专利名称：一种铝液微合金化凝固组织变化原位定量表征方法
技术领域：
本发明涉及铝液凝固组织变化原位的定量表征方法，尤其适用于铝液微合金化过程柱状枝晶和等轴晶转变的定量表征。
背景技术：
铝液凝固组织通常由柱状枝晶和等轴晶组成，柱状枝晶由铝合金铸件表面细晶粒或从铸型壁直接形核在单向热流的作用下择优竞争生长形成。当铝液成分过冷及柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致等轴晶在柱状枝晶前方形核。等轴晶核长到一定的大小，形成网络阻止柱状枝晶的生长，使柱状枝晶向等轴晶转变。柱状枝晶具有明显的择优取向，因此其性能具有各向异性；等轴晶组织均匀，其性能具有各向同性。铝液凝固过程中柱状枝晶和等轴晶的形状和数量变化规律决定铝合金铸件的组织结构；铝液微合金化不仅改变铝液合金成份，而且改变柱状枝晶和等轴晶的形状及数量，从而影响铝铸件的物理和机械性能。以往对铝液凝固组织的研究通常是分析最终凝固组织进行金相分析来推测凝固过程可能发生的现象，或采用试样快淬保留淬火瞬间的凝固特征，但这些方法均无法对铝液微合金化凝固组织变化过程实时连续观察，因此将丢掉一些重要的动态信息，给研究铝液微合金化凝固组织变化规律带来相当大的困难；或根据凝固学基本原理，对铝液微合金化凝固过程中的各种物理场及凝固组织的相形态、晶粒形核和生长等进行模拟，数值解析铝液凝固组织变化规律，但是数值模拟方法缺乏直接可目视的佐证。同步辐射X射线成像技术由于具有穿透性强、光强度高、微秒级脉冲、分辨率较高等特点，能够实时观察合金凝固结构的变化行为。国内外学者已经利用该技术对铝液的凝固过程进行了实时观察， 这些研究工作对铝液凝固过程的组织变化进行了对比分析。尤其缺乏定量表征方法实时研究铝液微合金化凝固过程的组织特点，因而人们对铝液微合金化组织的变化规律及微合金化效果仍然缺乏定量的认识。发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的问题，提供一种铝液微合金化凝固组织变化原位定量表征方法。
上述目的是通过下述方案实现的一种铝液微合金化凝固组织变化原位定量表征方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)铝液微合金化凝固过程组织变化的实时成像利用同步辐射X射线成像技术实时观察铝合金凝固组织的变化；(2)凝固过程中柱状枝晶及等轴晶形状维数的计算铝液微合金化凝固过程中柱状枝晶及等轴晶的形状分维数采用盒维数法计算，即用边长为^的正方形网格分割凝固时间为 t时刻凝固组织/铝液界面的单个柱状枝晶或等轴晶X射线同步辐射图像，统计柱状枝晶边界线所占有的正方形网格数Nti (r,)，通过缩小正方形网格边长ri;获得与ri对应的Nti (r,)，柱状枝晶形状维数Ddiot按公式(I)计算
权利要求
1.一种铝液微合金化凝固组织变化原位定量表征方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 (1)铝液微合金化凝固过程组织变化的实时成像利用同步辐射X射线成像技术实时观察铝合金凝固组织的变化； (2)凝固过程中柱状枝晶及等轴晶形状维数的计算铝液微合金化凝固过程中柱状枝晶及等轴晶的形状分维数采用盒维数法计算，即用边长为^的正方形网格分割凝固时间为t时刻凝固组织/铝液界面的单个柱状枝晶或等轴晶X射线同步辐射图像，统计柱状枝晶边界线所占有的正方形网格数Nti (r,)，通过缩小正方形网格边长ri;获得与ri对应的Nti (r,)，柱状枝晶形状维数Ddiot按公式(I)计算
2.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，所得到铝液微合金化凝固组织图像空间分辨率为O. 1mm、时间分辨率为O.1微秒，铝合金凝固组织实时成像区域位于铝液凝固组织/铝液界面区域。
3.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，两个极大值点所对应的凝固时间即为柱状枝晶向等轴间转变开始时间h和等轴晶生长向等轴晶稳定期转变时间t3，描绘出数量分维数随凝固时间的变化曲线，确定该曲线在整个凝固过程中最小值组织数量分维数数D,所需的凝固时间t2，该时间t2为等轴晶形核期向等轴晶生长期转变时间，由时间tpt2、七3定量判断铝液微合金化凝固过程铝合金凝固过程柱状枝晶生长期、等轴晶形核开始期、等轴晶稳定生长期的凝固时间。
全文摘要
本发明提供一种基于分形理论的铝液微合金化凝固过程组织转变过程的定量表征方法。该方法能够对铝液微合金化凝固过程中对柱状枝晶生长、等轴晶生核、柱状枝晶与等轴晶转变、等轴晶成长特征进行定量表征。首先，根据铝液微合金化的凝固过程的实时影相，利用盒维数法计算凝固过程中柱状枝晶和等轴晶形状分维数Dmor，其次，利用集结维数法计算凝固过程中不同形状分维数Dmor柱状枝晶和等轴晶数量值，由此计算出柱状枝晶和等轴晶的组织数量分维数Dqua，从而获得铝合金凝固过程组织数量分维数Dqua凝固时间特征曲线。本发明的方法能够作为铝液微合金元素种类及微合金化工艺的判断依据，对促进铝液合金化技术及铝合金铸造工艺控制等方面将有重要的指导意义。
文档编号G01N23/00GK102980899SQ201210467279
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者赵明, 吴晚云, 郑刘斌, 李婷婷, 铁军, 屈敏 申请人:北方工业大学