高能脉冲电流对金属材料的作用
7页1、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
2、的研究状况18 6 1年,Geradin等4 5首次在铅一锡、汞一钠的 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。TpouKU必8于196 3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 paBTeHKO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
3、 异是由不同材料的变形机制不同所致。St epanov22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3 0s内基本完成纳米晶化,相比于
4、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50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 u等3 94 0对10 4 5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
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