（材料学专业论文）电脉冲铸轧铝合金组织与性能的研究.pdf

t h er e s e a r c ho fe l e c t r i cc u r r e n tp u l s eo nm i c r o s t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e so ft w i nr o l lc a s t i n ga l u m i n u ma l l o y b y y a n gq u n y i n g b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e rofe n g i n e e r i n g l n m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n f e n g y u n m a y ，2 0 11 89眦758 删8 m j l洲y r i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 杨群磊 4 日期：力7 年6 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：乃年 e l 期：，年 否 月勺日 多月歹日 i t 3 5 5 偏析2 8 3 6 本章小结2 9 第4 章脉冲电流处理对铸轧组织与性能的影响31 4 1 不同脉冲电流处理对铸轧组织的影响3 1 4 2 不同脉冲电流处理对力学性能的影响3 7 4 3 不同脉冲电流处理的断口形貌3 9 4 4 本章小结4 0 第5 章均匀化处理对对铸轧组织与性能的影响4 l 5 1 均匀化处理对薄带显微组织的影响4 1 5 2 均匀化处理对铸轧薄带性能的影响4 4 5 3 均匀化处理后的断口形貌4 8 5 4 本章小结4 9 结论：51 参考文献5 2 致谢5 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 7 lroi 习j1 -1， 硕士学位论文 摘要 铸轧是将铝熔体导入内部通有冷却水的旋转两轧辊辊缝间，直接以轧辊作为 结晶器，一边凝固一边轧制，生产出可以直接卷制的带坯的一种工艺。具有工艺 简单、流程短、生产成本低、节约能耗等诸多特点，但目前对a 1 m g 系铝合金的研 究比较少。主要是因为采用铸轧法生产该系合金板坯时存在铸轧区内结晶不均匀 而导致的板坯组织差异、成分偏析、裂边等诸多缺陷。因此控制铝液在铸轧区内 的均匀性成为开发a 1 m g 系铝合金铸轧工艺的技术难点，而采用新的技术和工艺有 望对扩展合金铸轧的种类开辟新的道路。 本论文主要以5 1 8 2 铝合金为研究对象，通过在铸轧过程中不施加脉冲电流与 施加脉冲电流的对比试验。采用金相观察、e p m a 等分析方法，对不同脉冲电流处 理的试样与没有处理过的试样的组织进行了分析，包括组织形态和分布等，最后 对不同参数处理的试样进行了相关力学性能的测试。 实验结果表明：在铸轧过程中施加合适的脉冲电流后，使合金的组织得到了 明显地细化和均匀化。且晶界上的偏析有所减轻，但是并没有完全消失。结合铸 轧试样进行强度、塑性、硬度等力学性能的测试结果得出最佳的电脉冲铸轧工艺 参数。运用脉冲电流能够破碎枝晶和提高过冷过度增加形核率的观点解释了组织 和性能得到改善的原因。 在对电脉冲铸车l 5 1 8 2 铝合金试样出现粗大条状偏析物进行成分分析，设置不 同均匀化处理工艺。试验结果表明：经5 0 0 x 4 h 均匀化处理后，合金组织中的偏 析物基本扩散溶而且力学性能得到明显的提高。 关键词：518 2 铝合金；脉冲电流；显微组织；力学性能；均匀化处理 。li l i 。l i 囊 鹰4 电脉冲铸轧铝合金组织与性能的研究 a bs t r a c t t w i nr o l lc a s t i n gi sak i n do fp r o c e s s ，w h i c hc a l lp r o d u c ed i r e c t l yc o i l i n go fa l u m i n u m s t r i pw h e nl i q u i da l u m i n u mp u ti n t og a pb e t w e e nt h et w or o t a t i n gr o l l e r s t h er o l l e r sa r e 舔 f o rc r y s t a l l i z e r sd i r e c t l yw h i l es o l i d i f i c a t i o nw h i l er o l l i n gb e c a u s eo fc o o l i n gw a t e ri n t e r n a l t w i nr o l lc a s t i n gi sa ne c o n o m i c a lp r o c e s sf o rt h es h e e tp r o d u c t i o nb e c a u s eo fi t ss i m p l e p r o c e s s ，l o wi n v e s t m e n t , s h o r tw o r k i n gp r o c e d u r ea n de n e r g ys a v i n g h o w e v e r , t h e r ea r en o r e p o r t so na i - m ga l l o y sp r o d u c e db yc a s t r o l l i n gp r e c e n t l y m a i n l yt h e r ea r em a n yd e f e c t s ， f o re x a m p l eg a n i z a t i o n a ld i f f e r e n c e s ，c o m p o s i t i o ns e g r e g a t i o n , m a n yc r a c k e de d g e sb y c a s t - r o l l i n gb e c a u s eo fc r y s t a l l i z a t i o nn o n - u n i f o r m t h e r e f o r ec o n t r o l l i n gh o m o g e n e i t yo f l i q u i da l u m i n u mi nc a s t - r o l l i n ga r e ab e c o m et h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sf o rd e v e l o p m e n t i n g a 1 一m ga l l o y se a s t - r o l l i n gp r o c e s s a n di ti se x p e c t e dt oc a v i n gn e wk i n d so fw a y s 晰t l ln e w t e c h n o l o g ya n dp r o c e s sf o re x p a n d i n gc a s t - r o l l i n ga l l o ys p e c i e s p r o c e s so ft h et w i nr o l lc a s t i n go f518 2a l l o yw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o lt e s t 、航t l la n dw i t h o u ti m p o s i n ge l e c t r i cc u r r e n tp u l s et oc a s t i n gr o l l e ri ne a s t - r o l l i n g i nv i r t u eo f o p t i c a lm i c r o s c o p y 、e m p a ，w eo b s e r v e da n da n a l y z e dt h em i c r o s t r u c t u r e so fs a m p l e sw i t h d i f f e r e n te l e c t r i cc u r r e n tp u l s ea n dw i t h o u te l e c t r i cc u r r e n tp u l s et r e a t m e n t , i n c l u d i n gt h e m o r p h o l o g yo ft h em a t r i x , t h ed i s t r i b u t i o n a c c o r d i n g l y , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e s p e c i m e np r e p a r e dp r e v i o u s l yw e r et e s t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo fa l l o yi sr e f i n e da n d u n i f o n n i z a e d a p p a r e n t l yw i t hs u i t a b l ep u l s ec u r r e n ts t r e n g t h t h ep h e n o m e n o no fc o m p o s i t i o ns e g r e g a t i o n i sr e d u c e do b v i o u s l y , b u ti ti sn o td i s a p p e a r e da l t o g e t h e nf i n a l l y ，w ed e r i v e dt h eb e s tp r o c e s s p a r a m e t e rf o re l e c t r i cc u r r e n tp u l s eo na 1 - m ga l l o y sf r o mt h et e s t i n go ft h et e n s i l es t r e n g t h , e l o n g a t i o na n dm i c r o h a r d n e s so fa u o y sp r e p a r e d a c c o r d i n gt ot h a te l e c t r i cc u r r e n tp u l s ec a n b r o k e nb r a n c h e sc r y s t a la n di m p r o v es u b c o o l i n ga c c e l e r a t et h en u c l e a t i o n , w ee x p l a i nt h e r e a s o n so fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l l o ya r ei m p r o v e d t h ep h e n o m e n o no fc o m p o s i t i o ns e g r e g a t i o ni s a n a l y s e d ，a n ds e tu pd i f f e r e n t h o m o g e n e o u st r e a t m e n tp r o c e s s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tc o m p o s i t i o ns e g r e g a t i o ni sd i f f u s i o n d i s s o l v ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo b v i o u s l yi m p r o v e dw i t h5 0 0 。cx 4 h k e yw o r d s ：518 2a l u m i n u ma l l o y ；e l e c t r i cc u r r e n tp u l s e ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；h o m o g e n e o u st r e a t m e n t h 罐 i 毒： 硕十学位论文 曼曼曼皇舅量置曼量曼皇量曼曼曼曼量曼曼曼曼曼量鼍舅曼皇曼曼皇量pmi p l , 蔓 1 1 铝合金 第1 章绪论 铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铝合金密度低，但强 度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、 导热性和抗蚀性。由于这些不可比拟的优点，因而发展非常迅猛，铝和铝合金在 工业上得到广泛使用，使用量仅次于钢。在航空、航天、汽车、机械制造、船舶 及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，我国 的铝加工业也得到快速发展，预计未来一个时期，随着经济的持续发展，国内市 场对铝材的需求仍然继续增长。新的时代对铝工业提出了新的要求：节能、环保、 安全。目前铝合金材料的发展趋向如下： 达千种以上，分别包含l x x x 至l j 9 x x x 系中， 全世界已经正式注册的铝合金材料已经 为世界经济的发展和人类的进步做出了 巨大的贡献。但是随着科技的进步和人民生活水平的提高，有些合金已被淘汰， 急需发展一批高强、高韧、高模、耐磨、耐蚀、耐疲劳、耐高温、耐低温、耐辐 射、防火、防爆、易切削、易抛光、可表面处理、可焊接和超轻的新型铝合金。 如之7 5 0 m p a 的高强高韧合金，密度小于2 4 x 1 0 3 k g m 3 的铝锂合金，粉末冶金材料 和复合材料等。 1 25 1 8 2 铝合金的基本概况 5 1 8 2 铝合金属于热处理不可强化合金，具有较好的塑性、抗蚀性、焊接性等 综合性能，在舰船、航空、航天等领域有着广泛的应用。铝板应用于加工易拉罐 盖、汽车车身板、操纵盘、加强件、托架等零部件。 表1 1518 2 合金化学成分( 质量分数，) t a b l e1 1c o m p o s i t i o no f518 2a l l o y ( m a s sf r a c t i o n ，) 1 3 铸轧技术的发展 材料铸轧成型技术是一种近净和近终成型新技术，它利用材料从液态一半固 态一固态的转变过程中所表现出的优异流动性和低的变形抗力，实现材料的加工 成型。这种技术改变了传统薄带的生产方法，取消了加热和热轧等工序，具有以 电脉冲铸轧铝合金组织与性能的研究 下优点： 1 投资少、见效快、投资回收期短，对于中小型铝板带轧制厂是可行的。 2 金属通过量大，可以用回收废料作原料，生产成本低廉，在价格上颇具竞争 力。 3 明显地减少了从铝液一铸块一热轧板带或重轧的时间，省去了铸块、铣面、 开坯等工序，提高了劳动生产率。l 4 降低了由于热轧所需的一系列工序的能耗。 l 5 双辊连续铸轧工艺的生产线配置合理，结构紧凑，方便操作。 铸轧技术的发展至今已经有1 5 0 多年的历史。l8 4 6 年英国的贝塞麦( b e s s e m e r ) 提出从两个旋转辊上方浇铸金属液，通过一对内部具有循环冷却水的铸轧辊辊缝 间隙，经结晶、凝固、变形后从下边引出铸轧带坯。但限于当时的技术水平和工 艺条件而未能获得成功，德国的容汉斯( j u n g h a n s ) 在1 9 3 0 年，首次报道了立式连续 铸轧成功的消息。1 9 5 1 年美国的享特道格拉斯( h u n t e rd o u g l a s ) 改善了铸轧辊的冷 却方式，采用了可控制金属液静压力的前箱，终于在1 9 5 5 年顺利地铸轧出带坯， 创立了双辊式铸轧机。1 9 9 9 年德国蒂森公司克雷菲尔德( k r e f e l d ) 厂建成了拥有世界 上第一台工业规模的带钢轧机，实现了工业上的生产和应用。而后许多国内外的 学者专家对铸轧设备和合金种类在铸轧机上的应用做出了许多的研究和探索。 2 0 0 1 年日本大阪工学院学者t h a g a 和德国柏林工业大学学者s s u z u k i h 在实验室 研究出一种称为m d t r c ( m e l td r a g et w i nr o l lc a s t e r ) 的快速铸轧方法，其铸轧速 度可以达到2 0 1 2 0 m m i n ，带坯的厚度为2 一- 3 m m 。m d t r c 铸轧机适用于凝固时 间长的各种铝合金，如a 5 1 8 2 合金、a 3 0 0 3 合金、a 1 6 s i 合金和a 1 1 2 s i 合金。 这种铸轧机的辊套采用铜质材料，因为铜质铸轧辊冷却速度要比钢质铸轧辊要快， 铜的导热性要比钢好，不会粘辊。m d t r c 铸轧机的轧制力小，可以不用润滑介质， 这样就大大提高铜质铸轧辊表面与金属铝液之间的热传导性。在传统的铸轧机上， 为了使带材不粘辊，不得不使用润滑介质，降低了铸轧辊与金属铝液之间的热传 导系数，直接影响了它们的铸轧速度。另外，立板容易也是m d t r c 铸轧机的一个 优良特征。 我国从1 9 6 4 年开始研制双辊式板带铸轧机，到目前为止，经过多年的发展， 据不完全统计，已拥有1 2 0 多台( 套) 铸轧设备。其中有从法国引进的皮希涅 ( p e c h i n e y ) 3 c 水平式板带铸轧机，有从英国引进的戴维( d a v y ) 公司双辊倾斜式板带 铸轧机，更多的是我国自行研制的国产设备。我国的有色金属铸轧板带技术从装 备到生产工艺都已经完全掌握，生产出的设备和产品都能达到世界先进水平。但 目前人们对铝合金的铸轧技术主要限于l x x x 和少数3 x x x 、8 x x x 合金。主要是因为 常规铸轧板存在成分偏析、组织不均匀、各向异性严重、深加工性能差等缺陷， 所以可铸轧的合金品种少，其产品品种和应用领域受到很大的限制。自2 0 世纪9 0 2 硕士学位论文 曼,- i , i 一 i ii 鼍曼鼍鼍 年代以来，针对常规铸轧工艺存在的主要问题，世界一些著名跨国铝业公司的研 究中心和大学，如美国h u n t e r 公司、英国d a v y 公司、法国p e c h i n y 公司与英国牛 津( o x f o r d ) 大学、德国亚深( a a c h e n ) 大学等先后进行了提高铸轧速度和降低厚度 的研究，但尚未能在工业生产中达到提速和减薄的目标。而对于a 1 m g 合金的研究 只限于实验室，对高镁系合金的研究更少。日本渡边良夫【2 】对5 1 8 2 合金进行了铸 轧实验发现铸轧组织同一般d c 材相比要细，但是易出现铸造过程中不易出现的缺 陷：边缘裂纹及划痕、中心线偏析、板面条痕、空穴等。t o s h i oh a g a l 3 】等人采用 h p t r c 法铸* l a 5 1 8 2 在速度为1 5 0 m m i n 得到了等轴晶组织，中心偏析消失。王发 东【4 j 分析了5 0 0 5 合金熔气体、渣来源，在铸轧过程了调整铸轧区长度、改进铸嘴 耳子结构( 由直线型改为圆弧过渡) ，使5 0 0 5 合金铸轧带材的裂边减至7 5i n l n 左右。 司开田1 5 j 阐述了5 0 5 2 铝合金铸轧冷隔产生的机理，并且采用加大分流间隔、加大 石墨喷涂、提高铸轧速度、控制前箱液面的高度和稳定性、控制合适的铸轧速度 等有效地减少了冷隔缺陷。黄昌华【6 】阐述了5 0 5 2 铝合金铸轧坯料气道产生的机理， 且指出通过以下的方法可以解决表面气道的产生：1 ) 降低保温温度和浇注温度。 2 ) 加入库存干燥、洁净的铝锭和废料。3 ) 精炼气体采用高纯a r 气。4 ) 铸咀板 采用高温烘烤在干燥室内保存。5 ) 合理配置立板参数。云南铝业股份有限公司的 陈德斌r 7 j 等人对5 7 5 4 铝合金的铸轧工艺从从铸嘴布流、耳子使用、冷却强度、铸 轧区与铸轧速度、温度等多方面进行优化。制得的5 7 5 4 铝合金铸轧板坯满足德国 e n 4 8 5 标准的要求，板坯内部组织和各项性能均达到了热轧工艺生产板坯的指标。 1 9 8 8 年电磁铸轧技术的问世可以说是给铸轧领域带来了一场新的革命，中南 大学和西北铝加工厂【g - 1 2 共同研制开发的电磁铸轧系统，改变了传统的铝及铝合 金连铸连轧技术，在电磁铸造的基础上研制了一套能产生特殊复合磁场的电磁感 应装置、一套能适应各种磁场要求的供电与过程控制系统的电磁铸轧技术，将电 磁场应用于铝合金连续铸轧中，可显著提高铸轧带坯的组织和性能。主要表现为： 1 施加电磁场能显著细化铝合金晶粒，可使铸轧带坯的晶粒度达到1 级水平。 2 促进带坯晶粒等轴化，提高等轴晶的比例。 3 促使马蹄形裂纹消除。 电磁铸轧技术的核心内容：在铸轧区引入以行波磁场为主的组合磁场，改变 结晶凝固条件，强化结晶一破碎一搅拌一结晶的动态形核结晶过程，使粗大的柱 状晶向细密的等轴晶转化，并可改变带坯原始晶粒取向，达到全面改善铸轧板性 能的目的。该技术不仅消除了传统铸轧靠添加a l t i b 细化组织所带来的合金污染， 而且在具有节能、生产周期短、投资小、见效快等优点。 1 4 脉冲电流处理对金属的影响 金属材料的力学性能与材料的组分和晶粒度密切相关。一般来讲，细小而均 3 电脉冲铸轧铝合金组织与性能的研究 匀的组织能够使材料在受力时具有较好的协调变形能力，使材料获得很好的综合 力学性能。因此通过控制和改变材料的组织来改善材料的性能成为许多科学研究 工作者的研究重点。对金属显微组织的细化是改善金属性能的主要手段，主要的 方法是向金属熔体中添加晶粒细化剂或者采用各种物理搅拌方法等。其中向金属 熔体中添加细化剂是以增加形核质点或抑制晶核长大从而达到细化组织的目的。 但是这种方法会对环境与金属液造成污染，影响了金属的回收利用。而物理搅拌 方法则是依靠从外面输入能量使晶核提前形核和破碎成长中的枝晶，使晶核数目 增加。但是在这种方法下金属液的强烈对流很容易卷入空气和氧化夹杂物，而且 设备工艺相对复杂。 随着科学技术的不断进步，凝固技术不断发展，许多新兴的凝固组织控制工 艺应运而生，其中脉冲电流对金属凝固组织的影响作用非常显著，并成为当前研 究的热点。自日本原子能研究所( j a p a na t o m i ce n e r g yr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的n a k a d a 等首先研究了大密度脉冲电流对过共晶s n p b 合金凝固过程的作用以来，许多国内 外学者在不同处理温度下对多种材料施加了不同参数的脉冲电流，从细化材料凝 固组织、改善相组成等方面入手，分别得出了脉冲电流对其所选金属凝固组织的 影响规律。电脉冲技术在材料成形领域非常普遍，它不仅有望用于控制液态金属 的凝固组织，还可以改善固体材料的塑性加工、疲劳寿命、非晶纳米化和金属再 结晶等性能。这种技术是一种绿色环保的材料制备方法，能够节约资源减少污染， 成为2 1 世纪先进材料和先进材料制备工艺研究的热点，有望在传统材料的研究上 有新的突破。 1 4 1 液相区脉冲电流的处理 张西锋【1 3 】等对4 5 钢研究发现，凝固前和凝固过程中施加电脉冲，这两种不同 的处理方式均能使4 5 钢凝固组织得到改善，等轴晶增加，树枝晶减少，且显微组 织也发生了显著改变：魏氏组织减少，珠光体增加，珠光体片层间距变薄。曹丽 云【1 4 1 等在7 6 0 下对z l l 0 1 合金进行电脉冲处理实验，对所得凝固组织与变质过 的凝固组织进行比较，发现当脉冲处理电压为3 0 0 v ，处理时间为1 2 0 s ，脉冲频率 为1 5 h z 时，所得的z l l 0 1 合金的凝固组织细化，局部呈现类似n a 和s r 变质的 特征，从而认为电脉冲对合金液有一定的变质效果。王建中【l5 】等将脉冲电流作用 于熔点以上尚未凝固时的a 1 5 o c u 合金熔体时发现：铸锭凝固后，柱状晶区缩 小、等轴晶区扩大，晶粒得到很大程度的细化。同时认为，处理后的合金液，具 有良好的抗孕育衰退能力。唐勇【1 6 】等对处于熔点以上的高碳钢液施加时间长短不 同的电脉冲进行孕育处理，发现适当的脉冲处理时间，能缩小钢锭柱状晶区，扩 大等轴晶区，有利于减小宏观偏析。同时对t 8 钢液脉冲处理后【1 1 1 ，发现随着脉 冲电压的升高，晶粒的形核率呈指数性增长，晶粒平均尺寸也逐渐减小，并且珠 4 硕士学位论文 光体的片层间距也随脉冲电压的升高而逐渐缩短。许广济【1 8 】等人研究了方波脉冲 宽度为1 0 0j - t s ，电流脉冲峰值为5 a 和3 0 a 时对z a 2 7 合金凝固组织的影响，结果 表明凝固组织由典型的树枝晶向非枝晶转化，在脉宽为1 0 0 1 x s ，脉冲峰值电流为 3 0 a ，脉冲频率为3 0 0 h z 时形成了粒状晶的凝固组织。何力佳，王建中【l9 】等人研 究了电脉冲作用下a 1 2 2 s i 合金凝固组织的显微硬度以及凝固相变点的变化。发 现初生硅明显细化，且形核质点数目增加，同时共晶组织中针状硅相形态比较细 密。显微硬度值随脉冲电压、脉冲处理时间等参数的变化不大，而随着脉冲频率 的增加其硬度值有相应上升的趋势。齐锦刚【2 0 】等人对处于熔点以上的纯铝施加电 脉冲，经过多次重熔实验，研究了熔体结构的遗传性。结果表明电脉冲孕育处理 能够明显细化试样的凝固组织，脉冲电场下铝熔体的遗传效应显著，其重熔子一 代的遗传信息为8 0 ，遗传载体为液态金属中较稳定存在的原子团簇。李平【2 l 】等 人对对方坯连铸0 9 c u p c r n i 钢进行电脉冲孕育处理，与没有施加电脉冲孕育处理 的连铸坯相比，经电脉冲处理后的连铸坯的柱状晶长度明显缩短，一次枝晶臂间 距明显减小连铸坯的中心等轴晶区扩大，中心缩孔得到明显改善。 1 4 2 固液两相区脉冲电流的处理 王静松，薛庆国【2 2 】等人对铸铁铁液进行脉冲电场处理发现：合适的脉冲电场 作用能够促使铸铁铁液在凝固过程中发生石墨化转变且处理时间的延长有利于石 墨化的转变。美国麻省理工学院的m a s a y u k in a k a d a 2 3 】等研究人员在s n 1 5 p b 合 金凝固开始时用初始电压2 5 0 0 伏的电脉冲进行了处理结果发现大的富s n 树枝晶 变成了细小球状富s n 晶粒，且初生相的形貌不仅与电脉冲的初始峰值电压有关， 还与合金液中的固相分数及冷却速度有关：短的电脉冲触发时间，大的电容器起 始电压和慢的冷却条件有利于细化组织。何树先等【2 4 】在对过共晶a 1 1 9 s i 合金施 加充电电压为1 5 0 0 v ，频率为1 h z 的脉冲电流时，同未经任何处理的试样相比较， 未处理的试样的凝固组织中含有大量的长杆状初生s i ，其长宽比较大，且共晶s i 尺寸较大。而经过脉冲电流处理后的凝固组织中初生s i 转变为块状，长宽比显著 减小，共晶s i 呈短杆状，尺寸较小。范金辉，陈宇【2 5 】等人在脉冲电源电容为3 6 4 0 1 x f 不变的情况下，采用不同的充电电压在纯铝的凝固过程中进行电脉冲处理，结果 得出：脉冲电流能够扩大纯铝铸锭的等轴晶区，缩小柱状晶区，并使晶粒尺寸细 化。但是脉冲电流要有合适的参数，只有当电流密度和脉冲频率合适搭配时，才 对金属凝固组织有显著的细化作用。当充电电压为1 1 0 0 v 时铸锭整个纵截面几乎都 变为均匀细小的等轴晶。何树先【2 6 】研究了高密度脉冲电流对a 3 5 6 铝合金凝固组织 的影响，分别在凝固过程开始阶段( 6 1 4 5 6 0 5 ) 和结束阶段( 5 9 0 - 5 7 0 c ) 进行 放电处理，结果发现充电电压为1 0 0 0v 时，电脉冲在凝固开始阶段放电，组织呈 非树枝晶形貌，并且晶粒细小；而在结束阶段处理，组织则呈现明显的树枝晶组 5 电脉冲铸轧铝合金组织与性能的研究 蔓曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼鼍量舅曼量舅曼曼曼曼曼曼鼍! 曼皇! 曼i i 皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼量曼量曼曼曼曼曼曼曼曼舅鲁曼皇蔓曼量曼曼曼曼曼量曼曼曼曼鲁曼皇舅 织，晶粒比较粗大。当电脉冲充电电压为2 0 0 0 v ，在凝固后期放电时，凝固组织形 貌由树枝晶转变为等轴晶组织。鄢红春【2 7 】等针对s n 1 0 p b 共晶合金的凝固过 程，施加以1 5 0 0 v 的充电电压并放电3 0 次的脉冲电流，发现粗大的富s n 树枝状初晶 细化成近球状结构。班春燕【2 8 】研究了脉冲电流作用下纯a l 及a 1 5 3 z n 合金中晶粒 的尺寸与形状，与没有施加脉冲电流的试样相比，晶粒得到细化和等轴化。万刚、 武保林【2 9 】等在z n 4 2 a 1 - - 元合金的定向凝固过程中施加脉冲电流处理，系统地研 究脉冲电流的大小、频率对z n 4 2 a 1 合金定向凝固组织的影响规律。结果发现： 在脉冲电流作用下的z n 4 2 a 1 合金凝固组织随着脉冲电流强度的增加，组织的细 化效果越明显。而且脉冲电流对z n 4 2 a 1 合金凝固组织的细化效果对应一个电磁 振荡频率的临界值，频率过高反而不利于细化。廖希亮1 3 0 】等人将脉冲电流作用于 a 1 4 5 c u 合金试样的上下两端，分析脉冲电流对合金定向凝固组织的影响。结果 发现：抽拉速度在3 1 沮m s 时，随着脉冲电流密度的增大，合金固液界面形貌由胞状 向平界面生长；抽拉速度在1 4 1 - l m s 时，随着脉冲电流密度的增大，胞状晶间距显 著减小；而抽拉速度在9 6 1 x m s 时，随着脉冲电流密度的增大，合金凝固糊状区显 著缩短。 1 4 3 脉冲电流对固相金属的处理 脉冲电流对固态金属的影响目前研究最多的是金属材料的电致塑性效应，它 是1 9 6 3 年苏联学者t r o i t s k i i 和l i k h t m a n 在作表面活化剂的研究时首次发现的：在表 面涂汞的锌单晶拉伸试验中，当温度为7 8 k ，照射电子的能量为1 一 3 m e v ，并且加 速电子流的照射方向沿锌晶体滑移系的 0 0 0 1 方向时，锌试样的流变应力 降低，极限伸长量增大，塑性显著提高。但当电子流垂直于滑移面时，锌明显脆 化，流变应力高于平行照射时的应力，并且发生脆性断裂。后来各国学者进行进 一步的研究，美国学者c o n r a d 3 1 】等人的实验证明，脉冲电流使合金疲劳寿命提高 了2 - 3 倍，并且能减少沿晶开裂的数量。原因是脉冲电流提高了滑移的均匀性， 降低了晶界开裂的几率，使微裂纹萌生的载荷循环数增大，同时由于电流能造成 裂纹的闭合效应，还使微裂纹扩展速度降低，这就是电流韧化效应的结果。他们 通过实验发现脉冲电流能提高a 1 、c u 等金属以及金属间化合物n i 3 a 1 的回复和再结 晶的速度，由于电流能降低材料中剩余位错的密度，还使再结晶晶粒长大速度减 慢，获得较细小的晶粒度，电流特别是脉冲电流的塑性效应，普遍反映在与变形 有关的各种物理力学过程中。美国学者的实验表明，脉冲电流甚至能降低n b 这样 一类熔点高的体心立方金属的低温变形应力，提高其变形速率。俄罗斯钢料的电 致塑性和金属材料的电致塑性这两大项目正在启动中【3 2 1 。国内电致塑性的研究也 处于起步阶段，正在蓬勃发展。唐国翌、郑明新【33 】等人研究了电塑性加工技术对 冷拔钢丝的影响，指出电脉冲的引入大幅度降低变形抗力、钢丝生产中的拉拔力、 6 硕士学位论文 钢丝的强度，提高了塑性。姚可夫【3 4 】等研究了脉冲电流对钢丝拉拔变形的影响， 实验结果表明，拉拔过程中施加脉冲电流不但能显著降低钢丝的拉拔力，还能减 缓钢丝的加工硬化，降低钢丝的抗拉强度和提高钢丝的伸长率，同时提高钢丝的 塑性变形能力和钢丝的总的变形量，并且能减少甚至取消钢丝拉拔过程的中间退 火。郭晓楠 5 j 等对h 6 2 铜进行高密度脉冲放电，结果表明，经过脉冲电流处理后 的试样抗拉强度下降，但伸长率提高，而且经过脉冲电流处理后的试样的伸长率 比经过去应力退火的试样的伸长率提高9 9 ，同时发现电脉冲处理可以显著提高 试样的塑性。田吴洋【36 】对镁合金的丝材进行电致塑性拉拔，拔制应力出现较大幅 度的降低，降幅可达1 5 2 5 ，材料的塑性也得到了显著提高。唐国翌开发了电 致塑性轧制和拉拔镁合金加工的新技术，在加工过程中取消了用热处理炉进行软 化退火的工序，提高了生产率，同时产品的质量也优于其它的工艺。刘志义【3 7 】研 究了脉冲电流对2 0 9 1 a 1 l i 合金超塑变形中晶内位错滑移、晶界位错滑移以及原子 扩散的影响，指出脉冲电流能够促进位错滑移及增值，降低原子扩散激活能，加 速位错在晶界上的滑移。林华强【38 】等人采用自制的脉冲发生装置对轧制t i 6 a 1 4 v 的试样进行了不同脉冲参数的处理，结果表明，脉冲电流使试样瞬间急速升温、 产生较高的热压应力，并发生a d 相变。且适当优化电脉冲处理工艺参数使 t i 6 a 1 4 v 合金的综合力学性能得到提高。周亦胃等【” 4 0 】深入研究了脉冲电流对t i 一6 ab 4 v 合金及4 5 碳钢裂纹扩展的阻滞与愈合的影响。研究认为在疲劳裂纹扩展 过程中，大电流脉冲影响裂纹尖端的扩展行为。裂纹尖端对裂纹的再扩展有阻滞 效应，减缓疲劳裂纹的扩展，延长疲劳裂纹的扩展寿命：裂纹周围由于局部电阻率 的增大会快速升温引起瞬时热压应力，在这种热压应力的作用下，裂纹两侧面相 互靠近，当其面间距减小到一定程度时，加之局域高温的作用，裂纹就可能愈合。 1 5 脉冲电流对金属的作用机理 脉冲电流对金属作用的机理目前尚不完全清楚，从现有的理论来看，对金属 凝固组织的机理主要可以分为以下几种：热效应、p e l t i e r 效应、起伏效应、冲击波 效应、磁致收缩效应、孕育效应、电致塑性效应等。 1 5 1 液相区电脉冲处理机理 液态金属中存在着相对稳定的近程有序原子集团或分子集团( 团簇) ，而处于一 定尺寸范围内的原子或分子团簇在液态金属的结晶过程中可以成为晶体形核的晶 胚。北京科技大学的王建中 1 9 1 和唐勇建立了如下的理论：在电脉冲作用下，瞬态、 高能的电场很可能会对原子团簇的外电场有一大的畸变效果。如果团簇外电场的 畸变满足某特定的条件，达到一种松弛状态，就会捕捉一定数量的单个液态原子。 当新捕捉的原子的数目和原子团簇内原有的原子数之和满足下一个幻数特征时， 7 电脉冲铸轧铝合金组织与性能的研究 在脉冲电场撤消后新的原子就和原来团簇内的原子组成一个更大的团簇，并稳定 存在。而此时形成的原子团簇的能量也从一个能级跃迁到另一个较高的能级，并 稳定存在。一定时间内的电脉冲处理，使得越来越多的原子团簇外电层经反复的 畸变松弛，不断捕捉新的液态金属中的原子，原子团簇数目逐步增多，团簇尺度 也逐渐扩大。同时，脉冲电场强度越高，原子团簇外电层变形就越大，捕捉的原 子数目越多，形成的新团簇的尺度也就越大。如果金属熔体中足够大尺度的原子 团簇数量达到一定的值，则在金属的凝固过程中，这些“孕育”出来的团簇演化为 形核晶胚。形核点的猛增导致了凝固组织的细化。 1 5 2 固液两相区电脉冲处理机理 在凝固过程中施加电脉冲，其机理也是众说纷谈。主要是电脉冲对形核有着 积极的作用，能够降低形核能，增加形核率，并使晶粒的长大受到抑制。b a r n a k l 4 l j 等通过对近共晶s n 6 0 p b 4 0 和s n 6 3 p b 3 7 合金施加脉冲电流实验，发现：高密度的电 脉冲使s n p b 合金的共晶团大大减小，并使得在合金凝固时产生显著的过冷，而且 得出脉冲电流密度与过冷度间的曲线关系式。而訾炳涛，姚可夫【4 2 1 等人在高密度 脉冲电流能够明显地细化2 0 2 4 铝合金凝固组织中认为，在高密度脉冲电流作用下 的形核率为： n = c o n s f ( 告) e x p l , 可- 1 6 面w y l 压s t o f r ( o ) j ( 1 1 ) 式中：d l 为液体扩散系数，a 为跃迁距离，丫l s 为液固界面能，f r o ) 为不同种类晶 核的形状因子，a h 为凝固焓变，t 为过冷度。a t - - a t 0 + a t p ，a t 0 为不存在脉冲 电场时正常冷却的过冷度，a t p 为由高密度脉冲电流作用下产生的磁场压力使熔体 被反复地压缩而带来的附加过冷度。从形核率的公式可以看出，a t p 增加了t ， 形核率n 由于高密度脉冲电流产生的附加过冷度作用而增大。 另外种是枝晶碎断说，普遍认为当脉冲电流通过金属熔体，将产生一个变 化的磁场，在磁场的作用下，导电流体会出现向其中心轴收缩的现象。电脉冲通 过金属熔体能产生电磁力，研究认为在电脉冲过程中产生电磁力使金属熔体压缩、 振荡，金属熔体振荡又促使新形成的枝晶晶核从型壁游离，进入金属熔体中，而 型壁处又会形成新的晶核，如此反复，就会提高金属熔体的形核率，使金属的凝 固组织得到细化。单位面积上所产生的最大电磁力【2 6 】为： ，：曼乓 ( 1 2 ) 1 断2 口2 式中：p o 为真空磁导率( 4 x x l 0 7 h m ) ，i 为通过熔体试样的最大电流( a ) ，伍为试样 半径( m ) 。当电脉冲在熔体中所产生的电磁力不足以粉碎已有的树枝晶组织时，电 脉冲可以起到干扰金属原子的正常迁移规律、减慢枝晶生长速度的作用，从而达 8 硕士学位论文 到细化凝固组织的目的，但不能改变已有凝固组织的形貌。 1 5 3 固相区电脉冲处理机理 苏联学者对电致塑性的早期解释：金属受电子流照射时，一次加速电子以及 等离子体振荡引起的更大量的二次电子，以激发的形式将能量和力传递给位错， 在金属中电子漂移速度超过运动位错弹性波的相速度( 或位错速度) 时，电子对运动 位错和相互作用中的位错起加速作用。与此同时，电子照射还增强了位错源的功， 部分抵消了已发射位错作用于位错源的反锁应力，因而降低了晶格中位错运动和 其相互作用的势垒，所以金属的塑性得到提高，并且这一提高随照射之能量的增 大而增大。但是，如果电子照射能量过大，超过金属的原子被击出晶格位置的极 限值时，引起晶格缺陷，反使金属产生辐照强化，而导致塑性下降。 t r o i t s k i i 等人进行了大量的、系统的研究，指出位错克服机制：在机械应力和 电流作用两者有利配合的条件下，位错依靠本身的动能克服障碍或从障碍上解脱， 而后在无约束的地区移动，直至碰到下一个障碍为止。根据从漂流电子获得能量 的高低，位错最后或者克服新的障碍，或者在新障碍前停留下来，等待金属被施 加以更大的应力。z u e v 43 】等在实验中发现，无论电子运动的方向与位错运动的方 向相同或相反时，都能增加位错运动的速度，而且其增加的幅度随着电流密度的 加大而加大，证实了电子流和位错之间存在相互作用。现已认同电子流与位错之 间存在这种交互作用【4 4 1 ，电致塑性效应被认为是由于电子流与位错发生交互作 用，运动电子流给位错施加作用力，促进位错的运动；同时提高了位错越过障碍 的能力，因此提高了金属的塑性变形能力。当高强度脉冲电流作用于金属和合金 时，除电子流与位错的交互作用外，电流还会产生一些其他效应。研究结果表明 【45 1 ， 焦耳热效应也是一个重要的原因，但是而在很多时候人们并不希望出现大 的温升。因此，常用减小脉冲电流的脉宽来减小温升。实验结果证实，即使温升 很小时，脉冲电流也能产生显著的电塑性效应