CN109632950A - 一种密度法检测半固态金属浆料固相率的装置及检测方法 - Google Patents

一种密度法检测半固态金属浆料固相率的装置及检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109632950A
CN109632950A CN201811569175.9A CN201811569175A CN109632950A CN 109632950 A CN109632950 A CN 109632950A CN 201811569175 A CN201811569175 A CN 201811569175A CN 109632950 A CN109632950 A CN 109632950A
Authority
CN
China
Prior art keywords
solid
ultrasonic
crucible
rate
semi
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811569175.9A
Other languages
English (en)
Inventor
吉泽升
刘威
许红雨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin University of Science and Technology
Original Assignee
Harbin University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin University of Science and Technology filed Critical Harbin University of Science and Technology
Priority to CN201811569175.9A priority Critical patent/CN109632950A/zh
Publication of CN109632950A publication Critical patent/CN109632950A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/024—Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/24—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by observing the transmission of wave or particle radiation through the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N2011/006—Determining flow properties indirectly by measuring other parameters of the system
    • G01N2011/0073—Determining flow properties indirectly by measuring other parameters of the system acoustic properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01—Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/011—Velocity or travel time
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/022—Liquids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02818—Density, viscosity

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明属于金属材料半固态加工检测领域,具体涉及一种利用密度差检测半固态金属浆料固相率的装置及方法。该发明是针对实际的固相率检测中出现的过程复杂时间滞后等问题,提出一种快速简便的测试途径。装置部分由坩埚、超声波发射器、超声波接收器、支撑槽以及计算机组成。两套超声波发射接收装置分别连接在坩埚外壁的上部和中部，通过与两组超声波装置连接的计算机计算出超声波在不同介质中的传播时间，得出超声波在金属浆料和坩埚埚体中的传播速率，再根据传播速率与介质密度的热力学函数关系，计算出金属浆料的密度，从而得出半固态金属浆料的固相率。本发明用于连续检测半固态金属浆料的固相率。

Description

一种密度法检测半固态金属浆料固相率的装置及检测方法
技术领域
本发明属于金属材料半固态加工检测领域,具体涉及一种检测半固态金属材料浆料固相率的装置及其检测方法。
背景技术
金属材料半固态加工的基本工艺方法可分为流变成型和触变成型两种,其中流变成型成为近年来的研究热点，在半固态流变成型过程中，流动性是影响浆料充型能力的最主要因素之一，表观粘度是浆料流动性的重要指标,在影响表观粘度的众多因素中,固相率是极为重要的因素。目前针对半固态浆料固相率的测定方法主要有：电阻法、金相分析法和热涵法。其中电阻法具有操作简单，实时性强的特点，但不适用于电磁搅拌；金相分析法是目前使用最普遍的方法，但制样过程复杂，耗时，不利于生产实践中的在线检测；热涵法理论依据较强,但对对实验设备和参数控制要求较高。根据半固态金属材料的固相率的大小,可以将半固态浆料划分为“类液”型和“类固”型，“类液”型半固态浆料一般是通过将液态合金进行搅拌并连续冷却至某一半固态温度而获得，在实际生产研究中的半固态浆料绝大多数属于此类。
针对实际生产中的半固态浆料为“类液”型浆料的情况，可以将半固态浆料简化为固液均匀混合模型,根据质量守恒原理：
M=ρ. V =m1+m2= ρ1V1+ρ2V2 （1-1）
其中，M为浆料总质量，ρ位浆料平均密度，V 为浆料总体积，m1、m2分别为浆料中的液相质量和固相质量，ρ1、ρ2分别为液相密度和固相密度，V1、V2分别
对于半固态浆料中的固相体积和液相体积，固相率Q为浆料中的固相体积与浆料总体积之比，即：
Q= V2 / V= V2 /（V1 +V2） （1-2）
超声波在高温介质中传播时，传播速率v与介质密度ρ之间存在函数关系：
v=k .ρ .（a.T2+b.T+c） （1-3）
其中k是与传播介质有关的常数，T为介质温度，a、b、c为热力学系数;且传播速率v=D/t，D为超声波传播距离，t为传播时间。
在金属浆料处于液态区间时，选择四个不同的温度测量超声波的传播速率，计算出系数k、a、b、c；待浆料温度降低至半固态区间T0时，根据（1-3）可以得出该温度下半固态浆料的密度ρ0 。结合（1-1）和（1-2），可以得出该温度下半固态浆料的固相率。
Q0=（ρ0-ρ1）/（ρ2-ρ1）={D/[k .t .（a.T2+b.T+c）]- ρ1}/（ρ2-ρ1） （1-4）。
发明内容
本发明是通过测量超声波在不同介质中的传播时间，得出超声波在金属浆料和坩埚埚体中的传播速率，再依据超声波的传播速率与介质密度的热力学函数关系，计算出金属浆料的密度，从而得出半固态金属浆料的固相率。
本发明的技术方案是通过以下述步骤和方法实现：
装置部分由坩埚、超声波发射器、超声波接收器、支撑槽以及计算机组成。测试开始前，通过位于坩埚上部的超声波装置发射超声波，超声波沿着坩埚壁和气体传播，由于介质密度的差异，在超声波接收端获得的第一组信号即可视为在固态介质（坩埚壁）中的传播信号，再通过位于坩埚中部的超声波装置发射超声波，超声波沿着坩埚壁和浆料传播，由于介质密度的差异，在超声波接收端获得的第二组信号即可视为在液态介质（浆料）中的传播信号，通过两组测量信号，消除超声波的传播路径对实验数据的影响。
消除测试的干扰因素后，在浆料处于液态区间时，通过位于坩埚中部的超声波装置发射和超声波接收装置，测量四组温度条件下超声波沿着浆料传播的速率，计算出与温度和介质有关的系数k、a、b、c；随着温度的下降，浆料温度逐渐进入半固态温度区间，此时通过位于坩埚中部的超声波装置测量超声波在浆料中的传播速率v，计算出该温度下半固态浆料的密度，从而得到半固态浆料的固相率Q。
本发明的益处和效果是：1.通过设置两组超声波发射接收装置，消除了超声波的传播路径对测试数据的干扰；2.考虑了浆料的连续降温过程中温度对超声波传播速率的影响，使得测试获得的数据更准确；3.与目前使用最广泛的金相法测量固相率的方法相比，不需要进行试样制作、抛光、腐蚀、图像观察、统计分析等一系列复杂的过程，实际操作时可以直接通过计算机读出某一半固态温度下浆料的固相率数值，可以进行实时检测；4.不需要对每一种成分的材料建立数据库，也不需要对获得的数据进行回归处理，与其它方法相比，测量更加准确；5.理论上只要保证冷却过程中半固态金属材料浆料的均匀性，就可以进行连续测量。
附图说明
附图1为本发明涉及的一种检测半固态金属浆料固相率的装置示意图。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
步骤一：装置部分由坩埚、超声波发射器、超声波接收器、支撑槽以及计算机组成。测试开始前，在浆料温度处于液相线以上时，打开位于坩埚上部的超声波装置，超声波沿着坩埚壁和气体传播，对超声波接收器获得的信号进行筛选，将接收器接收到的第一组信号作为基准信号。
步骤二：关闭位于坩埚上部的超声波装置，打开位于坩埚中部的超声波装置，发出的超声波沿着坩埚壁和浆料传播，在超声波接收器会收到多组信号，将接收器收到的第一组信号作为对比信号，第二组信号作为数据信号，微调两组超声波装置的相对位置，直到基准信号与对比信号的差值为0。
步骤三：调整完毕后，在液相线以上选择四个温度T1、T2、T3、T4 ，测量得到四组数据信号t1、 t2、 t3、t4，得到超声波在四组温度下沿浆料介质传播的速率v1、v2、v3、v4；此时有：
v1=k .ρ1.（a.T1 2+b.T1+c）；
v2=k .ρ1.（a.T2 2+b.T2+c）；
v3=k .ρ1.（a.T3 2+b.T3+c）；
v4= k .ρ1.（a.T4 2+b.T4+c）；
可以求出系数k、a、b、c；其中ρ1为液态时浆料的密度，可以查表得到。
根据质量守恒原理:M=ρ.V =m1+m2= ρ1.V1+ρ2.V2
其中，M为浆料总质量，ρ位浆料平均密度，V 为浆料总体积，m1、m2分别为浆料中的液相质量和固相质量，ρ1、ρ2分别为液相密度和固相密度，V1、V2 分别为液相体积和固相体积。
步骤四：随着温度下降，浆料温度逐渐进入半固态温度区间，对于半固态浆料，固相率Q为浆料中的固相体积与浆料总体积之比，即：Q= V2 / V= V2 /（V1 +V2），通过位于坩埚中部的超声波装置和与之相连的计算机，筛选出超声波接收器收到的第二组信号数据，得出超声波在浆料中的传播时间t5和传播速率v5，通过计算机将数据T5、v5以及已知的k、a、b、c进行处理，可以得到此时半固态浆料的固相率Q=（ρ0-ρ1）/（ρ2-ρ1）={D/[k .t5 .（a .T5 2+b.T5+c）]- ρ1}/（ρ2-ρ1）。
步骤五：在相应的温度下制备淬火试样，通过金相法计算固相率，并将计算得出的数值与本发明方法计算得出的数值进行比较。
实施例一：在本发明中，选择的金属材料为AZ91D镁合金，ρ2=1820kg/m3,ρ1=1784kg/m3，坩埚中部直径D=146cm，液态温度 T1、T2、T3、T4分别选择655℃、645℃、635℃、625℃，测得的k、a、b、c分别为 2.81*10-3、-2.3*10-3、8.45*10-1、142.3；半固态温度T5选择在590℃，测得t5为3.842x10-4 s，通过计算得出在此温度下半固态金属材料的固相率Q=0.25。
在590℃下制备淬火试样，观察试样的金相组织，并通过金相显微镜拍摄照片，最后通过Image Pro Plus软件进行统计分析，得出该温度下浆料的固相率为0.27；通过两种方法测得的固相率的相对误差为7.4%。
实施例二：半固态温度T5选择在580℃，其它条件同实施例一，测得t5为3.863x10-4 s，通过计算得出在此温度下半固态金属材料的固相率Q=0.42。
同时在该温度下制备试样，观察淬火试样的金相组织，并通过金相显微镜拍设照片，最后通过Image Pro Plus软件进行统计分析，得出该温度下浆料的固相率为0.38；通过两种方法测得的固相率的相对误差为10.5%。
实施例三：半固态温度T5选择在570℃，其它条件同实施例一，测得t5为3.997x10-4 s，通过计算得出在此温度下半固态金属材料的固相率Q=0.55。
同时在该温度下制备试样，观察淬火试样的金相组织，并通过金相显微
镜拍摄照片，最后通过Image Pro Plus软件进行统计分析，得出该温度下的浆料固相率为0.60；通过两种方法测得的固相率的相对误差为8.3%。

Claims (7)

1.一种检测半固态金属材料浆料固相率的装置，其特征在于该装置是由（1）坩埚、（2）超声波发射器、（3）支撑槽、（4）支撑槽、（5）超声波接收器以及（6）计算机组成。
2.（2）超声波发射器与（5）超声波接收器皆有两套，且分别嵌入在（3）支撑槽和（4）支撑槽中, （3）支撑槽和（4）支撑槽连接在（1）坩埚外壁上，（2）超声波发射器和（5）超声波接收器通过配套的传感器与（6）计算机相连。
3.测试开始前,须对金属浆料进行搅拌,保证浆料成分均匀,搅拌速率为4r/s,搅拌时间为10min。
4.测试开始后,先打开位于坩埚上部的超声波发射接收装置,关闭位于坩埚中部的超声波装置,得到第一组信号,然后关闭位于坩埚上部的超声波装置,打开位于坩埚中部的超声波发射接收装置,得到第二组信号,通过两组信号进行调试,减小测试误差。
5.特别地,权利要求1中的（2）超声波发射器和（5）超声波接收器分别嵌入在（3）支撑管和（4）支撑管中且保持水平,（2）超声波发射器和（5）超声波接收器不与坩埚外壁接触且与坩埚外壁保持相同距离。
6.特别地,须在超声波探头上与支撑管腔体内填入高温耦合剂。
7.特别地，两侧的（2）超声波发射器与对应的（5）超声波接收器处在同一高度上，但两套超声波装备分别位于坩埚顶部与中部，且分别位于金属浆料液面以上和液面以下。
CN201811569175.9A 2018-12-21 2018-12-21 一种密度法检测半固态金属浆料固相率的装置及检测方法 Pending CN109632950A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811569175.9A CN109632950A (zh) 2018-12-21 2018-12-21 一种密度法检测半固态金属浆料固相率的装置及检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811569175.9A CN109632950A (zh) 2018-12-21 2018-12-21 一种密度法检测半固态金属浆料固相率的装置及检测方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109632950A true CN109632950A (zh) 2019-04-16

Family

ID=66076207

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811569175.9A Pending CN109632950A (zh) 2018-12-21 2018-12-21 一种密度法检测半固态金属浆料固相率的装置及检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109632950A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04186145A (ja) * 1990-11-21 1992-07-02 Suzuki Motor Corp 固相率と複合化率の測定方法
JPH10197502A (ja) * 1997-01-09 1998-07-31 Sumitomo Metal Ind Ltd 連続鋳造鋳片の中心固相率検出方法
US5831150A (en) * 1995-06-19 1998-11-03 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Determining the size distribution of particles in a fluid
JPH1183814A (ja) * 1997-09-09 1999-03-26 Sumitomo Metal Ind Ltd 鋳片の凝固状態検出方法及びその装置
JP2007083275A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Toyota Motor Corp 金型の制御方法および装置
CN107389798A (zh) * 2017-08-29 2017-11-24 哈尔滨理工大学 利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04186145A (ja) * 1990-11-21 1992-07-02 Suzuki Motor Corp 固相率と複合化率の測定方法
US5831150A (en) * 1995-06-19 1998-11-03 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Determining the size distribution of particles in a fluid
JPH10197502A (ja) * 1997-01-09 1998-07-31 Sumitomo Metal Ind Ltd 連続鋳造鋳片の中心固相率検出方法
JPH1183814A (ja) * 1997-09-09 1999-03-26 Sumitomo Metal Ind Ltd 鋳片の凝固状態検出方法及びその装置
JP2007083275A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Toyota Motor Corp 金型の制御方法および装置
CN107389798A (zh) * 2017-08-29 2017-11-24 哈尔滨理工大学 利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Modern techniques in measuring elasticity of Earth materials at high pressure and high temperature using ultrasonic interferometry in conjunction with synchrotron X-radiation in multi-anvil apparatus
EP3066499B1 (en) Inline rheology/viscosity, density, and flow rate measurement
Zhao et al. On-line measurement of clamping force for injection molding machine using ultrasonic technology
CN107389798B (zh) 利用超声波快速检测金属材料半固态固相分数的装置及方法
CN105841645B (zh) 一种基于电磁超声的测厚方法
CN110284880A (zh) 一种碳酸盐岩酸化蚓孔动态扩展实时监测装置及其工作方法
CN106501294B (zh) 原位检测鹌鹑蛋加热凝固过程中温度点和时间点的方法
CN103592338A (zh) 一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法和装置
CN106959306B (zh) 一种利用微波反射时域s21信号进行乳房肿瘤成像的方法
CN109521079A (zh) 一种多频点材料测试系统及方法
CN114487119B (zh) 一种融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置与方法
CN111157065A (zh) 气体超声流量计超声波信号传输回路中声延时测量方法
CN109632950A (zh) 一种密度法检测半固态金属浆料固相率的装置及检测方法
CN103512956A (zh) 一种超声波在线表征结晶动力学过程的方法和装置
CN105806950B (zh) 利用超声波检测铝基复合材料均匀性及工艺稳定性的方法
CN208026374U (zh) 在流动介质环境中实时测量静态声速的装置
CN109490417A (zh) 一种金属材料平面各项异性超声检测方法
CN109324208A (zh) 一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪
Tsumura et al. Speed of sound in saturated and compressed fluid ethane
CN206710427U (zh) 一种崩解测试用综合分析装置
CN106990021A (zh) 一种滚落式粘度自动测量装置及方法
CN108760875A (zh) 一种便携式带包覆层金属压力管道焊缝定位装置及定位方法
CN212111257U (zh) 一种母乳成分均匀性超声检测装置
CN104849175B (zh) 采用杨氏模量拉伸仪测量棉花类物质密度的方法
CN205958086U (zh) 一种智能活塞体积管检定装置的在线恒温温度标定装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190416

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication