高能脉冲电流对金属材料的作用

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1、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、促进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，由于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，有助于提高原子的迁移速率，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。因此，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

2、进强化相的析出。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目前存在的不足，并对其未来发展的趋势进行了展望。 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

3、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进行研究时发现，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。１９６６年，Ｋравченко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），从而促进材

4、料中位错的移动。上世纪８０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］开展了脉冲电流对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

5、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９０年代，刘志义等研究了脉冲电流对２０９１铝锂合金超塑性的影响，证明脉冲电流促进了动态再结晶的进程，并且原子的扩散能力得到了大幅度提升，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４５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。这是由于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，加之周围基体由于膨胀程度小

6、，所以产生的热压应力促进了微裂纹的愈合。从２０００年开始，姚可夫等发现合理参数的脉冲电流可使Ｆｅ７３．５Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１３．５Ｂ９非晶薄带在３０ｓ内基本完成纳米晶化，相比于传统等温退火，可大幅提高效率。此外，其对ＴｉＡｌ金属间化合物进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５０％以上。唐国翌等开发了脉冲电流辅助轧制技术并开展了相应的理论分析，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。通过分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

7、理主要表现在裂纹愈合、再结晶、相转变等方面，因此，文章将从这３个方面进行深入探讨，对取得的成果进行归纳、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。促进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Ｚｈｏｕ等［３９－４０］对１０４５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，且对裂纹进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

8、象。由此可见，脉冲电流提高了碳原子的扩散能力，且由于碳原子的扩散能力大于铁原子的扩散能力，因此出现碳原子的富集现象。为了更