高能脈沖電流對(duì)金屬材料的作用范文

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電流或電場(chǎng)對(duì)材料微結(jié)構(gòu)和性能的影響最初是在上世紀(jì)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(jìn)回復(fù)與再結(jié)晶以及晶粒細(xì)化等方面有著傳統(tǒng)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(shí)輸入較高的熱能和應(yīng)變能，有助于提高原子的遷移速率，從而可改善材料內(nèi)部的微裂紋、孔洞等微觀缺陷。與傳統(tǒng)熱處理相比，高能脈沖電流可在極短時(shí)間內(nèi)提供較高的能量，促使材料在更低的溫度、以更快的方式發(fā)生再結(jié)晶。因此，對(duì)于一些需要通過析出強(qiáng)化相改善性能的金屬材料，可在低于傳統(tǒng)熱處理相變溫度的情況下，以極短的作用時(shí)間促進(jìn)強(qiáng)化相的析出。由此可見，該技術(shù)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(jié)能的特點(diǎn)，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(tǒng)地分析了國(guó)內(nèi)外利用高能脈沖電流對(duì)金屬材料改性處理的研究現(xiàn)狀，并歸納和評(píng)述了各種基于脈沖電流處理的研究進(jìn)展及取得的成果，重點(diǎn)分析了脈沖電流在材料的裂紋愈合、再結(jié)晶、相轉(zhuǎn)變等方面的作用和機(jī)理，指出了高能脈沖電流處理技術(shù)目前存在的不足，并對(duì)其未來發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1高能脈沖電流改性技術(shù)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(fā)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。1959年，F(xiàn)isk和Huntington提出了電子風(fēng)驅(qū)動(dòng)力的概念，為電遷移理論奠定了基礎(chǔ)。Tроицкий［8］于1963年在對(duì)表面涂汞的鋅單晶進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流密度超過一定數(shù)值后，屈服強(qiáng)度驟然下降，塑性增加，表明在一定脈沖電流密度下，且當(dāng)電子移動(dòng)速度超過位錯(cuò)的彈性相速時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電子能量向位錯(cuò)場(chǎng)的傳輸，促使位錯(cuò)發(fā)生移動(dòng)，這就是電致塑性的物理本質(zhì)。1966年，Kравченко等重點(diǎn)研究了電子對(duì)位錯(cuò)移動(dòng)的作用，證明了當(dāng)電流密度超過某一臨界值后，電子的漂移速度將大于位錯(cuò)的移動(dòng)速度，會(huì)對(duì)位錯(cuò)施加一作用力（即電子風(fēng)力），從而促進(jìn)材料中位錯(cuò)的移動(dòng)。上世紀(jì)80年代初期，Conrad等在多晶金屬拉伸試驗(yàn)過程中施加脈沖電流，利用熱激活輔助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)模型合理解釋了脈沖電流對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律；并且，還認(rèn)為除了焦耳熱效應(yīng)之外，短時(shí)間高密度脈沖電流之所以使金屬塑性得到提升，電子風(fēng)力是最關(guān)鍵的因素。此外，對(duì)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(jī)制不同所致。

Stepanov［22］開展了脈沖電流對(duì)TiAl金屬間化合物性能影響的研究，結(jié)果表明，經(jīng)脈沖電流處理后，其力學(xué)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(chǎn)物以及殘余應(yīng)力等的變化解釋了性能改善的原因。國(guó)內(nèi)雖然在脈沖電流改性技術(shù)的研究方面起步較晚，但也取得了較為豐富、創(chuàng)新的成果。上個(gè)世紀(jì)90年代，劉志義等研究了脈沖電流對(duì)2091鋁鋰合金超塑性的影響，證明脈沖電流促進(jìn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)程，并且原子的擴(kuò)散能力得到了大幅度提升，使得空位在晶界處的形成機(jī)率增加，從而使其與原子相互結(jié)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(duì)45號(hào)鋼損傷的恢復(fù)作用，觀察到經(jīng)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(fā)生了變化。這是由于在焦耳熱效應(yīng)的作用下，裂紋處組織可發(fā)生局部熔化或軟化，加之周圍基體由于膨脹程度小，所以產(chǎn)生的熱壓應(yīng)力促進(jìn)了微裂紋的愈合。從2000年開始，姚可夫等發(fā)現(xiàn)合理參數(shù)的脈沖電流可使Fe73．5Cu1Nb3Si13．5B9非晶薄帶在30s內(nèi)基本完成納米晶化，相比于傳統(tǒng)等溫退火，可大幅提高效率。此外，其對(duì)TiAl金屬間化合物進(jìn)行脈沖電流實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，高密度脈沖電流可大幅度提升高溫流變應(yīng)力，并且使屈服強(qiáng)度提升50％以上。唐國(guó)翌等開發(fā)了脈沖電流輔助軋制技術(shù)并開展了相應(yīng)的理論分析，利用該技術(shù)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(xì)化，組織更加均勻。通過分析國(guó)內(nèi)外在脈沖電流對(duì)金屬材料改性方面的研究現(xiàn)狀，表明脈沖電流對(duì)改善材料性能的作用機(jī)理主要表現(xiàn)在裂紋愈合、再結(jié)晶、相轉(zhuǎn)變等方面，因此，文章將從這3個(gè)方面進(jìn)行深入探討，對(duì)取得的成果進(jìn)行歸納、總結(jié)及分析。

2脈沖電流改性技術(shù)機(jī)理方面的研究現(xiàn)狀

2．1裂紋愈合脈沖電流對(duì)金屬材料中微裂紋的愈合相比傳統(tǒng)熱處理具有獨(dú)特的自診斷性，不需要探測(cè)材料內(nèi)部微裂紋的具體位置、大小、形狀等。促進(jìn)裂紋愈合的原因主要有，擴(kuò)散填充、位錯(cuò)填充與熱壓填充。2．1．1擴(kuò)散填充Zhou等［39－40］對(duì)1045鋼通入密度j＝6．4GA／m2的脈沖電流，發(fā)現(xiàn)鋼中原有微裂紋發(fā)生了部分愈合，如圖1所示，且對(duì)裂紋進(jìn)行線掃描發(fā)現(xiàn)有明顯的碳原子富集，但在原始試樣中并未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。由此可見，脈沖電流提高了碳原子的擴(kuò)散能力，且由于碳原子的擴(kuò)散能力大于鐵原子的擴(kuò)散能力，因此出現(xiàn)碳原子的富集現(xiàn)象。為了更準(zhǔn)確的解釋擴(kuò)散機(jī)理，其從電位梯度（dΦ／dx）、溫度梯度（dT／dx）、應(yīng)變梯度（dε／dx）和濃度梯度（dc／dx）方面進(jìn)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(dòng)，并在移動(dòng)過程中碰到空位或微裂紋時(shí)，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(kuò)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(huì)產(chǎn)生熱壓應(yīng)力，使碳原子移動(dòng)至微裂紋處；4）在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，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(kuò)散。由此可見，在上述4個(gè)因素的共同作用下，微裂紋將得到一定程度的愈合。此外，對(duì)斷口SEM照片進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)施加脈沖電流后的試樣斷口出現(xiàn)了類似解理的結(jié)構(gòu)，而原始的試樣內(nèi)未有該現(xiàn)象。認(rèn)為原因是此區(qū)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(xiàn)了解理斷裂的現(xiàn)象，改變了該合金的斷裂方式。

2．1．2位錯(cuò)填充周亦胄通過對(duì)1045鋼裂紋附近顯微結(jié)構(gòu)的觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋兩側(cè)的晶粒出現(xiàn)了波紋狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。認(rèn)為這是由于位錯(cuò)向裂紋處擴(kuò)散造成的，在對(duì)金屬材料通入脈沖電流時(shí)，電能、熱能、壓縮應(yīng)力可以在極短的時(shí)間內(nèi)輸入到金屬材料中，在多種因素作用下，很容易發(fā)生位錯(cuò)滑移和攀移。大量漂移電子會(huì)對(duì)金屬中纏結(jié)的位錯(cuò)發(fā)生強(qiáng)烈撞擊，產(chǎn)生推力使其發(fā)生運(yùn)動(dòng)，即電子風(fēng)力，其表達(dá)式主要有3個(gè)模型。周亦胄通過Conrad提供的數(shù)據(jù)計(jì)算得出45號(hào)鋼中電子風(fēng)力僅有0．1MPa，雖電子風(fēng)力很小，但不同材料（主要是電導(dǎo)率不同）以及不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)（電壓、頻率、脈沖時(shí)間等）計(jì)算得出來的電子風(fēng)力是不同的，不能完全忽略電子風(fēng)力對(duì)原子及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響。通入電流時(shí)，隨即產(chǎn)生電子風(fēng)力，為處于平衡狀態(tài)的原子提供了一定的電能，從而使原子處于高能激活狀態(tài)，為隨后熱效應(yīng)和熱壓應(yīng)力的作用提供了基礎(chǔ)。對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行脈沖電流試驗(yàn)后，宋輝［46］觀察到試樣中位錯(cuò)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(fā)現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)生加工硬化的黃銅施加一定密度的脈沖電流后，金屬內(nèi)部的位錯(cuò)密度明顯降低，位錯(cuò)纏結(jié)現(xiàn)象得到明顯改善，如圖4所示。說明脈沖電流可以使材料內(nèi)部位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)、湮滅，并且由于金屬材料缺陷處有大量的晶格畸變、位錯(cuò)纏結(jié)等現(xiàn)象，使缺陷處產(chǎn)生不均勻的焦耳熱效應(yīng)，加之缺陷處電阻率很高，局部區(qū)域?qū)⒃谒查g產(chǎn)生很高的熱彈壓縮應(yīng)力，此應(yīng)力將促進(jìn)位錯(cuò)向著缺陷處移動(dòng)并最終消失。

2．1．3熱壓填充與傳統(tǒng)熱處理相比，脈沖電流作用時(shí)間很短，通入脈沖電流后由于材料本身電阻將導(dǎo)致焦耳熱效應(yīng)。脈沖電流過程是一個(gè)快速升溫的過程，材料內(nèi)部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即Θ（t）－l（t）≠0，此時(shí)材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱壓應(yīng)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(shí)缺陷處由于熱壓應(yīng)力的產(chǎn)生而處于受壓狀態(tài)。加之缺陷處溫升很高，可能導(dǎo)致局部熔化或軟化，在熱壓應(yīng)力的作用下，對(duì)其愈合也起到了促進(jìn)作用。當(dāng)電流撤走后，之后的降溫過程會(huì)在裂紋處產(chǎn)生拉應(yīng)力，使裂紋反向收縮。但由于電流通入材料時(shí)的溫升速度大于降溫速度，使得壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力，從而，材料中的微裂紋將得到愈合。但是當(dāng)電流密度過大或者裂紋尺寸較大時(shí)，裂紋的愈合效果不明顯，如圖5所示。當(dāng)電流密度過大時(shí)，裂紋周圍出現(xiàn)局部熔化現(xiàn)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(duì)純鈦及鈦合金裂紋愈合作用方面做了大量的研究，在對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)拿}沖電流密度對(duì)TC4鈦合金中微裂紋有良好的治愈作用（如圖6所示），但是當(dāng)電流密度過大時(shí)，增塑效果并不理想。此外，通過對(duì)比圖1和圖6發(fā)現(xiàn)，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(duì)這一現(xiàn)象，周亦胄認(rèn)為，電流在通過裂紋附近區(qū)域時(shí)發(fā)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(qū)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(xiàn)電擊穿現(xiàn)象，該現(xiàn)象對(duì)裂紋的愈合也會(huì)產(chǎn)生一定的積極作用。電擊穿使裂紋處組織發(fā)生破壞，此處的原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在溫度場(chǎng)和熱壓應(yīng)力的作用下，很容易使該處原子發(fā)生移動(dòng)使裂紋愈合。因此，高能脈沖電流對(duì)裂紋愈合的機(jī)理主要是在非熱效應(yīng)（電激活、電致遷移、電子風(fēng)力等）的作用下使原子激活、遷移，從而促進(jìn)位錯(cuò)的移動(dòng)，隨之，在焦耳熱效應(yīng)以及熱膨脹產(chǎn)生的熱壓應(yīng)力作用下，使已經(jīng)產(chǎn)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(xué)性能。

2．2再結(jié)晶在傳統(tǒng)熱處理中，純金屬或合金加熱到一定溫度以后會(huì)發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，進(jìn)而提高了其塑性和韌性。高能脈沖電流技術(shù)不僅可以產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生由電流本身引起的電子風(fēng)力和電致遷移，致使金屬在更低溫度下發(fā)生再結(jié)晶。在脈沖電流導(dǎo)致的合金再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方面，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。

2．2．1位錯(cuò)移動(dòng)傳統(tǒng)的再結(jié)晶理論認(rèn)為位錯(cuò)的攀移和滑移由原子的熱激活狀態(tài)所決定，但是通入脈沖電流后，由電流引起的周期性電子風(fēng)力將位錯(cuò)推至亞晶界，并且該作用力可促進(jìn)原子的擴(kuò)散而引起位錯(cuò)的攀移。因此，脈沖電流可通過加速原子的擴(kuò)散過程促進(jìn)位錯(cuò)的移動(dòng)，加快晶界長(zhǎng)大速度，有利于在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)使金屬發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶［。Jiang等在鎂合金電致塑性軋制的研究中認(rèn)為，在脈沖電流實(shí)驗(yàn)中需要從空位通量的角度考慮位錯(cuò)的移動(dòng)?？瘴煌孔兓脑蛑饕校瑹嵝?yīng)，即焦耳熱效應(yīng)；非熱效應(yīng)，如電子風(fēng)力和電致遷移作用。

2．2．2晶核長(zhǎng)大國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)金屬材料施加脈沖電流處理，獲得了尺寸更細(xì)小、分布更均勻的晶粒。劉志義等在對(duì)2091鋁鋰合金的研究中認(rèn)為，晶核長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是其晶界兩側(cè)儲(chǔ)存能之差，纏結(jié)的位錯(cuò)在熱壓應(yīng)力、脈沖電流產(chǎn)生的切應(yīng)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(jié)晶核心界面處的位錯(cuò)密度，進(jìn)而降低再結(jié)晶核心界面兩側(cè)的能量差，最終導(dǎo)致再結(jié)晶核心長(zhǎng)大速率下降，獲得了尺寸較小的晶粒。很多研究表明，與傳統(tǒng)熱處理相比，脈沖電流處理技術(shù)可使材料在低于理論再結(jié)晶溫度下發(fā)生再結(jié)晶。另外，一般脈沖電流實(shí)驗(yàn)都是在室溫下進(jìn)行，基本為空冷，并且沒有保溫過程，在較高的溫升速度下，會(huì)使材料在極短時(shí)間內(nèi)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(shí)間長(zhǎng)大，最終獲得了較細(xì)的晶粒。此外，Barank在對(duì)Pb－Sn液態(tài)金屬凝固過程中通入脈沖電流后計(jì)算發(fā)現(xiàn)，過冷度增加9℃～15℃，凝固后組織得到了明顯的細(xì)化。李超對(duì)輕合金板材進(jìn)行脈沖電流超塑成型研究中認(rèn)為，再結(jié)晶形核后，晶核的長(zhǎng)大速率由晶界遷移速度決定，其驅(qū)動(dòng)力為形變儲(chǔ)存能，并且隨著晶核的持續(xù)長(zhǎng)大，位錯(cuò)密度降低，晶界總面積減少，導(dǎo)致界面自由能降低，結(jié)合原子通量的表達(dá)式，推導(dǎo)得出了晶核長(zhǎng)大速率計(jì)算公式以及亞晶界長(zhǎng)大速率公式分別。因此，高能脈沖電流通過促進(jìn)原子擴(kuò)散、位錯(cuò)移動(dòng)可加速再結(jié)晶速度、提高再結(jié)晶形核率，并且在長(zhǎng)大過程中，通過降低晶核長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力，可使晶核長(zhǎng)大速率降低。脈沖電流對(duì)材料影響的上述特點(diǎn)是傳統(tǒng)熱處理所不具備的，并且結(jié)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(xiàn)更細(xì)、更均勻晶粒的原因。

2．3相轉(zhuǎn)變Wang等人對(duì)Cu－Zn合金進(jìn)行脈沖電流實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)大量的小尺寸鉛顆粒在晶界處析出，如圖7所示。對(duì)于這一現(xiàn)象，其利用Donlinsky等推導(dǎo)出的通電前后載流導(dǎo)體自由能變化的相關(guān)公式進(jìn)行了很好的解釋，認(rèn)為脈沖電流影響相轉(zhuǎn)變的決定性因素是由于形成新相所造成的系統(tǒng)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(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，研究表明在適當(dāng)?shù)膮?shù)下，高能脈沖電流可以對(duì)材料的增塑、細(xì)化組織、加速相轉(zhuǎn)變等起到良好的效果，該工藝具有的高效、節(jié)能等特點(diǎn)是傳統(tǒng)熱處理所不具備的。但是作為一種新興的材料改性技術(shù)，其目前的研究進(jìn)展存在著一定的局限性，具體如下：1）作用機(jī)理方面：對(duì)脈沖電流改性方面的研究，尤其是電子風(fēng)力對(duì)原子移動(dòng)的作用機(jī)理研究，至今停留在設(shè)想的階段，仍未達(dá)成共識(shí)。2）試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面：為設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)方案，需開發(fā)相關(guān)的模擬軟件，模擬在脈沖電流作用下材料溫升的溫度場(chǎng)和熱壓應(yīng)力場(chǎng)分布，并確定它們之間的關(guān)系。3）工業(yè)化生產(chǎn)方面：目前高能脈沖電流應(yīng)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(yīng)，使作用深度很淺，限制了其應(yīng)用。若要開展大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)并制造出更高功率的設(shè)備是首要解決的問題。4）推廣應(yīng)用方面：目前高能脈沖電流處理技術(shù)已經(jīng)在一些韌性金屬中獲得了應(yīng)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(jī)理方面，還未對(duì)一些需要增韌的新型工程材料開展應(yīng)用研究，如金屬間化合物等，這也是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

作者：陸子川 姜風(fēng)春 程玉潔 果春煥 侯紅亮 劉郢 單位：哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 北京航空制造工程研究所 南京大學(xué) 現(xiàn)代工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院