4．2超声波作用原理上述一系列的研究结果表明，超声波处理能够细化凝固组织、减少偏析，影响合金凝固特性。这些都是超声波作用于金属凝固过程时，产生的多种效应及其引发的压力场、流动场和温度场等共同作用的结果。在金属凝固过程中，超声振动主要产生的效应有声空化效应、声流效应和热效应三种。声空化是增加形核率，细化组织的主要原因；声流效应和机械效应增加对流，降低熔体内部微区的温度梯度，有利于细化晶粒，消除偏析，影响晶粒生长超声在熔体中的振幅衰减在熔体内引起一定的声压梯度，形成声流。声流速度比质点的振动速度小得多，不过也能达到流体自然对流速度的5～10倍。声流对于破坏边界层，加速传质传热，促进微细颗粒弥散起到了关键作用。将超声波导入液态金属时，在金属内部形成这种剧烈的对流，改变了凝固界面前沿的温度场和溶质浓度场，影响了凝固组织形态。超声振动产生的热效应是细化晶粒的不利因素，尤其是当超声功率超过阈值时，热效应很强，延长了晶粒生长时间，导致晶粒粗化。当足够强的功率超声波作用于液体介质时，声压产生正压和负压两项。当交变声压的幅值大于液体中的静压力，可在液体中形成局部性的负压区。当负压大于液体分子之间的结合力时，液体被拉断而形成空腔，即产生空化气泡。正压相到来时，空化气泡闭合与破裂，完成一个周期的空化过程。空化泡在膨胀过程中，将从周围吸热，导致微区内熔体温度过冷。通常条件下，凝固初期在型腔内壁处由于温度低而发生大量形核。当采用超声波处理时，凝固初期合金的形核位置不仅仅在型壁处，由于空化效应造成微小区域存在一定的过冷度，当温度满足形核要求时，在这些区域就产生大量的晶核。其中部分尺寸较小的晶核在声流产生的热起伏下熔化，而晶核较大的就保存下来，作为形核核心，从而极大地提高了形核率_删。不仅如此，在空化过程中，空化泡闭合时产生的冲击力对树枝晶产生强烈的冲刷作用，超声流引起的热起伏也有利于枝晶臂熔断，二者共同作用下大量的枝晶臂破碎，形成等轴晶，增加凝固过程中的晶核数量，也使得晶粒分布趋于均匀化。超声细化的机理研究国外众多学者对超声细化的机理进行了探讨，提出了破碎理论和过冷生核理论，这些理论的核心主要是声空化现象。(1)超声破碎理论。该理论认为高能超声形成的大量空化气泡在超过一定阈值的声压下发生崩溃并产生激波，将已结晶长大的晶粒打碎，使晶粒得到细化。(2)过冷生核理论。还有一些学者认为，超声波产生的空化泡的增...
