研究背景液體中多泡空化產(chǎn)生的極端條件是超聲眾多應(yīng)用(如聲化學(xué))的物理基礎(chǔ)。盡管有關(guān)單泡空化的理論和實(shí)驗(yàn)研究已很成熟,但由于多泡動(dòng)力學(xué)及其潰滅機(jī)制十分復(fù)雜,借助數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)手段描述多泡空化面臨巨大的挑戰(zhàn)。有研究者采用HYADES爆炸流體動(dòng)力學(xué)程序?qū)⒖栈萑耗M成球?qū)ΨQ空化泡并算得30 MPa靜水壓力下空化泡崩潰產(chǎn)生的中心壓力和溫度分別可達(dá)4,400 GPa和200,000 K,比20 MPa下高出一個(gè)數(shù)量級(jí),證明高靜水壓有利于強(qiáng)空化的實(shí)現(xiàn),但仍無法解釋高靜水壓下多泡空化過程的復(fù)雜物理機(jī)制。前期研究發(fā)現(xiàn)10 MPa靜水壓下的強(qiáng)空化可使直徑0.2 mm的鎢絲(熔點(diǎn)3410℃,屈服強(qiáng)度1GPa)在0.1 s內(nèi)斷裂,此發(fā)現(xiàn)提示一種新的材料失效形式,有望提供一種新的材料制備及表征方法,同時(shí)為通過材料失效反演研究高靜水壓下多泡空化的物理機(jī)制提供一種途徑,值得進(jìn)一步研究。目的通過研究不同靜水壓力和驅(qū)動(dòng)功率下聚焦聲場中焦點(diǎn)區(qū)域的聲空化導(dǎo)致鎢絲斷裂的過程及斷口形貌特征明確鎢絲斷裂的微觀機(jī)制。對(duì)比不同熔點(diǎn)、硬度金屬材料在10 MPa靜水壓力、2 k W驅(qū)動(dòng)功率下的空化損傷情況,以期反演推測空化泡群崩潰產(chǎn)生的極端條件。方法1.不同靜水壓力和驅(qū)動(dòng)功率下聲空化致鎢絲斷裂的研究分別通過激光共聚焦顯微鏡(Confocal Scanning Laser Microscope,CSLM)和電子背向散射衍射(Electron Back Scattered Diffraction,EBSD)技術(shù)觀察直徑0.2 mm鎢絲側(cè)面、軋面的顯微組織結(jié)構(gòu)及晶粒取向,明確鎢絲的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征,通過拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和拉-拉疲勞試驗(yàn)研究鎢絲在常溫、常壓下的力學(xué)性能。在氧容量0.8 mg/L的介質(zhì)水中,采用頻率0.6 MHz、內(nèi)徑500 mm、孔徑高度474 mm的兩端開口的球形腔換能器,在不同的靜水壓力(0.1MPa、5 MPa、10 MPa)和驅(qū)動(dòng)功率(0.5 k W、1 k W、2 k W)下,使用數(shù)碼相機(jī)和電子倍增電荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices,EMCCD)分別觀察聚焦聲場中的多泡分布和多泡聲致發(fā)光(Multi-bubble Sonoluminescence,MBSL),并利用多泡聲致發(fā)光的光強(qiáng)度表征空化強(qiáng)度。通過高速攝像系統(tǒng)記錄焦點(diǎn)區(qū)域直徑0.2 mm鎢絲發(fā)生斷裂的過程,探究鎢絲斷裂時(shí)間與空化強(qiáng)度之間的關(guān)系;在每組鎢絲平均斷裂時(shí)間范圍內(nèi)按照一定的時(shí)間間隔分別選擇三個(gè)時(shí)間點(diǎn)(5 MPa,1 k W:1s,2 s,3 s;10 MPa,1 k W:0.1 s,0.3 s,0.5 s;10 MPa,2 k W:0.05 s,0.1 s,0.15 s)對(duì)鎢絲進(jìn)行空蝕處理。從宏觀和微觀的角度對(duì)比分析四類鎢絲斷口的形貌特征,并結(jié)合不同斷裂階段鎢絲表面損傷微觀形貌變化闡釋鎢絲在聲空化作用下斷裂的微觀機(jī)制。2.不同熔點(diǎn)、硬度的鋁、銅、鎳在強(qiáng)空化作用下的損傷情況采用鋁、銅、鎳三種不同熔點(diǎn)的金屬作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過熱處理工藝制備不同硬度的銅片和鎳片,并對(duì)其進(jìn)行表面磨拋處理。本章采用的換能器和脫氣水參數(shù)與第一章相同。在10 MPa靜水壓力和2 k W驅(qū)動(dòng)功率下,通過高速攝像系統(tǒng)記錄超聲輻照1 s期間三種金屬表面的空化損傷過程。選擇硬度相近的銅和鎳在相同的空化條件下分別處理0.5 s、1 s、2s,借助CSLM測量空蝕坑的直徑和深度,分析金屬材料的熔點(diǎn)、硬度及超聲輻照時(shí)間對(duì)空化損傷程度的影響。在場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscope,FESEM)下觀察鋁、銅、鎳表面凹坑的微觀形貌,推測10 MPa靜水壓力、2 k W驅(qū)動(dòng)功率下空化泡群崩潰產(chǎn)生的有效瞬態(tài)溫度。結(jié)果1.常溫、常壓下鎢絲的斷裂研究金相檢測結(jié)果表明鎢絲由長而窄的纖維組成,EBSD顯示鎢絲內(nèi)部晶粒存在明顯的絲織構(gòu)現(xiàn)象。直徑0.2 mm鎢絲的平均屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別約為1280 MPa、2625 MPa、1584 MPa。鎢絲的拉-拉疲勞壽命大于106,屬于高應(yīng)力高周疲勞。斷口分析結(jié)果表明,鎢絲的拉伸與剪切斷裂屬于穿晶解理斷裂,疲勞斷口存在典型的三區(qū)結(jié)構(gòu),即疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)。2.不同靜水壓力和驅(qū)動(dòng)功率下聲空化致鎢絲斷裂的研究當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率一定時(shí),隨著靜水壓力的增加,空化泡群的活動(dòng)范圍逐漸減小,多泡聲致發(fā)光的強(qiáng)度逐漸增加;當(dāng)靜水壓力一定時(shí),隨著驅(qū)動(dòng)功率的增加,空化泡群的活動(dòng)范圍略有增加,驅(qū)動(dòng)功率對(duì)提高發(fā)光強(qiáng)度的貢獻(xiàn)小于靜水壓力。10 MPa靜水壓力、2 k W驅(qū)動(dòng)功率下的瞬態(tài)空化可使鎢絲在0.1 s內(nèi)發(fā)生斷裂,且靜水壓力/驅(qū)動(dòng)功率越高,鎢絲的斷裂時(shí)間越短。鎢絲在超聲空化作用下產(chǎn)生的斷口存在明顯的分層現(xiàn)象,按照裂紋的擴(kuò)展方向,大致分為三個(gè)區(qū)域:纖維劈裂區(qū)、混合斷裂區(qū)及拉伸斷裂區(qū)。斷裂時(shí)間不同的鎢絲斷口形貌各異,斷裂時(shí)間越短,纖維劈裂區(qū)占比越大。值得注意的是,10 MPa靜水壓下,鎢絲的束狀纖維斷面形似“球”形或“花”狀,存在軟化現(xiàn)象。不同斷裂階段鎢絲表面損傷的微觀形貌變化提示隨著靜水壓力/驅(qū)動(dòng)功率的提高,損傷范圍逐漸減小,損傷速度逐漸加快。超聲輻照時(shí)間越長,損傷區(qū)域兩端纖維越多,損傷區(qū)域中部侵蝕程度越嚴(yán)重。3.不同熔點(diǎn)、硬度的鋁、銅、鎳在強(qiáng)空化作用下的損傷情況不同熔點(diǎn)、硬度的鋁、銅、鎳在10 MPa靜水壓力和2 k W驅(qū)動(dòng)功率下的空化損傷結(jié)果顯示:銅和鎳表面蝕坑的徑深比分別為2.2~3.2和1.7~2.6;同一金屬,超聲輻照時(shí)間越長,空蝕坑的深度越大,銅、鎳表面凹坑深度與輻照時(shí)間的擬合直線基本平行;同種金屬,坑深隨硬度的增加而減小;相似硬度的不同金屬,熔點(diǎn)越低,坑深越大。此外,在掃描電子顯微鏡下觀察三種金屬的損傷區(qū)域均由大小不等的“杯狀”微坑構(gòu)成,晶粒表面存在明顯的熔融現(xiàn)象,熔融深度及程度隨金屬熔點(diǎn)的增加而降低。結(jié)論隨著靜水壓力和驅(qū)動(dòng)功率的增加,焦點(diǎn)區(qū)域的空化強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。鎢絲的斷裂時(shí)間與空化強(qiáng)度成反比。鎢絲斷裂的可能機(jī)制:空化泡非球形坍縮形成指向鎢絲表面的微射流,導(dǎo)致鎢絲表面撕裂;裂紋沿鎢絲徑向與軸向同時(shí)擴(kuò)展,空化強(qiáng)度越高,裂紋越趨于徑向擴(kuò)展(即穿晶斷裂),軸向裂紋擴(kuò)展路徑越短(主要為晶間斷裂)。此外,金屬材料的空蝕程度與其熔點(diǎn)、硬度成反比,與超聲輻照時(shí)間呈線性正相關(guān),推測10 MPa、2 k W下強(qiáng)空化產(chǎn)生的有效瞬態(tài)溫度高于1453℃。
【學(xué)位單位】：重慶醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB55;TG111
【部分圖文】：

重慶醫(yī)科大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文照一定的時(shí)間間隔在每組鎢絲的平均斷裂時(shí)間范圍內(nèi)分別選擇三個(gè)時(shí)間點(diǎn)（Pa, 1 kW: 1 s, 2 s, 3 s; 10 MPa, 1 kW: 0.1 s, 0.3 s, 0.5 s; 10 MPa, 2 kW: 0.05 s, 0.1.15 s）對(duì)鎢絲進(jìn)行空蝕處理；（8）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，收集失效鎢絲樣品，為防止樣品污染和氧化，所有樣品的部位表面均涂覆醋酸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7% ~ 8%的丙酮溶液，置于干燥器中保存直接浸于無水酒精中保存。

圖 1.2 鎢絲的(a)側(cè)面與(b)截面顯微組織，以及(c)纖維寬度分布Fig. 1.2 The profile (a), section (b) microstructure and (c) width distribution oftungsten wire fibers圖 1.3 所示為鎢絲的側(cè)面及截面的 EBSD 取向成像圖，從圖 1.3(a)可以看到，鎢絲纖維內(nèi)部的條形胞彼此平行，纖維界鋸齒化明顯。圖 1.3(a)中基體取向差較大的再結(jié)晶晶粒在圖 1.3(b)中晶向仍與絲軸平行或接近，存在明顯的絲織構(gòu)特征。

圖 1.2 鎢絲的(a)側(cè)面與(b)截面顯微組織，以及(c)纖維寬度分布ig. 1.2 The profile (a), section (b) microstructure and (c) width distributiontungsten wire fibers1.3 所示為鎢絲的側(cè)面及截面的 EBSD 取向成像圖，從圖 1.3(a)可內(nèi)部的條形胞彼此平行，纖維界鋸齒化明顯。圖 1.3(a)中基體取晶粒在圖 1.3(b)中晶向仍與絲軸平行或接近，存在明顯的絲織構(gòu)
【參考文獻(xiàn)】

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