本站小編為你精心準備了高能脈沖電流對金屬材料的作用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

電流或電場對材料微結構和性能的影響最初是在上世紀60年代引起人們重視。近年來的研究表明，高能脈沖電流在提升材料塑性、促進回復與再結晶以及晶粒細化等方面有著傳統熱處理不可替代的作用。此外，由于高能脈沖電流可向金屬材料同時輸入較高的熱能和應變能，有助于提高原子的遷移速率，從而可改善材料內部的微裂紋、孔洞等微觀缺陷。與傳統熱處理相比，高能脈沖電流可在極短時間內提供較高的能量，促使材料在更低的溫度、以更快的方式發生再結晶。因此，對于一些需要通過析出強化相改善性能的金屬材料，可在低于傳統熱處理相變溫度的情況下，以極短的作用時間促進強化相的析出。由此可見，該技術已成為改善材料組織和性能行之有效的方法，并因其具有高效、節能的特點，在材料制備、加工成型、后期處理等方面越來越受到重視。本文系統地分析了國內外利用高能脈沖電流對金屬材料改性處理的研究現狀，并歸納和評述了各種基于脈沖電流處理的研究進展及取得的成果，重點分析了脈沖電流在材料的裂紋愈合、再結晶、相轉變等方面的作用和機理，指出了高能脈沖電流處理技術目前存在的不足，并對其未來發展的趨勢進行了展望。

1高能脈沖電流改性技術的研究狀況

1861年，Geradin等［4－5］首次在鉛－錫、汞－鈉的熔融合金中觀察到了原子在電流作用下發生運動的現象。1959年，Fisk和Huntington提出了電子風驅動力的概念，為電遷移理論奠定了基礎。Tроицкий［8］于1963年在對表面涂汞的鋅單晶進行研究時發現，當電流密度超過一定數值后，屈服強度驟然下降，塑性增加，表明在一定脈沖電流密度下，且當電子移動速度超過位錯的彈性相速時，將會產生電子能量向位錯場的傳輸，促使位錯發生移動，這就是電致塑性的物理本質。1966年，Kравченко等重點研究了電子對位錯移動的作用，證明了當電流密度超過某一臨界值后，電子的漂移速度將大于位錯的移動速度，會對位錯施加一作用力（即電子風力），從而促進材料中位錯的移動。上世紀80年代初期，Conrad等在多晶金屬拉伸試驗過程中施加脈沖電流，利用熱激活輔助位錯運動模型合理解釋了脈沖電流對材料力學性能的影響規律；并且，還認為除了焦耳熱效應之外，短時間高密度脈沖電流之所以使金屬塑性得到提升，電子風力是最關鍵的因素。此外，對不同材料通入高密度脈沖電流之后，塑性變化的巨大差異是由不同材料的變形機制不同所致。

Stepanov［22］開展了脈沖電流對TiAl金屬間化合物性能影響的研究，結果表明，經脈沖電流處理后，其力學性能得到了明顯的改善，并通過研究金屬間化合物的孔隙率、相變產物以及殘余應力等的變化解釋了性能改善的原因。國內雖然在脈沖電流改性技術的研究方面起步較晚，但也取得了較為豐富、創新的成果。上個世紀90年代，劉志義等研究了脈沖電流對2091鋁鋰合金超塑性的影響，證明脈沖電流促進了動態再結晶的進程，并且原子的擴散能力得到了大幅度提升，使得空位在晶界處的形成機率增加，從而使其與原子相互結合的幾率增加，甚至改善了合金的斷裂模式。90年代末，周亦胄等研究了脈沖電流對45號鋼損傷的恢復作用，觀察到經過脈沖電流處理，鋼中的微裂紋可得到愈合，并且裂紋周圍的組織發生了變化。這是由于在焦耳熱效應的作用下，裂紋處組織可發生局部熔化或軟化，加之周圍基體由于膨脹程度小，所以產生的熱壓應力促進了微裂紋的愈合。從2000年開始，姚可夫等發現合理參數的脈沖電流可使Fe73．5Cu1Nb3Si13．5B9非晶薄帶在30s內基本完成納米晶化，相比于傳統等溫退火，可大幅提高效率。此外，其對TiAl金屬間化合物進行脈沖電流實驗時發現，高密度脈沖電流可大幅度提升高溫流變應力，并且使屈服強度提升50％以上。唐國翌等開發了脈沖電流輔助軋制技術并開展了相應的理論分析，利用該技術軋制出來的輕合金板材具有較高的塑性，并且晶粒得到了細化，組織更加均勻。通過分析國內外在脈沖電流對金屬材料改性方面的研究現狀，表明脈沖電流對改善材料性能的作用機理主要表現在裂紋愈合、再結晶、相轉變等方面，因此，文章將從這3個方面進行深入探討，對取得的成果進行歸納、總結及分析。

2脈沖電流改性技術機理方面的研究現狀

2．1裂紋愈合脈沖電流對金屬材料中微裂紋的愈合相比傳統熱處理具有獨特的自診斷性，不需要探測材料內部微裂紋的具體位置、大小、形狀等。促進裂紋愈合的原因主要有，擴散填充、位錯填充與熱壓填充。2．1．1擴散填充Zhou等［39－40］對1045鋼通入密度j＝6．4GA／m2的脈沖電流，發現鋼中原有微裂紋發生了部分愈合，如圖1所示，且對裂紋進行線掃描發現有明顯的碳原子富集，但在原始試樣中并未發現此現象。由此可見，脈沖電流提高了碳原子的擴散能力，且由于碳原子的擴散能力大于鐵原子的擴散能力，因此出現碳原子的富集現象。為了更準確的解釋擴散機理，其從電位梯度（dΦ／dx）、溫度梯度（dT／dx）、應變梯度（dε／dx）和濃度梯度（dc／dx）方面進行了充分說明，1）碳原子在電位梯度的作用下將由高電位向低電位移動，并在移動過程中碰到空位或微裂紋時，留在其中；2）由于裂紋等缺陷處的電阻大于未損傷基體，碳原子將在溫度差的作用下擴散到裂紋處；3）缺陷處由于溫升的作用引起的熱膨脹大于基體處，因此會產生熱壓應力，使碳原子移動至微裂紋處；4）在實驗開始時，裂紋處碳原子含量較少，在濃度差的作用下，碳原子向裂紋處擴散。由此可見，在上述4個因素的共同作用下，微裂紋將得到一定程度的愈合。此外，對斷口SEM照片進行分析，發現施加脈沖電流后的試樣斷口出現了類似解理的結構，而原始的試樣內未有該現象。認為原因是此區域原有的微裂紋在脈沖電流的作用下得到了愈合，加之大量的碳原子在該處富集，從而出現了解理斷裂的現象，改變了該合金的斷裂方式。

2．1．2位錯填充周亦胄通過對1045鋼裂紋附近顯微結構的觀察，發現裂紋兩側的晶粒出現了波紋狀結構，如圖2所示。認為這是由于位錯向裂紋處擴散造成的，在對金屬材料通入脈沖電流時，電能、熱能、壓縮應力可以在極短的時間內輸入到金屬材料中，在多種因素作用下，很容易發生位錯滑移和攀移。大量漂移電子會對金屬中纏結的位錯發生強烈撞擊，產生推力使其發生運動，即電子風力，其表達式主要有3個模型。周亦胄通過Conrad提供的數據計算得出45號鋼中電子風力僅有0．1MPa，雖電子風力很小，但不同材料（主要是電導率不同）以及不同的實驗參數（電壓、頻率、脈沖時間等）計算得出來的電子風力是不同的，不能完全忽略電子風力對原子及位錯運動的影響。通入電流時，隨即產生電子風力，為處于平衡狀態的原子提供了一定的電能，從而使原子處于高能激活狀態，為隨后熱效應和熱壓應力的作用提供了基礎。對TC4鈦合金進行脈沖電流試驗后，宋輝［46］觀察到試樣中位錯密度明顯降低，且分布更加均勻、平直，如圖3所示。此外，He等發現，對產生加工硬化的黃銅施加一定密度的脈沖電流后，金屬內部的位錯密度明顯降低，位錯纏結現象得到明顯改善，如圖4所示。說明脈沖電流可以使材料內部位錯發生運動、湮滅，并且由于金屬材料缺陷處有大量的晶格畸變、位錯纏結等現象，使缺陷處產生不均勻的焦耳熱效應，加之缺陷處電阻率很高，局部區域將在瞬間產生很高的熱彈壓縮應力，此應力將促進位錯向著缺陷處移動并最終消失。

2．1．3熱壓填充與傳統熱處理相比，脈沖電流作用時間很短，通入脈沖電流后由于材料本身電阻將導致焦耳熱效應。脈沖電流過程是一個快速升溫的過程，材料內部處于不穩定狀態，即Θ（t）－l（t）≠0，此時材料內部會產生熱壓應力。由于微裂紋、孔洞等缺陷處的電阻值大于周圍基體，所以溫升較高，并且由式（3）可知，此時缺陷處由于熱壓應力的產生而處于受壓狀態。加之缺陷處溫升很高，可能導致局部熔化或軟化，在熱壓應力的作用下，對其愈合也起到了促進作用。當電流撤走后，之后的降溫過程會在裂紋處產生拉應力，使裂紋反向收縮。但由于電流通入材料時的溫升速度大于降溫速度，使得壓應力大于拉應力，從而，材料中的微裂紋將得到愈合。但是當電流密度過大或者裂紋尺寸較大時，裂紋的愈合效果不明顯，如圖5所示。當電流密度過大時，裂紋周圍出現局部熔化現象，在熔化處形成孔洞，并且其尺寸大于裂紋的寬度，因此不利于裂紋愈合。宋輝等在脈沖電流對純鈦及鈦合金裂紋愈合作用方面做了大量的研究，在對TC4鈦合金進行研究時發現，適當的脈沖電流密度對TC4鈦合金中微裂紋有良好的治愈作用（如圖6所示），但是當電流密度過大時，增塑效果并不理想。此外，通過對比圖1和圖6發現，脈沖電流通過試樣后，裂紋尖端愈合程度最大，裂紋中間部位則愈合程度較低，只是減小了裂紋寬度或部分愈合。對這一現象，周亦胄認為，電流在通過裂紋附近區域時發生繞流，裂紋尖端電流密度最大，裂紋中間處電流密度最小，在鄰近裂紋尖端的區域，電流可以通過基體，從而可以使尖端處得到很好的愈合。此外，研究表明在施加脈沖電流過程中，容易出現電擊穿現象，該現象對裂紋的愈合也會產生一定的積極作用。電擊穿使裂紋處組織發生破壞，此處的原子處于不穩定狀態，在溫度場和熱壓應力的作用下，很容易使該處原子發生移動使裂紋愈合。因此，高能脈沖電流對裂紋愈合的機理主要是在非熱效應（電激活、電致遷移、電子風力等）的作用下使原子激活、遷移，從而促進位錯的移動，隨之，在焦耳熱效應以及熱膨脹產生的熱壓應力作用下，使已經產生局部熔化或軟化的微裂紋得以愈合，從而改善金屬材料的力學性能。

2．2再結晶在傳統熱處理中，純金屬或合金加熱到一定溫度以后會發生回復和再結晶，進而提高了其塑性和韌性。高能脈沖電流技術不僅可以產生焦耳熱效應，還會產生由電流本身引起的電子風力和電致遷移，致使金屬在更低溫度下發生再結晶。在脈沖電流導致的合金再結晶動力學方面，相關學者進行了深入系統的研究。

2．2．1位錯移動傳統的再結晶理論認為位錯的攀移和滑移由原子的熱激活狀態所決定，但是通入脈沖電流后，由電流引起的周期性電子風力將位錯推至亞晶界，并且該作用力可促進原子的擴散而引起位錯的攀移。因此，脈沖電流可通過加速原子的擴散過程促進位錯的移動，加快晶界長大速度，有利于在較低溫度和較短時間內使金屬發生回復與再結晶［。Jiang等在鎂合金電致塑性軋制的研究中認為，在脈沖電流實驗中需要從空位通量的角度考慮位錯的移動。空位通量變化的原因主要有，熱效應，即焦耳熱效應；非熱效應，如電子風力和電致遷移作用。

2．2．2晶核長大國內外學者通過對金屬材料施加脈沖電流處理，獲得了尺寸更細小、分布更均勻的晶粒。劉志義等在對2091鋁鋰合金的研究中認為，晶核長大的驅動力是其晶界兩側儲存能之差，纏結的位錯在熱壓應力、脈沖電流產生的切應力以及空位流作用下，可獲得足夠能量攀移到晶界處，從而減少再結晶核心界面處的位錯密度，進而降低再結晶核心界面兩側的能量差，最終導致再結晶核心長大速率下降，獲得了尺寸較小的晶粒。很多研究表明，與傳統熱處理相比，脈沖電流處理技術可使材料在低于理論再結晶溫度下發生再結晶。另外，一般脈沖電流實驗都是在室溫下進行，基本為空冷，并且沒有保溫過程，在較高的溫升速度下，會使材料在極短時間內獲得足夠能量大大增加形核率，且由于冷卻速度較快，晶粒沒有充足的時間長大，最終獲得了較細的晶粒。此外，Barank在對Pb－Sn液態金屬凝固過程中通入脈沖電流后計算發現，過冷度增加9℃～15℃，凝固后組織得到了明顯的細化。李超對輕合金板材進行脈沖電流超塑成型研究中認為，再結晶形核后，晶核的長大速率由晶界遷移速度決定，其驅動力為形變儲存能，并且隨著晶核的持續長大，位錯密度降低，晶界總面積減少，導致界面自由能降低，結合原子通量的表達式，推導得出了晶核長大速率計算公式以及亞晶界長大速率公式分別。因此，高能脈沖電流通過促進原子擴散、位錯移動可加速再結晶速度、提高再結晶形核率，并且在長大過程中，通過降低晶核長大驅動力，可使晶核長大速率降低。脈沖電流對材料影響的上述特點是傳統熱處理所不具備的，并且結合較快的降溫速度，可以很好地解釋施加脈沖電流后，材料中出現更細、更均勻晶粒的原因。

2．3相轉變Wang等人對Cu－Zn合金進行脈沖電流實驗后發現大量的小尺寸鉛顆粒在晶界處析出，如圖7所示。對于這一現象，其利用Donlinsky等推導出的通電前后載流導體自由能變化的相關公式進行了很好的解釋，認為脈沖電流影響相轉變的決定性因素是由于形成新相所造成的系統自由能Wf的變化。

3展望

脈沖電流在金屬材料的制備及性能改善等方面經歷了半個多世紀的發展，研究表明在適當的參數下，高能脈沖電流可以對材料的增塑、細化組織、加速相轉變等起到良好的效果，該工藝具有的高效、節能等特點是傳統熱處理所不具備的。但是作為一種新興的材料改性技術，其目前的研究進展存在著一定的局限性，具體如下：1）作用機理方面：對脈沖電流改性方面的研究，尤其是電子風力對原子移動的作用機理研究，至今停留在設想的階段，仍未達成共識。2）試驗設計方面：為設計合理的試驗方案，需開發相關的模擬軟件，模擬在脈沖電流作用下材料溫升的溫度場和熱壓應力場分布，并確定它們之間的關系。3）工業化生產方面：目前高能脈沖電流應用，主要集中在電致塑性拉拔、電致塑性軋制等方面，由于存在集膚效應，使作用深度很淺，限制了其應用。若要開展大規模的工業化生產，設計并制造出更高功率的設備是首要解決的問題。4）推廣應用方面：目前高能脈沖電流處理技術已經在一些韌性金屬中獲得了應用，而工程上最迫切需要增韌處理的是一些本征脆性材料。但這方面的研究較少，已有的研究只是停留在作用機理方面，還未對一些需要增韌的新型工程材料開展應用研究，如金屬間化合物等，這也是下一步研究的重點內容之一。

作者：陸子川 姜風春 程玉潔 果春煥 侯紅亮 劉郢 單位：哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院 北京航空制造工程研究所 南京大學 現代工程和應用科學學院