脉冲电流凝固细晶技术基础研究

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1、j-海大掌博士学位论文摘要根据实验要求研制了专用于金属凝固研究的高能脉冲电源及脉冲电流测量装置，分析了脉冲电源放电过程中的电流变化，系统测量了电流峰值、电流脉宽和脉冲频率等电流参数随放电回路中电压、电容量和传输线等变化的定量关系。结合材料的组成、相特征、凝固特性和工程实用性，以纯铝、奥氏体不锈钢和过共晶灰铸铁为实验材料，采用热分析技术与金相分析技术相结合的方法，研究了脉冲电流处理对不同类型的金属材料凝固过程、凝固组织及力学性能的影响，发现脉冲电流处理使金属的凝固温度升高，凝固时间缩短，温度梯度减小，使金属更趋向于体积凝固方式，凝固组织细化，力学性能得到改善。根据实验

2、现象，提出了脉冲电流对金属凝固造成的“电致过冷”效应。脉冲电流处理能使纯铝试样凝固组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶，可大幅度细化纯铝的晶粒尺寸：使奥氏体不锈钢的柱状晶间距明显细化，并增加凝固组织中奥氏体的相对含量；使高碳当量的过共晶灰铸铁中出现大量D型过冷石墨和发达的奥氏体枝晶，细化共晶团尺寸。分别给出了本实验条件下，纯铝、奥氏体不锈钢和过共晶灰铸铁凝固组织细化效果与脉冲电流的峰值、脉宽和频率的定量关系。表明三种材料的凝固组织细化效果分别随着峰值、脉宽和频率的增大而增大。脉冲电流三个参数中，电流峰值对金属凝固组织细化的影响最大，脉冲频率次之，电流脉宽的影响最小。三个

3、参数之间的交互作用对凝固组织细化有很明显的影响。根据现有金属熔体结构和凝固理论，综合考虑脉冲电流的焦耳热和电磁力等效应，并结合脉冲电流处理验证试验，分析了脉冲电流作用后金属凝固组织细化的机理，重点讨论了脉冲电流对凝固形核过程的多重复杂作用机制。理论分析表明，脉冲电流处理后，使液态金属中结构起伏的尺寸增大且趋于稳定，从而增加了晶胚数；使金属熔体的临界晶核半径和临界形核功减小，同时减小了临界形核过冷度；使金属熔体中异质核心的表面活化和净化，促进了金属的形核过程，从而使金属凝固组织细化。基于经典形核理论，推导出脉冲电流作用下的金属形核模型。指出脉冲电流作用下形核功的变化与

4、晶核和熔体两者的电导率及体积的大小有关，晶核的电导率增大和体积减小，降低形核功，促进形核；脉冲电流处理对扩散激活能有正反两方面的作用，电磁压力的作用增大扩散激活能，抑制原子的扩散，而焦耳热的作用降低扩散激活能，促进原子的扩散；脉冲电流引起的电磁振动和焦耳热造成的晶粒熔断、破碎、游离和增殖是凝固组织细化的重要原因。结合实验研究和理论分析，以及材料本身的凝固特性与物理特性，分别对脉冲电上海大掌博士掌位论文流作用下纯铝、奥氏体不锈钢和过共晶灰铸铁凝固组织细化的形成机理进行了深入讨论。关键词：脉冲电流，凝固，细化晶粒，纯铝，奥氏体不锈钢，灰铸铁III-海大掌博士学位论文AB

5、STRACTAhi曲·energypulsepowersourceusedforresearchingsolidificationofmetalsandaRogowskicoilusedformeasuringstrongpulsecurrentweredevelopedaccordingtotherequirementofthepresentexperiment．Thevariationofelectricalcurrentduringthedischargeofpulsepowersourcewasanalyzed．Furthermore，anexaminati

6、onwasmadeofthequantitativerelationofpeakcurrent，pulsewidthandpulsefrequencyetc．VdI'SUSvoltage，capacitanceandtransmissionlineofdischargingcircuit．Combinedwiththecomponents，phaseandsolidificationcharacteristics，andengineeringpracticability,thepurealuminum，austeniticstainlesssteelandhyper

7、eutecticgraycastironwereselectedastheresearchobjectives．Andtheeffectofpulsecurrentonthesolidificationprocess，microstmctureandmechanicalpropertieswasinvestigatedbythermalanalysisandmetallographicexamination．ItWaSfoundthatpulsecurrenttreatmentincreases血esolidificationtemperature．decrea