电流在金属凝固过程中的应用汇总
金属凝固组织的细化方法和机理-脉冲电场
In the case of Mode III, the area of coarse columnar crystal tends to be reduced while the region of the equiaxed grains expanded more widely than that with Modes I and II. The area fraction of fine grains in Mode III was achieved to 65.6%.
To evaluate the refining efficiency by different ECP modes, the area fraction of fine grains in all slices were measured. As shown in the picture, the boundaries of the fine equiaxed zone and the whole longitudinal section were sketched firstly, then accounting their area S1 and S0 by software. As a result, the area fraction P could be obtained(P = S1/S0).
• （2）对一个固液共存的凝固体系,固相金属的电 阻率远小于同材料液体电阻率,故电流优先通过固 相体系,因而固相体系产生的焦耳热效应远大于液 相,这就可能导致固相重熔现象发生,降低了固液界 面温度梯度,从而导致凝固体体系接近同时凝固,结 晶出比较均匀的凝固组织。
流体力学在金属材料成型中的应用研究
流体力学在金属材料成型中的应用研究
引言
流体力学是一门研究流体静力学和流体动力学的学科，通过对流体的运动和力学性质的研究，可以对金属材料成型过程中的流体行为进行深入分析和研究。金属材料成型是制造业中的关键工艺之一，了解其形变行为对提高成品的质量和加工效率具有重要意义。本文将介绍流体力学在金属材料成型中的应用研究，包括金属材料成型的基本原理、流体力学的基本理论以及其在金属材料成型中的应用案例。
金属材料的成型原理
金属材料的成型是指通过对金属材料进行加工，改变其形状、大小和性能的过程。根据材料以及制造工艺的不同，金属材料成型可以分为压力成型和非压力成型两大类。
压力成型是指将金属材料置于模具中，在施加一定压力的作用下，使其产生塑性变形，从而得到所需的形状。常见的压力成型工艺有锻造、挤压、轧制等。
非压力成型是指将金属材料通过熔化、凝固、结晶等方式实现形状改变。常见的非压力成型工艺有铸造、熔模铸造、凝固等。
无论是压力成型还是非压力成型，都离不开流体的运动行为。因此，流体力学的应用在金属材料成型中具有重要意义。
流体力学的基本理论
流体静力学
流体静力学研究不可压缩流体在静止状态下的力学性质。不可压缩流体满足以下基本方程：
•连续性方程：$\ abla \\cdot \\mathbf{v} = 0$
•动量方程：$\\rho \\mathbf{v} \\cdot \ abla \\mathbf{v} = - \ abla p + \\mu \ abla^2 \\mathbf{v}$
•状态方程：$p = p(\\rho)$
电焊机工作原理解析电弧焊接中的熔化和凝固过程
电焊机工作原理解析电弧焊接中的熔化和凝
固过程
电焊是一种常见的金属连接方法，在制造业和建筑行业中广泛使用。而电焊机正是实现电焊的关键设备。本文将对电焊机的工作原理以及
电弧焊接中的熔化和凝固过程进行解析。
一、电焊机的工作原理
电焊机是通过将电能转化为热能，从而产生高温的电弧，通过熔化
金属来实现金属的连接。电焊机主要由变压器、整流器和电焊枪组成。
1. 变压器
电焊机的变压器起到将输入的交流电能转化为所需的焊接电流的作用。变压器主要由铁心和绕组组成，根据需求可以有多个绕组。通过
调整绕组的数量和排列方式，可以在不同的电压和电流情况下进行焊接。
2. 整流器
整流器的作用是将交流电转化为直流电。具体来说，整流器将电流
的方向改变，从而将交流变为单向流动的直流。这是因为电焊的过程
中需要稳定的直流电流来产生稳定的电弧。
3. 电焊枪
电焊枪是焊接过程中的核心部件，通过电流的输出和电弧的形成来
实现焊接。电焊枪包含一个电极和一个工件夹持器。电极通常是由易
熔金属制成，如钨或钨合金，以承受高温。当电流通过电极和工件之间的接触点时，会产生高温的电弧，从而使工件熔化。
二、电弧焊接中的熔化和凝固过程
电弧焊接是一种通过高温电弧的熔化作用将金属连接在一起的焊接方法。在电弧焊接过程中，金属经历了熔化和凝固的过程。
1. 熔化过程
熔化是焊接中最关键的过程，其通过高温电弧的能量将工件的金属部分迅速加热至熔点以上，从而使金属熔化。熔化过程中，电弧的高温会使金属原子脱离原子团聚并变为易流动的熔池。同时，熔池中的电子也处于充分激发的状态，有利于形成稳定的电弧。
电流处理细化纯铝凝固组织的研究
［ 摘
要］ 介绍 了一种改善金属凝 固组织的外场处理新方法一 电流处理方法。研究 了液态下施加直流电
流和脉冲电流对工业纯铝凝 固组织的影响。结果表 明， 该方法可以细化纯铝的凝 固组织， 使粗 大的柱状 晶变
为细小的等轴晶； 处理参数不 同， 对铝锭的宏观组织细化程度 不同。
（ 关键词］ 电流处理 ； 纯铝 ； 固组织 凝
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第 ４期 第 ２ 卷 ７
有 色 冶 金 设 计 与 研 究
２ ０ 笠 ０６ ８ 月
电流处理细化纯铝凝固组织的研究
崔 衡 ， 大强， 苍 宗燕兵 ， 李玲珍 ， 琳 陈
（ 京科 技大 学冶金 与生 态 工程 学 院 ， 北 北京 １０ ８ ） ０ ０３
（ｃｏｌ ｆ ｅａｕｇ ａ ａｄＥ ｏｏｉ ｌ ｎ ｉ ｅ ｎ， ｎｖｒｉ ｆ ｃｅｃ ｎ ｅ ｈｏｏｙＢ ｉｎ ， ｅｉｇ１０ ８ ， ｈｎ） Ｓ ｈｏ ｏ ｔ ｌｒｉ ｌ ｎ ｃｌｇ ａ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ Ｕ ｉ ｓｙｏ ｉ ｅａｄＴ ｃ ｎｌｇ ｅ ｉｇ Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ Ｃ ｉａ Ｍ ｌ ｃ ｃ ｎ ｉ ｅ ｔ Ｓ ｎ ｊ ｊ
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电、磁场对金属凝固组织的影响及应用
会产生一系列效应 ： 电传输效应 、 焦耳热效应 、ｅｉ Ｐｈ— ｅ 效 应 和起伏 效应 。通 常施 加 的电场有 直流 电场 和 ｒ 脉 冲电场 两种 。
１ １ 直 流 电 场 ．
２ 世纪 ６ 年代 ， ｓ 等 发现 ｓ — ｂ合金在 ０ ０ Ａａ ｉ ｎ ｓ
Ｉ ｈ ｒｉｌ ，ｔ ｅ ｅｆｃ ｆ ａ ｉ ｕ ｌｃ ｒ ｎ ｇ ｅ ｉ ｆ ｌ ｓｏ ｈ ｏ ｉｉ ｃ ｔ ｎ ｃ ｎ ｔ ｃｉ ｎ ｏ ｔｌ ｒ ｒ ｓ ｎｅ ｎ ｅ ｒｐ ｉｃ － ｎ ｔ ｅ ａ ｔ ｅ ｈ ｆ ｔ ｒ ｓｅｅ ｔｉ ａ ｄ ｍａ ｎ ｔ ｅｄ ｎ ｔ ｅ ｓ ｌ ｆ ａ ｉ ｏ ｓ ｕ ｔ ｆｍｅａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔｄ ａ ｄ ｔ ｉ ｒ ｉ ｃ ｅ ｏｖ ｏ ｃ ｃｉ ｄｉ ｏ ｒ ｏ ａ ｈ ｎ
过各种外加物理场控制熔体 的凝 固而得到预定 的组 织。人们在研究和生产实践 中发 现， 综合 利用 电磁 场 的多 种功 能对金 属 的凝 固过程进 行 控制有 着 明显 的优 越 性 ， 将 磁体 动 力学 ＭＨＤ与 材 料 加 工 技 术 并
金属凝固组织的细化方法和机理1
课程名称：金属凝固指导老师：宋长江，翟启杰教授
金属凝固组织的细化方法和机理
摘要：金属组织细化细化是提高材料性能的一种有效手段。在材料科学领域里，控制金属的凝固过程以细化金属凝固组织是提高铸件性能的重要途径之一，在已有的研究中，控制金属凝固过程以细化凝固组织的方法主要有两类：一是物理细化法，如低温浇注、电磁搅拌、机械振动、超声波细化等，二是化学细化法，如添加形核剂和长大抑制剂等。物理细化方法处理材料纯净度高，不会对金属熔体带来外来夹杂，细化效果好；化学添加剂法细化效果稳定、作用快、操作方便、适应性强，是目前最普遍的细化方法。
关键词：组织细化；细化方法；细化剂；变质剂
Refinement methods and mechanism of solidification structure of metals
Abstract: Metal microstructure refinement is an effective means to improve the properties of materials.In the field of meterial science, To contol the metal solidification process to refine the metal solidification structure is an important way of improving the casting performance. There are two main ways in the previous study: the first one is Physical refining method,such as cast cold, electromagnetic stirring, mechanical vibration, ultrasonic Refining and so on. The other one is chemical method, like the addition of nucleating agents and growth inhibitors. Physical refining method can make the material more pure,and there is no inclusion along with. The chemical method is the most common method of refinement because it’s faster and more stable and easy to operate. Key words:structure refinement; refine method; refiners; modifier
电流对材料的影响
3 电流对材料的影响
3.1 电致迁移
电致迁移（Electromigration）是指通电导体中的电流与原子相互作用而诱发的物质传输过程，即电流作用下的一种受迫扩散过程。
电致迁移的驱动力包括两部分：一是电场和失去了价电子的离子核之间的静电相互作用；二是离子与载流子之间相互碰撞产生的动量传递，称为“电子风”
[16]。驱动力F可表示为：
e w
=+(1.8)
F Z eE Z eE
其中Z e为静电作用的离子有效电荷数，Z w为电子风作用的有效电荷数，E 为电场强度，e为单位电荷。一般说来，由于金属是电的良导体，电子风力通常占支配地位，而且只有在直流、大电流密度和长时间作用下才会发生明显的电致迁移现象。
电致迁移现象早在一个世纪以前就被发现了。最初人们研究的是纯金属中的自体电致迁移，后来扩展到合金的液态金属。这一时期的应用研究主要集中在难熔金属间隙杂质尤其是气体杂质的净化。六十年代后期，Blech和Meieran发现电迁移现象是导致集成电路中导线失效的主要原因[17]，随后研究重点开始转向薄膜导体材料。在块体金属和金属薄膜中，电迁移的模式截然不同：前者以晶格扩散为主，而后者以晶界扩散为主。大部分金属的晶界物质传输都是通过空位机制进行扩散的。金属薄膜不可避免的存在各种结构缺陷、温度梯度等因素，其中结构缺陷（包括晶粒大小、形貌、取向及晶界结构的不均匀）最终导致原子流散度的存在，从而使局部空位过饱和或耗尽。
脉冲电流与稳恒直流电流产生的电致迁移有所不同。脉冲电致迁移具有如下特点：
i) 在脉冲电流方式下，缺陷积累形成损伤的过程只发生在通电周期，而断电周期将发生结构弛豫，缺陷积累过程和结构弛豫过程与脉冲的占空比和相对幅值有关；
脉冲电流在金属凝固过程中的作用及研究进展
用交 流 电代 替 直 流 电可得 到 同样 的结 果 。此后 ，
研究 者对 脉冲 电流影 响合金 的凝 固过程 做 了大量
研究 ， 研究 表 明 ， 于 低熔 点合 金 ， 对 在凝 固的 起 始 阶段施 加 电脉 冲可使 凝 固组织 中的初 生相 由 树 枝状 变为球 状 （ 由树 枝 晶变 成 等轴 晶） 使 合 既 ，
５８ ２
化
工 机
械
２１ ０ ０正
脉 冲 电流 在 金 属 凝 固 过 程 中 的 作 用 及 研 究 进 展
李 霞
（ 州 交通 大 学 ） 兰
摘
要
综 述 了 国 内外 关 于脉 冲 电流 处 理 对 金 属 凝 固组 织 和 对 合 金 性 能 影 响 的研 究 概 况 ， 据 电磁 学 根
流、 交流 电流 以及 高 强度脉 冲 电流处 理金 属熔体 ， 从低 熔点 的锡铅 合金 、 高熔 点 的铝 铜 合金 到 高 较 熔点 的钢铁 材料 ， 进行 了大量 的研究 工作 ， 都 取得 了许 多研究 成 果 。特别 是 脉 冲 电流 处 理 ， 近 年 来更受 广泛 的关注 。 １ １ 脉 冲电流对 金 属凝 固过程 和 凝 固组 织 的 影 ．
使该技 术未 能得 到广 泛 的应 用 。然 而 ， 国科 研 我
人 员 用 脉 冲 物 理 场 进 行 细 晶 凝 固技 术 的 研 究 ， 取
电、磁场对金属凝固组织的影响及其应用
Ｐ Ｎ Ｇ ａ ｇ ｗｅ Ｅ Ｇｕ ｎ ・ ｉ
（ ｈ ｚｏ ｏ ａｉｎ ｌ ｅｈ ｏｏｙＣ ｌ ｇ ， ｈ ｚ ｏ １０ １ Ｃ ｉａ Ｚ ｕｈ ｕＶ ｃｔ ａＴ ｃｎ ｌｇ ｏｌ ｅＺ ｕｈ ｕ４ ２ ０ ， ｈｎ） ｏ ｅ
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电磁场在金属铸造中的应用
电磁场在金属铸造中的应用
随着近年来工业技术的发展电磁场在金属铸造业中得到了广泛的应用。电磁铸造技术因具有高密性、可控性、响应性、清洁性及能量利用率高等特点使得它在金属铸造中有着广泛的前景。本文主要对电磁场在金属铸造中的应用展开论述从而促使进一步发挥它在金属铸造业的的作用，最终达到能量的最大化利用。
标签：电磁场；电磁搅拌技术；金属铸造
电磁场在金属铸造的得到应用的主要原因是金属是电的良好导体并且它能在金属在磁场和电流的综合作用下金属内部产生了电磁力。在产生电磁力的情况下进行人为干预，利用电磁力对融化金属进行传输和非接触下搅拌及形状控制从而达到金属铸造的预期效果。电磁技术在金属铸造中的应用将会对金属铸造业产生积极的促进作用
1 电磁搅拌技术及其应用
（1）电磁场的攪拌技术。电磁搅拌技术的原理是：当金属在熔化炉中呈液体状态时，液体中产生感应电流，人们利用不同形式的磁场发生装置通过对电流和磁场的作用产生的电磁力进行控制。通过电磁力对连铸过程中的钢水的流动性、传热和凝固过程的控制，使钢水的流动性、传热和凝固过程按照人们预想的状态进行，从而使钢的清洁度得到提高，铸造毛坯的等轴晶区偏析得到降低，中心疏松的症状得到较少，以及在铸造过程中容易造成的缺陷均得到了有效的解决，实现了铸造出的毛坯达到了优质、高等级的目地。
（2）电磁搅拌技术的应用及使用现况。人们通过电磁对液态金属的水平、竖直向上、竖直向下的不同方向进行搅拌，对不同的电磁搅拌下的铸造毛坯的清洁程度检测试验。试验通过三维有限元磁流体数值模拟对不同方向电磁搅拌后的铸造毛坯进行检测的方法，发现竖直向上的电磁搅拌方式可以减少钢液的深度有利于钢液中杂物的上浮，改善了铸造毛坯的质量。通过试验发现，电磁搅拌对减少等轴晶区偏析，去除有害杂质，净化钢水等方面有着非常显著的优点。但如果电磁搅拌器的安装位置不正确导致搅拌强度过大时就会时这些优点大打折扣。经过多年的生产实践论证，弯月面波动是连铸毛坯缺陷的主要因素，而电磁搅拌器的安装位置不正确是造成弯月面的主要原因。钢液在电磁搅拌的离心力作用下，在液体表面形成漩涡使型壁附近的金属向上凸起、中心位置的金属面出现凹陷，从而弯月面的稳定性遭到破坏，阻碍了润滑剂的流入，降低了润滑效果。而因为中心位置金属面的凹陷使保护渣被卷入钢液中造成铸件毛坯夹杂缺陷。月弯面的不稳定性使结晶面的控制产生了不良的影响，在这方的研究还不透彻，还有待于进一步的研究和证实。
电流在金属凝固过程中的应用
初生相的形貌特征与电流开始作用时间的关系 开始作用时间 无电流作用 凝固刚开始15s 凝固过程后半段 初生相 树枝状 球状 树枝状
顾根大对电流作用下金属定向凝固行为进行了系
统的研究，通过对AlCu4.5，SnBi5和Al-Si合金的试验 结果表明，合金界面成分分配系数随电流密度增大而 减小，凝固组织随着电流密度的增大而进一步细化。 近年来，Ahmed等人通过进一步的试验，发现电流 密度为50～400 mA·cm-2时，超耐热合金的组织发生 如下变化： ① 得到细化 ② γ ´相的形貌发生改变 ③ 偏析和气孔率得到抑制
由于凝固系统中处于熔点附近的原子实质上处于 一种近程有序状态，当电流作用凝固体系时，这些近 程有序团的结构、尺寸和数量都会随着所加电场的强 度、方向而发生变化, 这种现象称为起伏效应，它包括 结构起伏、能量起伏和温度起伏，而根据结晶的热力 学条件和动力学条件可知，凝固体系中的结构起伏、 能量和温度起伏都有助于晶体的生长，使凝固方式趋 向于匀质形核和同时凝固，同时也细化了晶粒。
控制液态金属 凝固过程以细 化其凝固组织 的方法 20世纪80年代，Misra K在多元合金凝固过程中施 加直流电，试验后发现凝固组织得到了改善。 20世纪90年代初，Nakada M 首次使用脉冲电流 处理Sn – Pb二元合金的凝固过程，结果发现凝固 组织多为细小球状的等轴晶。
物理细化法：如电 磁搅拌、机械振动 等
电流对材料的影响
3 电流对材料的影响
3.1 电致迁移
电致迁移（Electromigration）是指通电导体中的电流与原子相互作用而诱发的物质传输过程，即电流作用下的一种受迫扩散过程。
电致迁移的驱动力包括两部分：一是电场和失去了价电子的离子核之间的静电相互作用；二是离子与载流子之间相互碰撞产生的动量传递，称为“电子风”
[16]。驱动力F可表示为：
e w
=+(1.8)
F Z eE Z eE
其中Z e为静电作用的离子有效电荷数，Z w为电子风作用的有效电荷数，E 为电场强度，e为单位电荷。一般说来，由于金属是电的良导体，电子风力通常占支配地位，而且只有在直流、大电流密度和长时间作用下才会发生明显的电致迁移现象。
电致迁移现象早在一个世纪以前就被发现了。最初人们研究的是纯金属中的自体电致迁移，后来扩展到合金的液态金属。这一时期的应用研究主要集中在难熔金属间隙杂质尤其是气体杂质的净化。六十年代后期，Blech和Meieran发现电迁移现象是导致集成电路中导线失效的主要原因[17]，随后研究重点开始转向薄膜导体材料。在块体金属和金属薄膜中，电迁移的模式截然不同：前者以晶格扩散为主，而后者以晶界扩散为主。大部分金属的晶界物质传输都是通过空位机制进行扩散的。金属薄膜不可避免的存在各种结构缺陷、温度梯度等因素，其中结构缺陷（包括晶粒大小、形貌、取向及晶界结构的不均匀）最终导致原子流散度的存在，从而使局部空位过饱和或耗尽。
脉冲电流与稳恒直流电流产生的电致迁移有所不同。脉冲电致迁移具有如下特点：
i) 在脉冲电流方式下，缺陷积累形成损伤的过程只发生在通电周期，而断电周期将发生结构弛豫，缺陷积累过程和结构弛豫过程与脉冲的占空比和相对幅值有关；
连续电流场在金属凝固过程中的应用研究
金 属外场处 理技术 是 在凝 固前 或凝 固过 程 中给金
流 可 以 在 合 金 凝 固 时 细 化 铸 铁 的 显 微 组 织。 Ｂ ｌ Ｈ ａ ＭｉｒＥ 等 也发 现 电流处 理 后 铸铁 凝 固 ａ ｅＫＥ ａ ， ｓａ 。
组 织 明显细化 且均 匀 ， 晶片 间距减 小 了近 ４倍 ， 拉 共 抗
孔率 。冯 小 辉＿ 等分 析 表 明 ， 温 合金 力 学性 能 的提 ８ 高 高是 由于 电场 作 用 下 丫 相 尺 寸 的 变小 和成 分 偏 析 减
对 形核 和长 大两个 方面都 有作 用 。
Ａｈ ｄ６］ 研 究 显 示 ， ５ ～ ４ ０ ／ ｍ。的 直 ｍｅ ［ 的 在 ０ ０ ｍＡ ｃ
方面 ： ①让 电流通 过金属熔体 ， 即电流处 理 ； ②让金属 熔 体在磁场 中凝 固 ， 即磁 场处 理 ； 对金 属熔 体 进行 超 声 ③ 波处理 。电流处理技术是凝 固领域新 兴 的研 究方 向 ， 电 流能细化 晶粒 组 织 ， 高铸 件性 能 ， 响凝 固过程 中的 提 影
溶质再 分配及 固一 界面 的稳定性 。 电流处理 技术是 控 液 制凝 固组织 和制造具有特 殊性能材料 的一种 新方法 。
流 电流作用 下超 耐 热 合 金 的微 观 组 织 结 构 有 如 下 变 化： ①凝 固组织被 显著地 细化 ； 呈细 小 的球状 颗 ②７相
高能脉冲电流对金属材料的作用
高能脉冲电流对金属材料的作用
电流或电场对材料微结构和性能的影响最初是在上世纪６０年代引起
人们重视。近年来的研究表明，高能脉冲电流在提升材料塑性、促动
回复与再结晶以及晶粒细化等方面有着传统热处理不可替代的作用。
此外，因为高能脉冲电流可向金属材料同时输入较高的热能和应变能，有助于提升原子的迁移速率，从而可改善材料内部的微裂纹、孔洞等
微观缺陷。与传统热处理相比，高能脉冲电流可在极短时间内提供较
高的能量，促使材料在更低的温度、以更快的方式发生再结晶。所以，对于一些需要通过析出强化相改善性能的金属材料，可在低于传统热
处理相变温度的情况下，以极短的作用时间促动强化相的析出。由此
可见，该技术已成为改善材料组织和性能行之有效的方法，并因其具
有高效、节能的特点，在材料制备、加工成型、后期处理等方面越来
越受到重视。本文系统地分析了国内外利用高能脉冲电流对金属材料
改性处理的研究现状，并归纳和评述了各种基于脉冲电流处理的研究
进展及取得的成果，重点分析了脉冲电流在材料的裂纹愈合、再结晶、相转变等方面的作用和机理，指出了高能脉冲电流处理技术当前存有
的不足，并对其未来发展的趋势实行了展望。
１高能脉冲电流改性技术的研究状况
１８６１年，Ｇｅｒａｄｉｎ等［４－５］首次在铅－锡、汞－钠的
熔融合金中观察到了原子在电流作用下发生运动的现象。１９５９年，Ｆｉｓｋ和Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ提出了电子风驱动力的概念，为电
迁移理论奠定了基础。Ｔроицкий［８］于１９６３年在对表
面涂汞的锌单晶实行研究时发现，当电流密度超过一定数值后，屈服
电流密度调控抑制枝晶
电流密度调控抑制枝晶
以电流密度调控抑制枝晶为标题，本文将探讨如何利用电流密度来调控和抑制枝晶的生长。枝晶是在某些金属或合金的凝固过程中形成的固态晶体，它们的生长会影响材料的性能和品质。因此，控制和抑制枝晶的生长对于材料工程和制造行业来说至关重要。
一、枝晶的形成和生长机理
在金属或合金的凝固过程中，由于局部温度和浓度的变化，原子会沿着固相/液相界面扩散，形成新的晶体。这些新晶体以枝状的形式生长，称为枝晶。枝晶的生长速率和形态会受到多种因素的影响，包括温度梯度、浓度梯度、界面能等。
二、电流密度调控枝晶生长的原理
电流密度是指通过单位截面积的电流量，它可以通过电解法施加到凝固过程中的金属或合金中。电流密度调控枝晶生长的原理是基于电场效应和电化学效应。当电流通过金属或合金时，会在凝固界面附近产生电场，这个电场可以改变凝固界面附近的温度和浓度梯度，从而影响枝晶的生长。
三、电流密度调控枝晶生长的方法
1. 电流密度梯度法
通过在凝固过程中施加不同大小的电流密度，可以产生电流密度梯度，进而改变凝固界面附近的温度和浓度梯度。这种方法可以使枝
晶生长速率在不同位置有所差异，从而调控和抑制枝晶的生长。
2. 电流密度脉冲法
在凝固过程中通过周期性地改变电流密度，即施加电流密度脉冲，可以在枝晶生长过程中引入瞬时的温度和浓度变化，从而抑制枝晶的生长。电流密度脉冲的频率和幅值可以根据具体材料和工艺要求进行调节。
3. 电流密度梯度和脉冲联合法
将电流密度梯度法和电流密度脉冲法结合起来使用，可以更加有效地调控和抑制枝晶的生长。通过在凝固过程中同时施加电流密度梯度和电流密度脉冲，可以使枝晶生长速率在空间和时间上都有所变化，从而进一步优化材料的晶体结构和性能。
电磁技术在金属材料科学与工程中的应用
电磁技术在金属材料科学与工程中的应用
经济社会的不断前进发展也为科学技术的发展提供了强大的动力，而电磁技术也随之得到了极大的发展，并且当前电磁技术不止应用在物理学之中，而且已经广泛应用在工业之中，在金属材料科学与工程中的应用也正在发展优化过程之中。基于此，本文首先分析了电磁技术，再分析了当今电磁技术的发展方向，最后分析了电磁技术在金属材料科学与工程中的应用，以此来供相关人士交流参考。
标签：电磁技术;金属材料科学;工程应用
引言
电磁技术是在物理学基础上发展而来，虽然起步较晚，但是发展非常迅猛，已经应用到了人们生产生活的各个方面，对人们的生产生活产生了不小的影响。目前国内对于电磁技术的应用相比于外国而言更加薄弱，时间更晚，但是其对于科学技术的推动起到了非常重要的作用。
一、电磁技术
电磁技术是是基于电磁热流体力学为理论，而电磁冶金是关于材料制造与冶金的一种新兴的工程学科。电磁冶金通过金属受到的洛仑磁力来对金属的组织结构产生改变，并且对于金属的表面形态以及内部流动的方式也会产生影响。在密闭的环境下，电磁力可以通过非接触的方式进入到金属的内部，使得金属内部的组织性能提高，改善材料的质量，还可以避免金属的氧化。随着电磁技术的发展，电磁流体力学被人们所发现，并将其应用于冶金生产过程中，并在生产发展之中逐步发展出了电磁悬浮熔炼、电磁搅拌等冶金技术，并且还发展到了材料制备过程中，也就是材料电磁过程[1]。
低频电磁铸造技术，简称EMC，是通过电磁感应原理来进行无模型的连续铸造。利用低频铸造技术可以有效使得晶粒细化降低宏观上的偏析，使得铸态力学的性能显著提升，使得铸锭表面更加完善，可以在一定程度上减少铸造时裂纹的产生。一般低频电磁铸造技术的铸锭表面的偏析瘤比较稀少并且表面较为光滑，但是都会有非常浅的竖纹[2]。一般低频电磁铸锭的平均晶粒尺寸都很小且铸锭都是等轴晶组织;在铸造的过程中的形核率就会大大增加，这就使得组织可以更加细小且能够均匀分布。
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Barnak等人主要研究了脉冲 电流密度对共晶Pb-Sn合金 凝固组织的影响,所采用的 脉冲电流密度为150～ 1500Acm-2,脉冲有效放电时 间为60μs,在整个凝固过程 中施加电脉冲,得到以下结 果:① 过冷度ΔT增加 ② 共晶团尺寸显著减小。共晶 层片间距没有显著变化, 而 且,电脉冲对初生富Pb枝晶 的形貌、尺寸没有明显作用
控制液态金属 凝固过程以细 化其凝固组织
的方法
✓20世纪80年代，Misra K在多元合金凝固过程中施 加直流电，试验后发现凝固组织得到了改善。 ✓20世纪90年代初，Nakada M 首次使用脉冲电流 处理Sn – Pb二元合金的凝固过程，结果发现凝固 组织多为细小球状的等轴晶。
物理细化法：如电 磁搅拌、机械振动
国内外学者做过的一些相关的研究
➢印度学者Misra研究了30～40mA·cm-2直流电流对 过共晶PbSb15Sn7合金凝固组织的影响，发现凝固组织 不仅得到了细化，而且变得更均匀。 ➢Flemings发明了制备非晶组织的凝固控制技术，这 一技术的核心内容是对开始凝固的金属进行高电压大 电流的放电操作，使所得的凝固组织明显细化，晶粒 形状为表面光滑的球形或准球形。同时研究发现开始 放电时间对晶粒细化效果影响很大，开始放电时间越 晚，晶粒细化效果越差。
金属熔体的两种通电方式
1 电流影响金属凝固组织的研究现状
1.1 连续电流的作用
在液态熔体中施加电场能够引起熔体中不同性质的 的离子产生运动，从而导致熔体成分的变化。通过电 场对液态金属影响的研究建立了电迁移理论，在浓度 梯度、焦耳热和洛伦兹力的共同作用下产生的电迁移 对溶质分配系数 k0具有重要的影响，由此导致： ① 提高局部细化效果 ② 成分的聚集导致凝固温度发生变化 ③ 减小成分过冷倾向
⑤ 试验研究离不开先进的设备，目前国内能提供的 数百安培的电源尚不能满足试验的需要，因此在理论 研究的同时要加强对相关设备的开发和研制。 ⑥电流在凝固过程中将会得到更广泛的应用，人们也 将在此技术的支持下对凝固过程及凝固本质获得更深 刻的认识。
谢谢
电流处理前后对比
电脉冲处理前后铸铁三角试样断口
金属熔体的两种通电方式
电极插入方式主要有两种： 一是将两个电极分别插入金 属熔体的两端进行通电处 理；二是在熔体一端将两个 电极平行插入熔体中。两种 通电形式在匹配的参数内都 能显著细化凝固组织。但从 工业安装应用方面讲，平行 电极比上下电极方便，且平 行电极的细化效果好于上下 电极，所以多采用平行电极
QP PSL • j
在凝固过程中, 由于固液两相的电导率存在明显的差异，所以在电流作 用下，固液界面会产生Peltier 效应。由此产生的Peltier 热将导致固液界 面上的凸出部分熔化，从而使界面趋于光滑圆整，因此可以理解电流 作用将促进球形或准球形晶粒的形成，抑制树枝晶生长的试验事实。
起伏效应
ΔT为
T j2 et / c
式中： e 为材料的电阻率, ρ为熔体的密度，c 为比热容，t 为通电时间。
对于凝固体系来说，焦耳热相当于内热源，它将使凝固系统的整体冷速
降低，过冷度减小。对于固液共存的凝固状态而言，由于液体金属的电
阻率比同材质的固体金属高数倍， 所以固相将是电流优先选择的通道, 因
而固相内产生的热效应将大于相邻的液相。因此完全有可能导致固相的
等
外加物理场法：如 施加超声场、电场、
磁场等。
电流凝固
电流凝固技术是在金属凝固过程中或在金属 凝固前给金属熔体施加选定的电流, 如直流 电流、交流电流或脉冲电流等, 从而改变金 属凝固组织和性能。该技术具有无污染、操 作方便、效果显著等优点, 受到了材料工作 者的高度重视, 并显示出十分广阔的应用前 景。
电流在金属凝固过程中的应用
电流影响金属凝固组织的研究现状
连续电流的作用 脉冲电流的作用
电流影响液态金属凝固组织的理论分析
连续电流作用机制分析 脉冲电流作用机制分析
总结
细小均匀的等轴晶组织具有 优良的加工性能和力学性能
化学细化法：如孕 育处理，即在金属 熔体内添加少量其 他物质以促进形核
和抑制生长
1.2 脉冲电流的作用 国内外学者做过的一些相关的研究
Nakada等首先研究了大密度脉冲电流对过共晶 Sn90Pb10合金凝固过程的作用，所用电容器电压为 3Kv，脉冲间隔为20s，熔体凝固时开始放电，最后凝 固组织由树枝晶转变为等轴晶，并且发现等轴晶的数 量随电容器的充电电压升高而增多。 李建明等通过对近共晶Sn60Pb40合金凝固过程的研 究，进一步肯定了电脉冲在凝固过程中具有细化凝固 组织的作用。
由于凝固系统中处于熔点附近的原子实质上处于 一种近程有序状态，当电流作用凝固体系时，这些近 程有序团的结构、尺寸和数量都会随着所加电场的强 度、方向而发生变化, 这种现象称为起伏效应，它包括 结构起伏、能量起伏和温度起伏，而根据结晶的热力 学条件和动力学条件可知，凝固体系中的结构起伏、 能量和温度起伏都有助于晶体的生长，使凝固方式趋 向于匀质形核和同时凝固，同时也细化了晶粒。
2.2 脉冲电流的作用机制
磁致收缩效应 当导体中有变化的电流通过时，由于电磁感应原理，将产生一个变化的磁 场，在磁场的作用下，导电流体会出现向其中心轴收缩的现象，即磁致收 缩效应。通过计算，单位面积熔体所受到的磁压力为：
P
0I2r2 8 2R4Leabharlann Baidu
R
式中：I 2rj(r)dr ——流过熔体的总电流；R为导电熔体的半径； 0
0
为真空磁导率：r为熔体内任意一点到轴线的距离。在磁压力的作用下， 熔 体反复被压缩(不断地前进和后退)。熔体的这种运动，① 可使熔体迅速失 去过热，从而增加过冷度② 将对原子的扩散产生影响；③ 抑制晶核长大， 碎断树枝晶。
冲击波作用
脉冲电流的一个显著特点就是其突变性，作用时间 非常短，大概为数十μs 到数百μs 。当高充电电压产生 的高密度脉冲电流瞬间通过导电熔体时，将引起大量 电子的快速定向漂移，形成强大的冲击波作用。可以 想象，当冲击波足够大时，就完全有可能摧毁凝固过 程中已经开始长大的树枝晶，产生很多形核质心，从 而达到细化凝固组织的目的，但目前关于脉冲电流冲 击波的理论研究还远远不够。
初生相的形貌特征与电流开始作用时间的关系
开始作用时间
无电流作用 凝固刚开始15s 凝固过程后半段
初生相
树枝状 球状 树枝状
✓顾根大对电流作用下金属定向凝固行为进行了系 统的研究，通过对AlCu4.5，SnBi5和Al-Si合金的试验 结果表明，合金界面成分分配系数随电流密度增大而 减小，凝固组织随着电流密度的增大而进一步细化。 ✓近年来，Ahmed等人通过进一步的试验，发现电流 密度为50～400 mA·cm-2时，超耐热合金的组织发生 如下变化： ① 得到细化 ② γ´相的形貌发生改变 ③ 偏析和气孔率得到抑制
2 电流影响液态金属凝固组织的理论分析
2.1 连续电流作用机制分析
电迁移效应
即液态金属中的各种离子在电场力的作用下发生定向迁移的现象。由于各 种金属离子所带电量的不同，从而在定向迁移过程中的运动速度也不同， 由此引起液态金属的流动速度为：
VI aj2
式中：a
Lg(2R)4 144LkeL
；j为电流密度；L 为液态金属的密度；g为重
力液k eL加态为速金溶度属质；的分流配动为系最粘数终度。导系致数凝；固β为过热程膨中胀溶系质数分；配L系为数传k热的系变数化；，Rk为的熔变体化半将径；
对凝固组织产生很大影响，树枝晶转变为等轴晶组织, 枝晶形貌也由树枝
状转变为圆形或近圆形。
焦耳热效应
电流通过金属熔体时，将产生焦耳热效应，从而将导致熔体温度的变化，
重熔，降低固液界面的温度梯度，促进熔体的同时凝固、均匀长大，从
而最终的结晶组织比较细小均匀。
Peltier 效应
电导率不同的两种材料接触时，接触面上会有接触电位差，进而产生了 附加的热量, 这一效应被称为Peltier效应，相应的这一热量称为Peltier 热， 用QP 表示，其大小与通过界面的电流密度j 成正比，其比例系数称 为Peltier 系数，如下式。
总结
① 电流对金属的凝固过程可以产生明显的良性作用， 细化晶粒、改善凝固组织、提高力学性能 ② 凝固前的金属熔体中存在很多类固相原子团簇，而 这些原子团簇将最终影响到凝固组织的优劣，如何对 这种预结晶金属熔体中的原子团簇进行有效的处理是 目前研究和探讨的重点。 ③ 作为一种新工艺，电流特别是脉冲电流的磁致收缩 和冲击波作用能否对熔体中的类固相原子团簇产生摧 毁或细化作用，从而影响最终凝固组织。
不同电流密度对Sn-Pb合金共晶团尺寸的影响 不同脉冲电流密度处理对Sn-Pb合金过冷度ΔT的影响
唐勇等研究了电脉冲对高熔点金属-钢铁凝固组织 的影响作用,研究者认为电脉冲的主要作用是减小柱状 晶的尺寸和改善珠光体的形貌, 其中引人注意的是有 关珠光体形貌的改善, 因为通常钢中的珠光体是由固固相变而形成的, 这表明电脉冲不仅对液态金属在凝 固过程的相转变有作用, 而且对凝固以后固态金属的 相转变也有着一定的作用。