超聲作用機(jī)理綜述

顧曉猛

摘要：超聲應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域越來越廣泛，但對其作用機(jī)理研究尚不完善，本文從超聲作用的兩大模型：“體積效應(yīng)”和“表面效應(yīng)”展開，以此來介紹國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及遇到的問題，并對后續(xù)的研究方向作出展望。

關(guān)鍵詞：超聲;體積效應(yīng);表面效應(yīng)

0 ?引言

1955年，奧地利學(xué)者F.Blaha和B.Langenecker發(fā)現(xiàn)了金屬的超聲軟化效應(yīng)，超聲作用于宏觀金屬的壓力成形領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注，并在許多宏觀大制件的壓力成形生產(chǎn)中，如擠壓、軋制、拉拔、拉深等，得到實(shí)際應(yīng)用。但對超聲作用下金屬屈服應(yīng)力和流動應(yīng)力顯著下降的微觀機(jī)理，一直處于探索、改進(jìn)和完善的過程中。目前的大多數(shù)研究主要還是針對不同特定領(lǐng)域的研究，由于不同工況條件下超聲作用存在一定差異，迄今為止，人們對超聲作用機(jī)理的認(rèn)識尚不完備，沒有形成統(tǒng)一的理論。

很多學(xué)者對超聲作用的機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，但大多還是基于G.R.Dawson提出的“體積效應(yīng)”和“表面效應(yīng)”模型[1]，這一模型對超聲作用的機(jī)理有比較系統(tǒng)的劃分。

1 ?體積效應(yīng)

體積效應(yīng)模型從微觀角度描述了超聲對材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響，也即所謂的“內(nèi)摩擦”。體積效應(yīng)理論認(rèn)為：①外加的高能量振動會使材料內(nèi)部微粒更活躍，引起晶粒出現(xiàn)共振或松弛，使得材料流動應(yīng)力下降，出現(xiàn)“軟化效應(yīng)”。②對材料施加超聲同加熱有類似的效應(yīng)，但其重要區(qū)別是，加熱需要更多的能量才能得到與施加超聲接近相同的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其內(nèi)在機(jī)理被認(rèn)為是材料對二者的吸收機(jī)制不同，聲能主要是被塑性變形區(qū)（例如位錯和晶界）的原子吸收，而加熱過程中熱能則被所有的原子吸收。

英國利物浦大學(xué)E.Mariani等學(xué)者研究了鋁合金箔在超聲焊接過程中材料微結(jié)構(gòu)的變化過程[2]。他們使用頻率20kHz的橫向超聲，施加不同的焊接壓力，采用掃描電鏡的電子背散衍射方法觀察超聲作用下鋁箔在焊接過程中微結(jié)構(gòu)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，材料在不同焊接壓力下其變形均通過非穩(wěn)態(tài)位錯滑移方式而不是位錯攀升方式產(chǎn)生，材料內(nèi)部的快速溫度變化和快速的應(yīng)變速率致使微結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)的快速變化，高速振動產(chǎn)生的摩擦熱導(dǎo)致在焊合區(qū)產(chǎn)生連續(xù)不斷的動態(tài)再結(jié)晶，使得晶粒尺寸大幅下降，通過擴(kuò)散驅(qū)使晶界合并，原子在兩焊接材料表面形成聯(lián)鎖而實(shí)現(xiàn)焊接。英國謝菲爾德大學(xué)A. Siddiq等學(xué)者也進(jìn)行了類似的研究[3，4]。他們的研究雖非有關(guān)超聲壓力成形內(nèi)摩擦的研究，但其研究方法亦具有一定的借鑒意義。

2 ?表面效應(yīng)

表面效應(yīng)模型則從宏觀的角度描述了超聲對材料與工具之間摩擦的影響，也即所謂的“外摩擦”。表面效應(yīng)理論認(rèn)為，振動使胚料與工具瞬間分離，從而改變摩擦力的反向，使摩擦促進(jìn)變形加工，因振動產(chǎn)生的熱效減少胚料與工具的黏焊現(xiàn)象。表面效應(yīng)的影響因素主要有振動頻率、振幅等。其他學(xué)者在研究中還提出了外摩擦的“飄浮模型”、“跳動模型”、“蠕動模型”等，這些都是為解釋外摩擦的微觀機(jī)理所做的各種努力。

表面效應(yīng)理論從材料與工具間接觸條件的變化給出了材料變形抗力下降的解釋，但這種解釋仍需進(jìn)一步深入細(xì)化完善。相對于體積效應(yīng)的研究而言，近年世界范圍內(nèi)對超聲表面效應(yīng)的研究相對較多，但主要集中在對剛性塊狀物體超聲表面效應(yīng)的研究，對塑性變形物體的研究仍不多見。

德國柏林技術(shù)大學(xué)V.L.Popov等學(xué)者近年對剛性物體的超聲表面效應(yīng)進(jìn)行了研究[5，6，7]。研究表明，施加不同振動方向的超聲，摩擦變化的總體趨勢呈現(xiàn)下列規(guī)律：施加超聲和在一定范圍內(nèi)增大超聲振幅，摩擦系數(shù)會下降;在較小的滑動速度下，摩擦隨振幅增大而減小的幅度較大;振幅較小時(shí)，摩擦系數(shù)隨滑動速度增大而呈輕微下降趨勢，但隨著振幅的增大，摩擦系數(shù)與滑動速度呈單調(diào)增函數(shù)關(guān)系，振幅越大，摩擦系數(shù)減小的幅度越大;當(dāng)超聲振幅大到超過一定程度之后，由于樣品被加熱后邊界層失效，摩擦系數(shù)反而會上升，如果再進(jìn)一步增大振幅，會出現(xiàn)金屬粘連和摩擦焊接現(xiàn)象，當(dāng)表面微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)棘齒狀時(shí)，即使外力消失，在振動的驅(qū)使下也會發(fā)生定向運(yùn)動。在摩擦面內(nèi)沿滑動方向施加振動的情況下，頻率較低時(shí)，在某一滑動速度附近會出現(xiàn)摩擦系數(shù)的急劇變化，隨著頻率的增加，這一急劇變化變得越來越平坦，直到完全消失。在摩擦面內(nèi)垂直于滑動方向施加振動的情況下，摩擦減小的總效應(yīng)比摩擦面內(nèi)沿滑動方向施加振動時(shí)更小些，而當(dāng)滑行速度增大時(shí)，摩擦系數(shù)向最終值收斂的速度更快些。在垂直于滑動平面施加振動的情況下，一般認(rèn)為，如果超聲振幅足夠大，樣品會出現(xiàn)跳動，但理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，即使確保樣品和平面接觸，摩擦系數(shù)也會下降。研究者對上述研究還給出了定量理論分析結(jié)論，理論分析結(jié)論在一定條件下表達(dá)的摩擦變化趨勢和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，但在某些情況下，如較小和較大的滑動速度下，理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在差異，甚至有相反的結(jié)論，這表明理論模型還需要進(jìn)一步完善。

葡萄牙科因布拉大學(xué)L.Figueiredo等學(xué)者研究了剛性塊料間摩擦與板料變形過程中摩擦的差異[8]。他們采用冷軋優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼DP600、鋁合金AA1100與經(jīng)熱處理后的AISI D3鋼分別構(gòu)成不同摩擦副，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為研究材料間摩擦問題而廣泛采用的剛性體摩擦實(shí)驗(yàn)得到的摩擦系數(shù)，總是低于板料變形過程的摩擦系數(shù);同時(shí)發(fā)現(xiàn)，板料成形模具的表面粗糙度對摩擦系數(shù)有重要影響，粗糙度增大則摩擦系數(shù)上升。他們的研究，為構(gòu)建研究剛性物體簡單摩擦實(shí)驗(yàn)與真實(shí)板料變形摩擦之間的橋梁奠定了基礎(chǔ)，使得過去研究者們努力獲得的摩擦研究結(jié)果，可以通過一定的方式應(yīng)用于指導(dǎo)板料變形研究和生產(chǎn)。同時(shí)也為目前廣泛開展的數(shù)值模擬研究建立準(zhǔn)確的金屬變形摩擦模型奠定了基礎(chǔ)。

重慶大學(xué)溫彤等學(xué)者通過對AZ31鎂合金進(jìn)行高頻拉伸和拉深實(shí)驗(yàn)，研究了超聲對加工中變形行為的影響[9，10]。通過拉伸實(shí)驗(yàn)，對材料在高頻振動下的變形行為有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。拉深加工采用與拉伸實(shí)驗(yàn)相同的高頻振動和薄板材料。拉深加工中，頻率15kHz、最大激勵能量2kW，振幅約為1～3um的縱向高頻振動，振動經(jīng)由螺紋直接耦合到?jīng)_頭上，材料為厚度0.5mm的AZ31鎂合金，沖頭直徑30mm，拉深速度3mm/min。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察，發(fā)現(xiàn)振幅對成型能力等的影響起決定性作用。一旦施加振動，成形載荷立即出現(xiàn)顯著下降。AZ31板料成形能力隨激勵能量的增加先增大，進(jìn)而下降，最終變?yōu)榇嘈浴８鶕?jù)對塑性變形區(qū)域微結(jié)構(gòu)的觀察，樣品在低振幅下（接近最大激勵能量25%）比靜態(tài)有更多的孿晶，而且分布更均勻，這證實(shí)發(fā)生了“軟化”效應(yīng)，AZ31的成形能力此時(shí)達(dá)到最大值。隨著激勵能量的增大，“體積效應(yīng)”產(chǎn)生的“硬化”占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)激勵能量達(dá)到最大能量的75%時(shí)，僅在晶界處生長出少量孿晶，這證實(shí)發(fā)生了“硬化”效應(yīng)，材料呈現(xiàn)脆性。因此，適當(dāng)選擇超聲振幅參數(shù)對利用超聲增大塑性變形能力是非常重要的。從樣品的失效模式可以發(fā)現(xiàn)，在加潤滑油的情況下，樣品斷裂呈均勻分布的趨勢。

3 ?結(jié)束語

盡管現(xiàn)有理論對超聲微成形具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義，但總體上理論研究還比較滯后。有些現(xiàn)象還不能用現(xiàn)有的理論來進(jìn)行解釋。橫向載荷與縱向載荷、振幅與頻率等外加因素對金屬材料塑性變形的影響還缺乏更深入的了解，沒有形成更具體的理論模型，而這也直接制約了超聲在壓力成形領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

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