高能脉冲电流对金属材料的作用范文

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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，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。为了更准确的解释扩散机理，其从电位梯度（dΦ／dx）、温度梯度（dT／dx）、应变梯度（dε／dx）和浓度梯度（dc／dx）方面进行了充分说明，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）由于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）缺陷处由于温升的作用引起的热膨胀大于基体处，因此会产生热压应力，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，微裂纹将得到一定程度的愈合。此外，对断口SEM照片进行分析，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1045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。认为这是由于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、压缩应力可以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45号钢中电子风力仅有0．1MPa，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了基础。对TC4钛合金进行脉冲电流试验后，宋辉［46］观察到试样中位错密度明显降低，且分布更加均匀、平直，如图3所示。此外，He等发现，对产生加工硬化的黄铜施加一定密度的脉冲电流后，金属内部的位错密度明显降低，位错缠结现象得到明显改善，如图4所示。说明脉冲电流可以使材料内部位错发生运动、湮灭，并且由于金属材料缺陷处有大量的晶格畸变、位错缠结等现象，使缺陷处产生不均匀的焦耳热效应，加之缺陷处电阻率很高，局部区域将在瞬间产生很高的热弹压缩应力，此应力将促进位错向着缺陷处移动并最终消失。

2．1．3热压填充与传统热处理相比，脉冲电流作用时间很短，通入脉冲电流后由于材料本身电阻将导致焦耳热效应。脉冲电流过程是一个快速升温的过程，材料内部处于不稳定状态，即Θ（t）－l（t）≠0，此时材料内部会产生热压应力。由于微裂纹、孔洞等缺陷处的电阻值大于周围基体，所以温升较高，并且由式（3）可知，此时缺陷处由于热压应力的产生而处于受压状态。加之缺陷处温升很高，可能导致局部熔化或软化，在热压应力的作用下，对其愈合也起到了促进作用。当电流撤走后，之后的降温过程会在裂纹处产生拉应力，使裂纹反向收缩。但由于电流通入材料时的温升速度大于降温速度，使得压应力大于拉应力，从而，材料中的微裂纹将得到愈合。但是当电流密度过大或者裂纹尺寸较大时，裂纹的愈合效果不明显，如图5所示。当电流密度过大时，裂纹周围出现局部熔化现象，在熔化处形成孔洞，并且其尺寸大于裂纹的宽度，因此不利于裂纹愈合。宋辉等在脉冲电流对纯钛及钛合金裂纹愈合作用方面做了大量的研究，在对TC4钛合金进行研究时发现，适当的脉冲电流密度对TC4钛合金中微裂纹有良好的治愈作用（如图6所示），但是当电流密度过大时，增塑效果并不理想。此外，通过对比图1和图6发现，脉冲电流通过试样后，裂纹尖端愈合程度最大，裂纹中间部位则愈合程度较低，只是减小了裂纹宽度或部分愈合。对这一现象，周亦胄认为，电流在通过裂纹附近区域时发生绕流，裂纹尖端电流密度最大，裂纹中间处电流密度最小，在邻近裂纹尖端的区域，电流可以通过基体，从而可以使尖端处得到很好的愈合。此外，研究表明在施加脉冲电流过程中，容易出现电击穿现象，该现象对裂纹的愈合也会产生一定的积极作用。电击穿使裂纹处组织发生破坏，此处的原子处于不稳定状态，在温度场和热压应力的作用下，很容易使该处原子发生移动使裂纹愈合。因此，高能脉冲电流对裂纹愈合的机理主要是在非热效应（电激活、电致迁移、电子风力等）的作用下使原子激活、迁移，从而促进位错的移动，随之，在焦耳热效应以及热膨胀产生的热压应力作用下，使已经产生局部熔化或软化的微裂纹得以愈合，从而改善金属材料的力学性能。

2．2再结晶在传统热处理中，纯金属或合金加热到一定温度以后会发生回复和再结晶，进而提高了其塑性和韧性。高能脉冲电流技术不仅可以产生焦耳热效应，还会产生由电流本身引起的电子风力和电致迁移，致使金属在更低温度下发生再结晶。在脉冲电流导致的合金再结晶动力学方面，相关学者进行了深入系统的研究。

2．2．1位错移动传统的再结晶理论认为位错的攀移和滑移由原子的热激活状态所决定，但是通入脉冲电流后，由电流引起的周期性电子风力将位错推至亚晶界，并且该作用力可促进原子的扩散而引起位错的攀移。因此，脉冲电流可通过加速原子的扩散过程促进位错的移动，加快晶界长大速度，有利于在较低温度和较短时间内使金属发生回复与再结晶［。Jiang等在镁合金电致塑性轧制的研究中认为，在脉冲电流实验中需要从空位通量的角度考虑位错的移动。空位通量变化的原因主要有，热效应，即焦耳热效应；非热效应，如电子风力和电致迁移作用。

2．2．2晶核长大国内外学者通过对金属材料施加脉冲电流处理，获得了尺寸更细小、分布更均匀的晶粒。刘志义等在对2091铝锂合金的研究中认为，晶核长大的驱动力是其晶界两侧储存能之差，缠结的位错在热压应力、脉冲电流产生的切应力以及空位流作用下，可获得足够能量攀移到晶界处，从而减少再结晶核心界面处的位错密度，进而降低再结晶核心界面两侧的能量差，最终导致再结晶核心长大速率下降，获得了尺寸较小的晶粒。很多研究表明，与传统热处理相比，脉冲电流处理技术可使材料在低于理论再结晶温度下发生再结晶。另外，一般脉冲电流实验都是在室温下进行，基本为空冷，并且没有保温过程，在较高的温升速度下，会使材料在极短时间内获得足够能量大大增加形核率，且由于冷却速度较快，晶粒没有充足的时间长大，最终获得了较细的晶粒。此外，Barank在对Pb－Sn液态金属凝固过程中通入脉冲电流后计算发现，过冷度增加9℃～15℃，凝固后组织得到了明显的细化。李超对轻合金板材进行脉冲电流超塑成型研究中认为，再结晶形核后，晶核的长大速率由晶界迁移速度决定，其驱动力为形变储存能，并且随着晶核的持续长大，位错密度降低，晶界总面积减少，导致界面自由能降低，结合原子通量的表达式，推导得出了晶核长大速率计算公式以及亚晶界长大速率公式分别。因此，高能脉冲电流通过促进原子扩散、位错移动可加速再结晶速度、提高再结晶形核率，并且在长大过程中，通过降低晶核长大驱动力，可使晶核长大速率降低。脉冲电流对材料影响的上述特点是传统热处理所不具备的，并且结合较快的降温速度，可以很好地解释施加脉冲电流后，材料中出现更细、更均匀晶粒的原因。

2．3相转变Wang等人对Cu－Zn合金进行脉冲电流实验后发现大量的小尺寸铅颗粒在晶界处析出，如图7所示。对于这一现象，其利用Donlinsky等推导出的通电前后载流导体自由能变化的相关公式进行了很好的解释，认为脉冲电流影响相转变的决定性因素是由于形成新相所造成的系统自由能Wf的变化。

3展望

脉冲电流在金属材料的制备及性能改善等方面经历了半个多世纪的发展，研究表明在适当的参数下，高能脉冲电流可以对材料的增塑、细化组织、加速相转变等起到良好的效果，该工艺具有的高效、节能等特点是传统热处理所不具备的。但是作为一种新兴的材料改性技术，其目前的研究进展存在着一定的局限性，具体如下：1）作用机理方面：对脉冲电流改性方面的研究，尤其是电子风力对原子移动的作用机理研究，至今停留在设想的阶段，仍未达成共识。2）试验设计方面：为设计合理的试验方案，需开发相关的模拟软件，模拟在脉冲电流作用下材料温升的温度场和热压应力场分布，并确定它们之间的关系。3）工业化生产方面：目前高能脉冲电流应用，主要集中在电致塑性拉拔、电致塑性轧制等方面，由于存在集肤效应，使作用深度很浅，限制了其应用。若要开展大规模的工业化生产，设计并制造出更高功率的设备是首要解决的问题。4）推广应用方面：目前高能脉冲电流处理技术已经在一些韧性金属中获得了应用，而工程上最迫切需要增韧处理的是一些本征脆性材料。但这方面的研究较少，已有的研究只是停留在作用机理方面，还未对一些需要增韧的新型工程材料开展应用研究，如金属间化合物等，这也是下一步研究的重点内容之一。

作者：陆子川 姜风春 程玉洁 果春焕 侯红亮 刘郢 单位：哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院 北京航空制造工程研究所 南京大学 现代工程和应用科学学院