5.3. Пластическая деформация и упрочнение.

Воздействие ультразвука на процесс пластической деформа-

ции обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и

структуру деформируемого металла. В этом случае возможны два

нелинейных эффекта: "акустическое разупрочнение" и "акустичес-

кое упрочнение". Первый наблюдается в процессе воздействия ин-

тенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического

напряжения, необходимого для осуществления пластической дефор-

мации. Акустическое упрочение металлов достигается после воз-

действия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности.

Акустическое разупрочнение является результатом активации дис-

локаций, происходящей в результате поглощения акустической

энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других

структурных несовершенств. Благодаря этому за малое время про-

исходит локальный нагрев вокруг этих источников поглощения,

снятие напряжений, разблокировка дислокаций, увеличение их

подвижности, что обеспечивает более интенсивный ход платичес-

кой деформации.

А.с. 436 750: Способ разбортовки полых изделий из пласти-

ческих масс путем двустороннего обжатия роликами стенки изде-

лия при его вращении, отличающийся тем, что с целью повышения

производительности процесса, область контакта стенки изделия с

роликами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний.

А.с. 536 874: Способ профилирования материала типа прут-

кового путем наложения на заготовку ультразвуковых колебаний в

ее пластической деформации, отличающийся тем, что с целью по-

лучения на заготовках периодического профиля синусоидального

характера, заготовку предварительно подвергают воз ультразву-

ковых колебаний так, чтобы расположение пучностей и узлов уль-

тразвуковой волны соответствовало выступам и впадинам заданно-

го периодического профиля, после чего осуществляют процесс

пластического деформирования заготовки в осевом направлении,

перпендикулярном к направлению действия изгибных колебаний,

растягивающими усилиями, достаточными для получения заданной

глубины профиля.

Если валики прокатного стана колебать в направлении па-

раллельном осям их вращения, с ультразвуковой частотой, то

усилие деформации снижается в 1,5-2 раза, а степень деформации

увеличивается на 20-50 %, причем контактное трение резко сни-

жается.

При достижении определенного уровня акустической энергии,

зависящего от свойства облучаемого металла, последний может

пластически деформироваться при комнатной температуре без при-

ложения внешней нагрузки.

5.3.2. Под действием ультразвукав и з м е н я ю т с я о с

н о в н ы е ф и з и к о-х и м и ч е с к и е с в о й с т в а р

а с п л а в о в: вязкость, поверхностное натяжение на границе

"расплав - форма" или "расплав - твердая фаза", температура и

диффузия.

5.3.2.1. В я з к о с т ь, после ультразвуковой обработки

расплава вязкость уменьшается на 10-50 %, причем характер из-

менения вязкости не позволяет считать, что уменьшение вязкости

вызывается только тепловым воздействием ультразвука, посколько

на ряду с тепловым воздействием наблюдаются и другие эффекты,

например, изменение трения между твердыми нерастворимыми при-

месями, находящихся в расплаве.

5.3.2.2. П о в е р х н о с т н о е н а т я ж е н и е.

Воздействие ультразвука на расплав в процессе кристализации

уменьшает поверхностное натяжение между расплавом и кристаллом

при двухфазном состоянии, за счет чего уменьшается переохлаж-

дение расплавов и увеличивается количество кристаллических за-

родышей, а структура расплава получается более мелкозернистой.

5.3.2.3. Т е м п е р а т у р а. Ультразвуковая обработка

металлов в жидком состоянии и во время кристаллизации приводит

к изменению характера температурного поля. Возникновение акус-

тических потоков в расплаве под действием ультразвука связано

с потерей энергии в расплаве. Эти потери зависят от интенсив-

ности ультразвука и акустических свойств среды. Акустические

потоки вызывают интенсивное перемешивание расплава, выравнива-

ние температуры и интенсификацию конвективной диффузии. При

выравнивании температуры расплава увеличивается теплообмен со

стенками и окружающей средой, в результате чего увеличивается

скорость охлаждения, физическая сущность влияния ультразвука

на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции зак-

лючается в проникновении акустических потоков в пограничный и

ламинарный подслой, что приводит к деформации этих слоев, их

турбулизации и перемешиванию. В результате этого в несколько

раз увеличивается коэффициент теплопередачи и скорость тепло-

обмена.

5.3.2.4. Д и ф ф у з и я.

Ультразвук ускоряет диффузионные процессы в металлических

расплавах и на границе с твердой фазой. В этом случае под

действием ультразвука происходит более легкое перемещение ато-

мов из одного устойчивого состояния в другое благодаря образо-

ванию кавитационных пузырьков. При этом необходимо учитывать

влияние вторичных эффектов акустических потоков, повышение

температуры, акустического давления, вызывающих турбулентное

перемещение и разрушение пограничного слоя между жидкой и

твердой фазой при ускорении диффузии на границе жидкость -

твердое тело.

5.3.2.7. Д е г а з а ц и о н н ы й э ф ф е к т.

Под действием ультразвука растворенный газ сначала выде-

ляется в виде пузырьков в зонах разряжения ультразвуковых

волн, после этого пузырьки соединяются и при достижении доста-

точно большого размера всплывают на поверхность. Эффект можно

обьяснить следующим образом, при воздействии ультразвука в

расплаве возникает кавитация: в образованные кавитационные

пустоты проникает ратворенный газ. При захлопывании кавитаци-

онных пузырей этот газ не успевает снова раствориться в метал-

ле и образует газовые пузырьки. Зародыши газовых пузырьков об-

разуются и в полупериод разряжения при распространении упругих

ультразвуковых колебаний в расплаве, т.к. при уменьшении дав-

ления растворимость газов уменьшается. После этого газовые пу-

зырьки под влияниемельных движений коанулируют и, достигая оп-

ределенных размеров, всплывают. Ускорение диффузии под

действием ультразвука тоже может способствовать нарастанию га-

зовых пузырьков.

5.3.3. Ультразвуковой капиллярный эффект (открытие N109).

Явление капиллярности заключается в том, что при помеще-

нии в жидкость капилляра, смачиваемого жидкостью, в нем под

действием сил поверхностного натяжения происходит подьем жид-

кости на некоторую высоту. Если жидкость в капилляре совершает

колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный

эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается

в несколько десятков раз, значительно во и скорость подьема.

Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость

толкает вверх не радиационное давление и капилярные силы, а

стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы

сжимает столб жидкости и поднимает его вверх. Открытый эффект

уже очень хорошо используется в промышленности, например, при

пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей,

окраске тканей, в теплвых трубах и т.п.

А.с. 437 568: Способ попитки капиллярных пористых тел

жидкостями и расплавами, например, полимерным связующим, с

применением ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что с

целью интенсификации процессов пропитки ультразвуковые колеба-

ния сообщают пропитываемому телу.

5.3.4. Трудно перечислить все эффекты, возникающие в ре-

зультате воздействия ультразвука на вещество, поэтому кратко

перечислим основные области прменения ультразвука и приведем в

заключение несколько интересных изобретений, показывающих ши-

рокие возможности использования ультразвука в изобретательст-

ве.

Твердые вещества

----------------

- размерная обработка сверхтвердых и хрупких материалов

(сверление отверстий сложной формы, шлифование, полирование,

наклеп, волочение проволоки, прокатка фольги и т.д.)

- лужение и паяние металлов, керамики, стекла и т.п.

- сварка металлов и полимеров.

А.с. 505 540: Способ сварки трением встык разнородных ме-

таллов при котором осуществляют вращение одной заготовки, кро-

ковку стыка и обжатие его при помощи осадочной матрицы, наде-

той на неподвижную заготовку, отличающийся тем, что с целью

повышения стабильности качества сварного шва и стойкости мат-

рицы, проковку и обжатие стыка производят с наложением на оса-

дочную матрицу поперечных звуковых колебаний с пучностью нап-

ряжений в очаге деформации при с менее окружной скорости

вращающейся заготовки.

Жидкости (кавитирующие)

- очистка деталей от жировых и других загрязнений

А.с. 120 613: Устройство для автоматической очистки дета-

лей, например, сеток радиоламп посредством промывочной жидкос-

ти, включающие промывочную ванну, транспортер, укладочное и

разгрузочное приспособление, отличающееся тем, что с целью по-

вышения качества очистки, в промывочной ванне установлены уль-

тразвуковые излучатели с концентраторами ультразвуковой энер-

гии, служащие для создания фонтанов промывочной жидкости,

омывающих сетки, перемещаемые над промывочной ванной.

- диспергирование твердых порошкообразных материалов в

жидкостях, эмульгирование несмешивающихся жидкостей.

А.с. 517 294: Способ получения жирового концентрата,

включающий смешивание жира с белковым стабилизатором и высуши-

вание, отличающийся тем, что с целью длительного хранения вы-

сококилотных жиров, а также удешивления способа, жир перед

смешиванием нейтрализуют в присутствии катализатора, смесь жи-

ра со стабилизатором эмульгируют с помощью ультразвука в тече-

нии 10-15 минут, а в качестве стабилизатора используют дунст.

- получение аэрозолей.

- полимиризация или деструкция высокомолекулярных соеди-

нений, ускорение массообразных и химических процессов.

- разрушение биологических обьектов (микроорганизмов).

Действие ультразвука на жидкость базируется на использо-

вании вторичных эффектов кавитации - высоких локальных давле-

ний и температуры, образующихся при схлопывании кавитационных

пузырьков.

Г а з ы

- сушка сыпучих, пористых и других материалов.

- очистка газов от твердых частиц и аэрозолей.