Файл: Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию.pdf

Позднее действие ультразвука исследовали на ряде алюминиевых, никелевых, медных сплавов и на сталях.

На рис. 56 показано влияние ультразвуковой обра­ ботки на процесс естественного и искусственного старе-

Рис. 56. Влияние ультразвука с интенсивностью 10 вт/см* на естественное (а) и искусственное (б) старение алюми­ ниевого сплава В95:

/ — старение без ультразвука; 2 — старение под воздей­ ствием ультразвука. Стрелкой отмечен момент выключе­ ния ультразвука (и нагрева при искусственном старении)

132

ния алюминиевого сплава В95, по данным, полученным автором1 в 1956 г. Видно, что ультразвуковая обработка существенно ускоряет процесс распада твердого раство­ ра даже при комнатной температуре.

Проведенные позднее опыты Д. Оэльшлегеля и Б. Вайс [22] на сплаве типа Д1 (А1—Си—Mg) с преци­ зионным измерением температуры образцов также по­

костью, жаропрочностью, жаростойкостью и т. д. широ­

ность процесса и малая проникающая способность диф­ фундирующего элемента, определяемая низкой ско­ ростью процесса диффузии.

Проведенные во Франции в тридцатых годах опыты Г. May и Л. Гийе [2] показали, что процессы азотиро­ вания и цементации можно заметно ускорить за счет ультразвукового воздействия. Так, Г. May наблюдал, что за 9 ч ультразвуковой обработки на частоте 20 кгц

‘ Э с к и н Г. И. Дипломная работа. МВТУ. Москва, 1956.

133

твердость HV стали Fe—Cr—Ni—Mo возросла c 760 до 1033 кГ/мм2, а глубина азотированного слоя в этой ста­

Как показал М. Е. Архангельский [35], ультразвуко­ вые колебания обладают недостаточной энергией, чтобы заметно изменить кинетическую энергию атомов и тем самым коэффициент диффузии. В то же время ультра­ звуковые колебания в жидкости создают благоприятные условия для транспортировки вещества как в объеме жидкости, так и в диффузионном слое. Возникновение акустических потоков и усиление конвективного переме­ шивания приводит к уменьшению диффузионного слоя и скорость переноса вещества (диффузия) через этот слон увеличивается.

134

Ультразвуковое упрочнение

Исследования по ультразвуковому воздействию на монокристаллическое и поликристаллическое состояние металлов показывают отчетливый эффект упрочнения.

Впервые этот эффект обнаружили Ф. Блага и Б. Лангенеккер на отожженном монокристалле цинка. Позднее

Рис. 58. Кривые затухания импульсного ульт­ развука в отожженных монокристаллах алю­

чение 3—30 мин ультразвуком интенсивностью 10 вт/см- наблюдается повышение затухания ультразвука более чем в 2 раза и в широком диапазоне температур, что сви­ детельствует об увеличении плотности дислокаций (рис. 58). Измерение микротвердости также подтверждает повышенную плотность дислокаций, так как после уль­ тразвуковой обработки твердость увеличивается в 2 ра­ за.

135

Механизм такого упрочнения полностью еще не рас* крыт, однако можно предположить, что ультразвуковые колебания большой мощности создают в обрабатывае­ мом металле дефекты за счет размножения существу­ ющих несовершенств кристаллической решетки. Это яв­ ление подтверждено экспериментально Б. Лангенеккером [22], в опытах которого ультразвуковое воздейст­ вие сочеталось с нейтронным облучением. При такой комбинированной обработке плотность дислокаций в монокристаллическом алюминии увеличивается на поря­ док по сравнению с одинарной ультразвуковой обра­ боткой (известно, что обработка быстрыми нейтронами создает в кристаллической решетке дефекты).

Несмотря на то что рассмотренные выше примеры использования ультразвука при термической обработке весьма обещающи, практическое применение нашел лишь метод ультразвуковой закалки. Объясняется это тем, что до сих пор не найдены удовлетворительные инже­ нерные решения способов ввода ультразвуковых колеба­

«озвучивание» всего объема изделия, подвергаемого об­ работке ультразвуком. В то же время известные методы передачи колебательной энергии, исключая передачу че­ рез жидкость, возможную при закалке и химико-терми­ ческой обработке, предусматривают стержневую систе­ му, настроенную в резонанс. В резонансных условиях си­ стема имеет узлы и пучности, т. е., другими словами, часть образца подвергается интенсивной обработке в пучности напряжений звука, а другая часть находится в покое.

Представляет интерес предложенная И. И. Теуминым [1] схема (рис. 59, я, б) введения колебаний в тела не­

136

регулярной формы, исключающая этот недостаток. При возбуждении на небольшой площадке, расположенной на одной из плоских граней такого тела, колебаний при помощи волновода и при условии, что размер этого тела

Рис. 59. X «опросу возбуждения упругих колебаний в твердых телах (а) и примеры связи излучателя с объектами нерегулярной формы (б) (!)

велик но сравнению с длиной волны, внутри тела возникает звуковое поле сложной формы. В соответствии с законами отражения и поглощения звука можно создать ситуацию, при которой значительная часть вводимой энергии будет поглощена в объеме обрабатываемого те­ ла.

137

ГЛАВА VIII

У Л Ь Т Р А З В У К О В А Я С В А Р К А И П А Й К А М Е Т А Л Л

Современная техника часто ставит перед технолога­ ми—металлургами уникальные задачи: как, например, прочно соединить между собой вольфрам и алюминий— металлы, температуры плавления 'которых различаются между собой в пять раз, или с помощью каких средств соединить тонкий медный или золотой проводник с кри­ сталлом полупроводникового прибора в микромодульной технике?

Эти и другие аналогичные задачи оказываются по плечу методу ультразвуковой холодной сварки.

Здесь термин «холодная сварка» имеет тот смысл, что соединяемые металлы не доводятся до плавления и, не­ смотря на интенсивные деформации в месте контакта, температура за время сварки, измеряемое долями се­ кунды, достигает лишь (0,4—0,5) Т,,.,.

Кратковременность процесса ультразвуковой сварки позволяет до некоторой степени избежать опасности сни­ жения свойств соединяемых металлов, в частности удается предотвратить охрупчивание сварного шва в та­ ких разнородных металлических парах, как титан и алю­ миний или медь и алюминий, где обычно легко образует­ ся хрупкое интерметаллическое соединение.

13$

На рис. 60 приведена диаграмма, иллюстрирующая возможность соединения различных металлов и сплавов методом ультразвуковой сварки [37].

Про цеос ультразвуковой сварки осуществляется пу­ тем возбуждения колебаний в соединяемых деталях. На­

в сварочном узле продольных колебаний (рис. 61), хотя сварочные системы могут работать на изгибных и кру­ тильных колебаниях. Как это видно из приведенной схе­ мы, в процессе ультразвуковой сварки соединяемые из­

139