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6 0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

18 6 1年，Geradi 口等［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Huntingto n提出了电子风驱动力的概念，为电迁移理论奠定了基础。T pOHUKHH ［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，屈服强度骤然下降，塑性增加，表明在一定脉冲电流密度下，且当电子移动速度超过位错的弹性相速时，将会产生电子能量向位错场的传输，促使位错发生移动，这就是电致塑性的物理本质。1 9 6 6年，K paBneHKO等重点研究了电子对位错移动的作用，证明了当电流密度超过某一临界值后，电子的漂移速度将大于位错的移动速度，会对位错施加一作用力（即电子风力），从而促动材料中位错的移动。

上世纪8 0年代初期，Conrad等在多晶金属拉伸试验过程中施加脉冲电

流，利用热激活辅助位错运动模型合理解释了脉冲电流对材料力学性能的影响规律；并且，还认为除了焦耳热效应之外，短时间高密度脉冲电流之所以使金属塑性得到提升，电子风力是最关键的因素。此外，对不同材料通入高密度脉冲电流之后，塑性变化的巨大差异是由不同材料的变形机制不同所致。

Stepanov[22]展开了脉冲电流对TiAl金属间化合物性能影响的研究，结果表明，经脉冲电流处理后，其力学性能得到了明显的改善，并通过研究金属间化合物的孔隙率、相变产物以及残余应力等的变化解释了性能改善的原因。国内虽然在脉冲电流改性技术的研究方面起步较晚，但也取得了较为丰富、创新的成果。上个世纪9 0年代，刘志义等研究了脉冲电流对2 0 9 1铝锂合金超塑性的影响，证明脉冲电流促动了动态再结晶的进程，并且原子的扩散水平得到了大幅度提升，使得空位在晶界处的形成机率增加，从而使其与原子相互结合的几率增加，甚至改善了合金的断裂模式。90年代末，周亦胄等研究了脉冲电流对4 5号钢损伤的恢复作用，观察到经过脉冲电流处理，钢中的微裂纹可得到愈合，并且裂纹周围的组织发生了变化。这是因为在焦耳热效应的作用下，裂纹处组织可发生局部熔化或软化，加之周围基体因为膨胀水准小，所以产生的热压应力促动了微裂纹的愈合。从2 0 0 0年开始，姚可夫等发现合理参数的脉冲电流可使

Fe73.5Cu1Nb3Si13.5E9非晶薄带在30 s内基本完成纳米晶化，相比于传统等温退火，可大幅提升效率。此外，其对TiAl金属间化合物实行脉冲电流实验时发现，高密度脉冲电流可大幅度提升高温流变应力，并且使屈服强度提升5 0%以上。唐国翌等开发了脉冲电流辅助轧制技术并展开了相对应的理论分析，利用该技术轧制出来的轻合金板材具有较高的塑性，并且晶粒得到了细化，组织更加均匀。通过度析国内外在脉冲电流对金属材料改性方面的研究现状，表明脉冲电流对改善材料性能的作用机理主要表现在裂纹愈合、再结晶、相转变等方面，所以，文章将从这3个方面实行深入探讨，对取得的成果实行归纳、总结及分析。

2脉冲电流改性技术机理方面的研究现状

2.1裂纹愈合脉冲电流对金属材料中微裂纹的愈合相比传统热处理具有独特的自诊断性，不需要探测材料内部微裂纹的具体位置、大小、形状等。

促动裂纹愈合的原因主要有，扩散填充、位错填充与热压填充。2.1 .1扩散填充Zho 口等［3 9 - 4 0 ］对1 045钢通入密度j=6.4GA/m2的脉冲电流，发现钢中原有微裂纹发生了部分愈合，如图1所示，且对裂纹实行线扫描发现有明显的碳原子富集，但在原始试样中并未发现此现象。由此可见，脉冲电流提升了碳原子的扩散水平，且因为碳原子的扩散水平大于铁原子的扩散水平, 所以出现碳原子的富集现象。为了更准确的解释扩散机理，其从电位梯度（d①/dx）、温度梯度（dT/dx）、应变梯度（d £ dx）和浓度梯度（dc/dx）方面实行了充分说明，1）碳原子在电位梯度的作用下将由高电位向低电位移动，并在移动过程中碰到空位或微裂纹时，留在其中；2）因为裂纹等缺陷处的电阻大于未损伤基体，碳原子将在温度差的作用下扩散到裂纹处；3）缺陷处因为温升的作用引起的热膨胀大于基体处，所以会产生热压应力，使碳原子移动至微裂纹处；4）在实验开始时，裂纹处碳原子含量较少，在浓度差的作用下，碳原子向裂纹处扩散。由此可见，在上述4个因素的共同作用下，微裂纹将得到一定水准的愈合。此外，对断口SEM 照片实行分析，发现施加脉冲电流后的试样断口出现了类似解理的结构，而原始的试样内未有该现象。认为原因是此区域原有的微裂纹在脉冲电流的作用下得到了愈合，加之大量的碳原子在该处富集，从而出现了解理断裂的现象，改变了该合金的断裂方式。

2.1.2位错填充周亦胄通过对1 0 4 5钢裂纹附近显微结构的观察，发现裂纹两侧的晶粒出现了波纹状结构，如图2所示。认为这是因为位错向裂纹处扩散造成的，在对金属材料通入脉冲电流时，电能、热能、压缩应力能够在极短的时间内输入到金属材料中，在多种因素作用下，很容易发生位错滑移和攀移。大量漂移电子会对金属中缠结的位错发生强烈撞击，产生推力使其发生运动，即电子风力，其表达式主要有3个模型。周亦胄通过Conrad提供的数据计算得出4

5号钢中电子风力仅有0. lMPa，虽电子风力很小，但不同材料（主要是电导率不同）以及不同的实验参数（电压、频率、脉冲时间等）计算得出来的电子风力是不同的，不能完全忽略电子风力对原子及位错运动的影响。通入电流时，随即产生电子风力，为处于平衡状态的原子提供了一定的电能，从而使原子处于高能激活状态，为随后热效应和热压应力的作用提供