下超声波处理点能谱分析：(a) 640℃；(b) 660℃ 图6. 超声波处理后的拉伸、冲击断口形貌：(a) 640℃拉伸断口；(b) 660℃拉伸断口；(c) 640℃冲击断口；(d) 660℃冲击断口 比较640℃和660℃的拉伸冲击断口形貌(图6)可以看出，640℃下超声波处理后的断口多为沿晶断裂(A)，而660℃超声波处理后的断口多为“韧窝”状的韧性穿晶断裂(B)。这是由于超声波处理会改善Mg在合金中的微观偏析情况 [ 13 ] ，如表5所示，超声波处理后产生的声流效应、机械效应加快了元素在固液界面上的传输能力，加快了元素的扩散，改善了Mg元素的显微偏析(见图5)，进而改善5356铝合金的力学性能，这也就是660℃处理后的合金力学性能比640℃处理后要好的原因之一。 5356铝合金的液相线温度为638℃ [ 1 ] ，由于640℃非常接近合金液相线，导致了合金的金属熔体粘度μ很大，这时超声波处理的空化效应所产生的微小空化气泡受到的声流脉冲作用会大大降低，空化气泡的膨胀、崩碎过程会变得异常缓慢，所以使得异相形核数降低，降低了细化效果。640℃超声波处理后还存在着较大的枝晶(图3a)，这也是由于粘度增大降低了超声波的声流效应。虽然超声波的处理过程会降低5356铝合金熔体的过冷度 [ 14 ] ，但是声流效应的降低，减缓了树枝晶碎片的形成，使得局部区域出现了树枝晶十分粗大的现象。这两个现象同时也说明了Eskin [ 15 ] 所提到的两种细化机制在超声波处理过程中都起到了作用，超声波细化是两种机制共同作用的结果。而随着温度的升高，熔体降低了粘度，加快了流速，进而使超声波空化效应和声流效应得以加强，所以细化效果与效率都得到了明显的提高。而超过660℃这一峰值温度后，670℃的细化效果逐渐开始下降，这是由于在较高温度进行超声波处理时，超声波的热效应会越来越明显，从而给予了某些已经细化的晶粒长大的能量，所以在局部区域出现了枝晶，细化效果出现了滑坡的趋势。 与原始样比较(图4)，低温(接近液相线温度)超声处理后的力学性能反而不如原始样，出现了性能倒退的现象，这是由于在温度较低时，所浇铸的试样气孔等缺陷非常明显。因为生产经验中的浇铸温度为710℃ [ 2 ] ，而在640℃等接近液相线的温度进行超声处理并浇铸，会因为熔体粘度过大，出现补缩困难的现象，所以产生了很多宏观缺陷，大大影响了合金的力学性能。 3.2. 时间对超声波处理效果的影响 5356铝合金在不同时间超声波处理下的显微组织如图7所示，力学性能如图8和表6所示。 超声波处理时间也是决定处理效果的重要影响因素之一。时间增加，自然超声作用时间增加，更能发挥空化作用、声流作用等超声效应 [ 16 ] 。经过四组时间的变化，发现时间同样也是呈现先增后减的趋势(如图7)，但时间变化后晶粒度的差值并不大(如表6)，由6.4→7.5→7.2变化，效果没有那么显著。抗拉强度最大值出现在3 min时，为188.70 Mpa，此时最大应变值也达到最大7.46%。时间的增加同样会增加热效应，从而使晶粒有长大的趋势。由此可以看出热效应是时间、温度和功率共同作用的结果，所以超声时间在2~3 min中时更能得到良好的综合力学性能。 3.3. 功率对超声波处理效果的影响 5356铝合金在不同功率超声波处理下的显微组织如图7所示，力学性能如图8和表6所示。 超声波功率的输出大小与超声波的声波强度有着密切的联系，功率变大，声波强度增大，就会促进声空化 [ 16 ] 。在调整功率参数的过程中，功率的增大使得晶粒细化效果得到了增强，如图9，这正是由于声波强度的增加促进了空化现象的出现，空化气泡膨胀、破碎的进程加快，从而提高了细化效率和效果。 图7. 在不同时间超声波处理下5356铝合金的显微组织(经过二值化处理)：(a) 1 min；(b) 2 min；(c) 3 min；(d) 4 min 图8. 在不同时间超声波处理的5356铝合金的应力–应变曲线 图9. 在不同功率下经过超声波处理的5356铝合金的显微组织(经过二值化处理)：(a) 1100 W；(b) 1300 W；(c) 1500 W；(d) 树枝晶 不过相对于温度的影响，功率也并非越大越有利。在1500 W下超声处理3 min后，发现出现了超大的枝晶(图9d)，这同样是热效应的负面影响造成的。功率变大后，热效应变得十分显著，金属熔体的冷却速度受到了抑制，从而使得破碎的晶粒得以重新长大，形成了超大枝晶。正是这些原因的影响，使得合金的力学性能也呈现先增后减的趋势(图10)。如表7，其峰值出现在1300 W，抗拉强度达到188.70 Mpa，最大的应变值达到7.46%。冲击功的变化趋势则与抗拉强度不同，体现出一直增长的态势。这可能是由于冲击韧性更容易受到偏析和杂质的影响，而功率的一直增加使得偏析得到了更好的改善，因而出现单调递增的关系。 Table 6 Mechanical properties of 5356 aluminum alloy under ultrasonic treatment at different time 试样编号 平均晶粒度评级 最大应变值(%) 抗拉强度(Mpa) 5# 6.42 1.8350 112.586 6# 7.50 6.9400 185.779 7# 7.25 7.4675 188.704 8# 7.23 4.5650 164.909 表6. 在不同时间超声波处理后5356铝合金的力学性能 Table 7 Mechanical properties of 5356 aluminum alloy under ultrasonic treatment at different powe 试样编号 平均晶粒度评级 最大应变值(%) 抗拉强度(Mpa) 冲击功(J) 9# 7.22 3.6575 151.122 9.2 10# 7.25 7.4675 188.704 10.2 11# 5.80 6.1975 158.065 12.2 表7. 在不同功率超声波处理下5356铝合金的力学性能 图10. 在不同的功率下超声波处理的5356铝合金的应力–应变曲线