（材料学专业论文）高密度电脉冲处理对镍基高温合金组织及性能的影响.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a i ss c i e n c l l 2 1 e f f e c t so fh i g hd e n s i 够p u l s ec u r r e n to nm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r 锣o fn i c k e l b a s es u p e r a u o y s b y ：l ig u o d o n g s up e n ，i s o r ：p r o f e s s o rw a n gl e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 j u n2 0 0 8 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 i l研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 | l的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 l 学位论文作者签名： 座闺栋 日期：2 砷g 7 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文储魏办闺椽新躲 签字日期：签字日期： 吩_ 钿 4 口 t t t - 声 东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 自1 8 6 1 年金属材料中的电迁移或电传输现象被发现，电流对金属材料的影响一直 被各国学者所关注。其中高密度脉冲电流作用下，材料的制备过程、加工过程和热处理 过程中出现的新现象引起了研究者们的极大兴趣。 高温合金是标志国家科技发展水平及国防能力的重要金属材料。随着对高温合金性 能要求的不断提高，高温合金化程度也随之增加，出现了诸如加工塑性差、长期时效后 韧塑性下降等瓶颈性问题。本研究利用脉冲电流对镍基高温合金进行改性，研究脉冲电 流作用下合金的组织演化和性能变化规律。 本研究使用的电脉冲处理装置为：可输出电流密度为o 4 0 0 0 a m m 2 微机程控脉冲 电流源( 脉冲频率为2 h z 5 0 h z ，脉冲宽度为2 5 妒1 0 5 “s ) ，并采用实际测量方法来确 定电脉冲处理时试样的实际温度。主要研究了高密度脉冲电流下g h 4 1 9 9 和g h 3 6 2 5 合 金的时效过程和再结晶行为，同时与常规时效和退火处理的进行了对比分析。 脉冲电流促进了g h 4 1 9 9 合金的时效过程，使g h 4 1 9 9 合金中丫相和晶界m 2 3 c 6 型 碳化物迅速长大。理论计算表明：脉冲电流处理降低了g h 4 1 9 9 合金的扩散激活能，脉 冲电流使g h 3 6 2 5 合金中的位错密度降低，促进g h 3 6 2 5 合金中孪晶和层错的形成。 脉冲电流退火处理促进了g h 4 1 9 9 合金和g h 3 6 2 5 合金再结晶过程。对冷轧g h 4 1 9 9 合金进行电脉冲退火2 0 m i n ( 处理温度达6 0 0 ) ，合金己发生了再结晶，且合金中存在 两种尺寸的m 6 c 型碳化物，而即使8 0 0 常规时效4 0 m i n ，亦未发现有再结晶出现。同 样在6 0 0 下对g h 3 6 2 5 合金脉冲电流退火4 0 m i n ，合金再结晶过程已经完成：而6 0 0 常规退火处理4 0 m i n ，合金没有发生再结晶，8 0 0 常规退火处理4 0 m i n ，合金开始发生 再结晶。 脉冲电流提高了g h 4 1 9 9 合金室温屈服强度和抗拉强度，而拉伸断裂延伸率可维持 基本不变或稍有降低，从而使g h 4 1 9 9 合金获得更优异的力学性能。扫描电子显微镜的 拉伸断口分析发现：电脉冲时效后，晶内尺寸较大的m 6 c 是微裂纹形成源。 总之，本文研究了脉冲电流下镍基高温合金组织和性能的变化规律，本研究结果为 改善镍基高温合金的组织和力学性能提供了创新性的思路与途径。 关键词：镍基高温合金、脉冲电流、时效、再结晶、y 相、晶界碳化物 - 和 j 蠢 - 。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e f f e c t so f h i g hd e n s i t yp u l s ec u r r e n to nm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a l p r o p e i t yo f n i c k e l b a s es u p e r a l l o y s a b s t r a c t s i n c el8 6l ，t h ep h e n o m e n o no fe l e c t r o m i g r a t i o no rm a s st m s p o r t a t i o ni i lt h em e t a l l i c m a t e r i a l sw a sd i s c o v e r e d ，t 1 1 ee 丘e c t so fe l e c t r i cc u r r e n to nm e t a l l i cm a t e r i a l sh a v eb e e np a i e d a t t e n t i o n t h en e wp h e n o m e n ac a u s e db yh i g hd e n s i t ) rp u l s ec u r r e n to nt h ef a b r i c a t i o n ， w o r k i n gp r o c e s s i n ga 1 1 dh e a t 仃e a n n e n to ft h em a t e r i a l sw 嬲f o c u s e dw i t hm 锄yr e s e a r c h e s s u p e r a l l o ya so n ek i n do ft h ei m p o n _ a i l tm e t a l l i cm a t e r i a l s ，i ti ss a i dt 0b et h el e v e l s y m b o lo fi n d u s t d rf o rac o u n n y i no r d e rt oa d 印tt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s ，m o r em u c h a l l o y i n ge i e m e n t sh a v et 0b ea d d e di n t ot h es u p e m l l o y s ，i tl e a d st l l ep o o rd e f 0 咖a b i l i 吼 e s p e c i a l l y t l l ed e c r e a s eo ft o u g i l i l e s sa n dp l a s t i c i 够a r e rl o n g - t e 咖a g i n g i n l ep r e s e n ts m d y ah i g hd e n s i t ) ，p u l s ec u r r e n tw 2 u su s e dt 0i m p r 0 v et l l em e c h a l l i c a lp r o p e r t yo fn i c l 【l e - b a s e s u p p e r a n o y s ，a l l dt h em e c h a n i s m so fm i c r o s t m c t u r ee v o l u t i o na n dm e c h a i l i c a lp r o p e r t yw e r e a j s od i s c u s s e d a m i c r o c o m p u t e rc o n t l o l l e de l e c 仃o p u l s i n gi n s t r u m e mw 嬲u s e df o rt h ee l e c 仃o p u l s i n g 仃e a t m e n t ，w i t l lac u r r e n tc a p i s i t yo f4 0 0 0 a m m 2 ，ap u l s ef k q u e n c yo f2 h z 5 0 h za i l da p u l s ed u r a t i o no f2 5 肛s l0 5 p s 1 1 1 et e m p e r a t u r ev 撕a t i o nd u r i n ge l e c t r o p u l s i n gt r e a t n l e n ti s m e a s u r e db yam e 册a l c o u p l ea t t a c h e do nt h es p e c i m e n t h ee n e c t so fh i 曲d e n s i t ) ，p u l s e c 硼r e mo nt l l ea g i n gp r o c e s s 锄dr e c 巧s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro fg h 4l9 9a l l o ya 1 1 dg h 3 6 2 5 a l l o yw e r es t u d i e d ，c o m p a r i n gw i t ht h a tt r e a t e db yn o 肌a la g i n go ra l m e a l i n gt r e a t m e n t b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i tc a i lb ef o u i l dt h a tt h ep u l s ec 岍e n ta c c e l e r a t e dt h e a g i n gp r o c e s so fg h 4 l9 9a l l o y ，b o mt l l e 丫p h a s e 锄dc a r b i d e so nt h eg r a i nb o u l l d a d ，o f g h 4l9 9a l l o ya r ee n l a 唱e db ym ee l e c t r o p u l s i n g t h e o 巧c a l c u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt l l e d i n u s i o na c t i v “o ne n e 唱yo fg h 419 9a l l o yw 鹤d e c r e a s e db yt h e p u l s ec u r r e n t ，t l l e d i s l o c a t i o nd e n s 时w a sd e c r e a s e d 孤dt h e 似i n 弛d m l to f g h 3 6 2 5 “l o yf o n n e de a s yb yt 1 1 e e l e c t r o p u l s i n g i ti sc l e a rt h a tt h er e c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fb o t i lg h 4l9 9 觚dg h 3 6 2 5a l l o y sc 锄b e a c c e l e r a t e db yt h ep u l s ec u r r e n t a f c e re l e c 仃o p u l s i n gt r e 舶m e n tf o r2 0 m i n ，t h er e c r y s t a l l i z a t i o n o c c u e d ，a tt l l es 锄et i m e ，m 6 cc 曲i d e s 谢t l lt w od i 舵r e n ts i z ec a i lb eo b s e r v e d 协g h 4 19 9 a l l o y w 1 l i l e ，n l er e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro fg h 4 l9 9a l l o yc a nn o tb ef o u i l d b yt h en o n l l a l a i l 】舱a l i n g 仃e a 舡n e n ta t8 0 0 f o r4 0 i i l i n a 舭re l e c 仃o p u l s 吨t r e a t n l e n tf o r4 0 m i i l ，t l l e r e c r y s t a l l i z a t i o no fc o l d w o r k e dg h 3 6 2 5a l l o yc a i lb ec o m p l e t e d ，w i l i l e ，m er e c r y s t a l l i z a t i o n c a j ln o tb ef o 眦d b ym en o 咖a l 锄l e a l i n g 仃e a t l n e n ta t6 0 0 f o r4 0m i n ，s ot h a t ，o n l yc a i lb e f o u i l d b yt 1 1 en o m a j 锄e a l i i l g 仃e a t e da t8 0 0 f o rm o r et l l a n4 0 m i n h o w e v e r ，i f g h 3 6 2 5 a l l o yi se l e c 仃o p u l s i n g 仃e a t e df o r4 0m i n ，t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yw i l lb ed e c r e a s e da i l d t h e f a u l t w i l lf o m b a s e do nt h er e s u l t so fm i c m t e n s i l et e s t i n g ，i ti sn o t i c et h a tb o mt h ey i e l d i n gs t r e n g m 锄dt e n s i l es 仃e n 咖o fg h 4 l9 9a l l o ya tr o o mt e m p e m t u r ec a i lb ei i i l p m v e d b ym e ”l s e c u r r e n t ，e v e ni ft h e 丘a c t u r ee l o n g a t i o ns o m e h o w l i t t l ed e c r e a s e do rk e p ta tt h es a m el e v e la l s 叫r e a t e do n e w i m 也ee x 锄i n a t i o nb yb o t i lt e m a i l ds e m ，i ti sf l o u n dt h a tt l l ec r a c ki i l i t i a l e 2 l s vo c c u r r e dr o u n d 埘t l lt l l em 6 cc a r b i d e si i l1 a 唱e r s i z e ，w k c h t l l e r ea r es t r o n gs s s c o n c e n 仃a t i o na tt 1 1 ei n t e m l c eb e 觚e e nt l ：i em 6 cc 打b i d e sa r l dm a t r i x s i n c eb o t hn l em 6 c c a r b i d e sa i l dm a 仃i xc 肌b ee a s yc o l l 仃o l l e db yt l l ee l e c t r o p u l s i n g 廿e a 恤e n t ，t h em e c h a n i c a l p r o p e n i e sc a nb ei m p r o v e d w i t l lo p t i i i l 哪t r e a t i n gp a r a m e t e r s i ns u m 瑚a 取n e we 腩c t so fm ep u l s ec 硼r e n to nr 1 1 i c r o s t r u c t u 】陀e v o l u t i o n 锄db e h a v i o r s o fd e f o r m a t i o no fn i c k e l - b a s es u p e r a l l o y sh a v eb e e nf o u l l di i lt ：h ep r e s e n t r e s e a r c h b a s e do n t l l e p r e s e n tr e s e a r c l l ，a n e wm o t t l e df o ri m p r o v i n gt h em i c r o s t r u c t u r e a i l dm e c h a i l i c a l p r o p e n i e s o fn i c k e l - b 嬲es u p e r a l l o y sc 锄b ec o n s i d e r e d k e yw o r d s ：n i c k e l - b a s u p e r a l l o y e l e c 昀p u l s i i l gc u r r e n t ，a g i n g ，r e c r y s t a l l i z a t i o n ，丫p h a s e ， i v - - t - 0 东北大学硕士学位论文目录 目录 摘 要i i a b s t r a c t i i i 目勇匙v 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 电流对金属凝固过程的影响1 1 3 电流对金属塑性变形过程的影响2 1 4 电流对金属固态相变过程的影响4 1 4 1 固态金属中的电迁移理论5 1 4 2 电流对界面反应的影响7 1 4 3 电流对时效析出的影响8 1 4 4 电流对非晶合金再结晶的影响9 1 4 5 电流对冷变形金属再结晶的影响一10 1 5 高温合金及特征1 1 1 5 1 镍基高温合金的组织结构1 1 1 5 2 镍基高温合金的强化原理一1 2 1 6 选题目的和意义1 5 参考文献1 6 第2 章实验材料及研究方法2l 2 1 实验材料。2 l 2 2 实验方法2 2 2 2 1 脉冲电流实验装置2 2 2 2 2 实验过程2 3 2 3 合金组织和拉伸性能的评价2 3 2 3 1 表面宏观形貌及显微组织观察2 3 2 3 2 显微组织的定量分析2 4 2 3 3 微结构和微成分分析2 4 2 3 4 拉伸性能的评价2 4 东北大学硕士学位论文目录 参考文献2 5 第3 章高密度脉冲电流下g h 4 1 9 9 和g h 3 6 2 5 合金微观组织演化2 6 3 1 引言一2 6 3 2 研究方法2 6 3 3 高密度脉冲电流对g h 4 1 9 9 合金丫相长大的影响2 7 3 3 1 脉冲电流下合金y 相的长大行为一2 7 3 3 2 脉冲电流下y 相的长大动力学。3 2 3 1 3 脉冲电流下丫相长大行机理的分析3 7 3 4 高密度脉冲电流g h 4 1 9 9 合金碳化物析出及长大的影响3 8 3 4 1 脉冲电流下高温合金中碳化物析出及长大行为3 9 3 4 2 脉冲电流时效时碳化物析出和长大行为的探讨4 2 3 5 高密度脉冲电流对g h 3 6 2 5 合金微观组织结构的影响4 4 3 5 1 高密度脉冲电流处理后g h 3 6 2 5 合金的形貌4 4 3 5 2 高密度脉冲电流增加位错可动性的机理分析一4 6 参考文献：4 8 第4 章高密度脉冲电流对g h 4 1 9 9 和g h 3 6 2 5 合金再结晶过程的影响4 9 4 1 引言4 9 4 2 研究方法5 0 4 3 高密度脉冲电流对g h 4 1 9 9 合金再结晶行为的影响5 1 4 4 高密度脉冲电流对g h 3 6 2 5 合金再结晶行为的影响5 5 4 5 高密度脉冲电流处理影响镍基高温合金再结晶行为的机理5 7 参考文献5 9 第5 章高密度脉冲电流对g h 4 1 9 9 合金力学性能的影响6 0 5 1 脉冲电流对g h 4 1 9 9 合金拉伸性能的影响6 0 5 2 高密度脉冲电流影响g h 4 1 9 9 合金拉伸行为机理的分析6 2 5 2 1 丫t 相的沉淀强化6 3 5 2 2m 2 3 c 6 型碳化物的晶界强化6 5 参考文献6 9 第6 章结论7 0 致谢7 1 - h 丸 j 州 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 电流与金属材料的交互作用可以追溯到1 9 世纪，1 8 6 1 年m g e r a d i n 在铅锡、汞 钠熔融合金中观察到原子在电流作用下出现的运动现剩1 1 。1 9 5 3 年，w s e i t h 和h w e v e r 开始对金属材料的电迁移进行系统地研究【2 1 。此后，vb f i s k 和a r g r o n e 提出了电 子风驱动力的概念【3 ，引，奠定了电迁移理论的基础。1 9 6 3 年，苏联学者t r o i t s k i i 在表面 涂汞的锌单晶拉伸实验中，发现电子照射可使金属塑性得到显著提甜5 1 ，物理学家和材 料科学工作者把这种由于电作用而导致金属材料的流变应力下降、塑性增大的现象称为 电致塑性效应【6 ，7 1 。 自从电致塑性效应被发现后，前苏联和美国学者在实验与理论上对电塑性效应和电 流对金属材料的组织结构与性能的影响方面进行了大量的、较系统的研究，发现在很多 金属与合金中都存在电塑性效应，且脉冲电流导致的电塑性效应最大。还发现脉冲电流 不仅对金属材料的塑性变形行为有显著影响，而且对金属材料的组织结构转变和性能有 显著影响。 1 2 电流对金属凝固过程的影响 1 9 8 4 年，印度学者m i s m l l 2 j 研究了3 0 4 0m a c m 五直流电流对过共晶p b s b l 5 s n 7 合 金凝固组织的影响，发现凝固组织不仅得到了细化，而且第二相分布变得更均匀。n a l ( a d a 等【1 3 】首先研究了高密度脉冲电流对过共晶s n 9 0 p b l o 合金凝固过程的作用，发现凝固组 织由树枝晶转变为等轴晶，并且发现等轴晶的数量随脉冲电流的电流密度升高而增多。 李建明等f 1 4 j 通过研究近共晶s n 6 0 p b 4 0 合金的凝固过程，进一步肯定了脉冲电流在凝固 过程中具有细化凝固组织的作用。研究中采用不同电流密度的脉冲电流，发现当采用较 高电流密度和较高频率的脉冲电流时，富p b 初生树枝晶被破碎成细小的等轴晶，共晶 团的形貌也发生改变，而采用较低的脉冲电流时，初生树枝晶不发生变化，但共晶团层 片间距减小，并且共晶团沿电极方向拉长。 在液态金属的凝固过程中施加电流，能够引起熔体中不同性质的离子产生运动，从 而导致熔体成分的变化。通过对电流影响液态金属凝固过程的研究，能够建立金属液态 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 下的电迁移理论。液态金属中的电迁移理论表明，在浓度梯度、焦耳热和洛伦兹力的共 同作用下产生的电迁移对溶质分配系数具有显著的影响，由此可知电流处理具有 如下作用： ( 1 ) 提高局部细化效果； ( 2 ) 成分的聚集导致凝固温度发生变化； ( 3 ) 减小成分过冷倾向。 我国学者周本廉等人【1 5 1 用经典热力学和连续介质电动力学，对脉冲电流作用下的液 态金属的结晶形核理论和结晶晶粒尺寸的计算做了深入的研究，所得结果认为，当脉冲 电流密度达o 1g a m 乞时，理论上可以获得大块纳米晶。 1 3 电流对金属塑性变形过程的影响 1 9 7 0 年1 9 7 4 年间，苏联学者t r o i t s b i 等人做了一系列电流对金属变形和延伸性影 响的实验：锌在液氮温度下拉伸的过程中，每隔2 5 秒通入密度为1 5 x 1 0 5 从m 2 、脉宽 为1 0 4s 的脉冲电流，发现载荷在每个脉冲产生时发生跃迁，而且电压越高，载荷的跃 迁越大。载荷跃迁总是向降低的方向移动，表明脉冲电流降低了变形抗力，增大了锌的 塑性变形能力。在p b 、i i l 、c d 、s n 等金属中也观察到了类似的现象，这就是最开始的 电流导致的电塑性效应实验。 电塑性效应的“电流漂流模型”： 苏联学者t r o i t s 虹i 等人发现了电塑性效应之后，就开始对该物理现象的理论研究。 其工作从位错与电子的相互作用开始，认为金属中引入电流后，漂流电子对在相同方向 上运动的位错施加了机械应力，假设单位长度上的机械力为凡p j ，则： c = 等眵眵鼍小 m ， 其中6 为柏氏矢量；圪为电子漂移速度；虼为位错移动速度；y 为费米面上电子速 度；疗。为自由电子浓度；为化学位；为变形位常量。 所以只有当圪 虼时，漂流电子的作用力为正值，从而可加速位错的运动；并且电 流密度越高，位错被加速越快，金属的塑性提高越显著。这里对塑性做出贡献的是运动 方向与电子漂移方向一致的位错群，方向相反的位错则起着阻碍作用，但是由于位错有 很强的衰振性，其阻碍作用不易被迎面的电子流所感受，所以宏观上电流的塑性效应总 是正面的。 为了使位错克服障碍而摆脱钉扎，需要对位错施加一定的应力，此应力正比于位错 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 与障碍的结合能。电流的引入能降低此结合能，或降低含有缺陷的品格中的能垒。根据 计算，激活能的降低【5 】为： 丝= 6 e 虬吨 ( 1 - 2 ) 其中d 为位错密度。位错克服障碍的机制主要有惯性解脱和热涨落解脱两种。惯 性解脱认为：在机械应力和电子流作用力的有利配合条件下，位错依靠本身的动能克服 障碍或从障碍中解脱，直至碰到下一个障碍为止，如果位错在新障碍前停留下来，它就 需要从漂流电子获得更高的能量来克服新障碍。热涨落解脱观点认为：电塑性效应仍然 是一种热激活过程。电塑性变形的速度也决定于加载的时间和温度。由于电流的作用， 位错克服障碍所需的热涨落比无电流时小得多。惯性解脱与热涨落解脱相互补充，位错 在热涨落解脱后，惯性解脱机制也可以接着发挥作用，或者再克服热障碍、或者在新障 碍前停留，以等待合适的热涨落或更高的机械应力的出现。位错线较长时，位错处于强 衰振状态，热涨落机制占主导，位错线较短时，惯性机制起主要作用。 电塑性效应的“电子风模型 ： 1 9 7 8 年以来，美国北卡罗来纳州大学c o i l r a d 等人做了大量电塑性效应方面的研究 【1 6 。3 5 1 ，建立了漂流电子作用于位错上的“电子风力，的理论模型。计算公式【1 6 1 为： = 如p 心玩 ( 1 3 ) 其中，p d 为单位位错的阻力，p 为电子电荷，刀。为电子密度，歹为电流密度。 从电子与位错的交互作用的运动学和量子力学的角度，他们得到了单位位错长度上 的电子风力计算公式为： f 名= 口6 片f 一刀。】( 1 - 4 ) f 其中，口为常数，6 为泊氏矢量，尸f 为费米动量，为位错的运动速度。 脉冲电流对金属的疲劳寿命有显著影响：在低温下( 火o 5 ) ，锌、铜等单晶体在 脉冲电流的作用下，机械性能出现随脉冲电流方向的不同而变化的现象。多晶铜在脉冲 电流的作用下，疲劳寿命提高2 3 倍。脉冲电流提高了位错滑移的均匀性，降低了晶界 开裂的可能性，使裂纹萌生的载荷循环次数增大，同时伴有电流导致的裂纹闭合效应， 还能使微裂纹扩展速度降低，这就是电流的韧化效应。而在高温( 0 5 ) 时，多晶铜在 电流的作用下可以提高其应力松弛。 文献【3 7 】研究了高密度脉冲电流对0 【钛低周应变循环的软化作用，结果表明，脉冲电 流可以增强位错的定向运动，使应变速率提高；通电时试样发生循环软化，无硬化峰， 这也正电塑性效应的体现。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 磁场角度的电塑性效应的解释： 前苏联和美国学者提出的“电子漂流”和“电子风”模型可以对电塑性效应进行比较合 理的解释。但人们对电流影响金属行为的深层机制并不完全清楚，后来的研究成果表明： 理论上的“电子风”模型的作用是比较小的，在导致电塑性效应的电流密度下，电子对位 错的作用力小到了几乎可以忽略的程度( 约为实际值的万分之一) ，不足以使材料的塑 性有如此幅度的提高。于是有人又从磁场的角度对电塑性效应的机理进行了探索。 一 m o l o t s 嫡【3 8 】提出了一种新的模型来解释电塑性效应： 设阻碍位错运动的钉扎中心为顺磁相，脉冲电流产生的感应磁场将对脱钉速率产生 很大的影响。基于此的计算表明，磁场对电塑性效应的贡献比“电子风”模型的作用力高 4 个数量级，这与实验值吻合得很好。 2 0 世纪9 0 年代初，人们认为脉冲电流所造成的塑性效应是一种复合效应，为多种 物理效应共同作用的结果，其中主要有： ( 1 ) 焦耳热效应：电阻的存在导致试样温度升高，使金属软化。 ( 2 ) 磁致压缩效应：电流的磁场对固体等离子体产生压迫使金属受径向压力，并 导致受轴向拉力。 ( 3 ) 纯电塑性效应：高密度的脉冲电流使材料内部原子运动的能量升高，改变金 属中位错的激活能，加快运动位错的速度，减轻位错间的缠结，使位错克服其滑移面上 的障碍，因而可以极大提高金属的塑性。依据动力学的观点，变形速度即位错运动速度 取决于所施加的机械应力。 纯电塑性效应是一种非热现象，在电塑性变形过程中，如果施加脉冲宽度极短 ( 1 0 1 0 。4s ) 的脉冲电流时，试样的温升极小( 1 以下) ，所以焦耳热效应非常小， 但是金属的变形抗力明显降低，且金属表面发生电子发射，变形速度加快。金属塑性变 形速度取决于位错运动速度，也决定于位错增值速度，因此从位错滑移的观点或位错与 电子的相互作用来解释电塑性是比较合理的。 1 4 电流对金属固态相变过程的影响 电流对金属固态相变过程的研究最早可追溯到1 8 6 1 年，g em 】d i l l 发现了电迁移现象 ( 金属中的原子在外加电场的作用下出现的漂移) 。1 9 世纪5 0 年代，美国学者c o n m d 等人研究了电流对一系列冷加工金属( c u 、砧、n i 3 烈) 退火组织和结构的影响陬4 0 1 ， 发现脉冲电流可以明显地促进铜的再结晶，细化再结晶晶粒，抑制晶粒生长。k o p p e r 砌 等人使用密度为1 0 3 a c m 2 级别的直流电处理- 4 c u 合金后，发现当电流密度大于临 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 界值l 1 0 3a c m 2 后，电流能明显的促进合金的析出，合金的析出率( 电阻率的降低) 随电流密度的升高而降低。 当电流密度大于1 0 3 a c m - 2 时，c o n r a d 等人发现电流能促进一些金属或合金的固态 相变。而对于某些金属，由于合金的成分、合金的预先热处理、电流的强度、电流的频 率不同，电流却对其固态相变过程有阻碍作用。目前电迁移的深层机制并不完全清楚， 且金属中的电迁移机制并不能完全解释电流对固态相变的影响，金属或合金淬火后形成 的空位的电迁移或局部内应力也可能是影响相变过程的重要因素。 关于电流对金属中的固态相变的影响，主要考虑以下几个过程： ( 1 ) 金属间化合物的形成和长大的过程； ( 2 ) 金属或合金中间隙式固溶体和代位式固溶体的时效析出过程； ( 3 ) 非晶合金的再结晶过程； ( 4 ) 冷变形金属的再结晶和晶粒长大过程。 1 4 1 固态金属中的电迁移理论 金属或合金的相变是溶质原子长程扩散控制下的过程，当考虑到电流对合金的溶质 原子扩散作用时，电迁移j 对扩散过程有非常重要的影响。溶质原子的电迁移过程是合 金中的溶质原子在不可逆热力学条件下的受力迁移过程。溶质原子扩散过程中不可逆的 热力学本质是带电离子与运动的溶质原子之间的交互作用，其中热力学参量可以通过溶 质原子的跃迁频率来表达。 在溶质原子的扩散过程中，溶质原子的扩散驱动力包括：溶质原子的化学势梯度、 脉冲电流引入静电力，移动的带电离子的撞击引入的冲力。所以合金中任一种溶质原子 f 的原子流通量可表示成： 以= 一丁一1 厶v ( + g ) 一丁一1 三把g 。v ( 1 5 ) 以= 一r - 1 艺。v ( + g ，) 一丁一1 卯g 。v ( 1 6 ) 其中，i ：f 组元的化学势梯度；西函：f 组元的静电场力；g 。咖：移动的带电离子的 冲力。 对角唯象系数包括：厶i ：与f 组元的扩散系数相关；三：与带电离子的扩散相关。 非对角唯象系数包括：厶j ：与f 组元的原子流扩散通量和组员扩散驱动力相关的 系数一唯象系数，由于_ ，组元的原子跳动引起f 组元原子的跳动；厶。：与f 组元和带电离 子之间的相互作用有关。 溶质原子f 在扩散过程中主要受两个非对角唯象系数所影响： 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 非对角唯象系数的岛：三表明，f 组元的扩散与组元的化学势和_ ，组元的电场势 相关u 组元也可以为f 组元本身) ，溶质原子f 组元的扩散过程不仅与j f 组元的扩散过 程有关，还与，组元的电迁移过程相关。 非对角唯象系数厶。：k 表明，f 组元受到移动的带电离子的撞击力，这个力被称为 电子风力( f i k s ，1 9 5 9 ) ，这种驱动力可以通过引入有效电荷z 的概念来直观的表述， 将f 组元受到的电子风力定义为： = h z e = 冰z 8 + z ”) e ( 1 7 ) 其中，ipl ：电荷绝对值；e ：电场强度，等于一v ；z ，：定义为有效电荷参量。 假设带电离子与溶质原子发生强散射，电迁移效应非常强烈，带电离子与裸离子之间发 生强烈的碰撞。所以电子风力可以通过每单位时间内电荷的动量转移来计算，由此可以 得到电迁移过程中溶质原子的有效电荷： z = 一以。以盯。 ( 1 8 ) 其中，刀。：电荷密度；九：碰撞间的平均自由程；c r e ：带电离子与溶质原子碰撞的 横截面积。 溶质原子在碰撞中发生扩散必然引起合金中空位的扩散，从而使合金的比电阻率发 生变化，从而使比电阻率与有效电荷发生关联： z ”一z ( 爱) 喏) 笋= 形( d ( 1 9 ) 通过测量缺陷比电阻率与晶格原子比电阻率之间的比就能得到溶质原子f 组元的有 效电荷。 溶质原子的原子通量方程中的非对角唯相系数不是相互独立的。根据金属或合金中 物质守恒的条件( ，z = o ) 和力学平衡条件( ，v + 吼) = o ) 可以减少独立唯 相系数的个数，由此得到：厶j 气j i 。 金属或合金中溶质原子的扩散必然引起合金中空位的扩散，我们假设空位扩散来自 平衡溶质扩散后引起的变化，即有： j ，= 一以 ( 1 一l o ) 简化后的溶质原子f 的原子流扩散方程，我们可以得到如下溶质原子f 的扩散方程： 谚= 警( 灯等+ z 叫) m 其中，n 为f 原子的扩散系数，i 为溶质原子f 的浓度，七为玻尔兹曼常数，r 为合 金的温度。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 当大量溶质原子从电源的阴极向阳极漂流时，就会在阴极附近留下大量的空位，造 成阳极附近溶质原子的集中，从而导致一个与溶质原子漂流方向相反的化学式梯度 a d 叫d 绌，所以就会对漂流的溶质原子产生一个反向的作用力厂b ： 五= 一q 竽 ( 1 1 2 ) 其中，。是漂流的溶质原子的化学式梯度，v 空位的化学式梯度，q 为溶质原子的 体积，a 酬觑为应力梯度。 电迁移中出现的反向应力对合金溶质原子的漂移具有重要的影响【4 2 郴1 ，压应力阻碍 溶质原子漂移，而拉应力梯度会促进溶质原子的漂移。c o n r a d 等人在铝合金板材中通入 了密度为1 0 6a c m 也的电流过程中，施加了2 5m p a 的压应力，发现原子的移动受到压 应力的作用而受阻。 综上所述，影响溶质原子电迁移过程的因素包括： ( 1 ) 溶质原子的有效电场力：包括溶质原子受到的静电场力和“电子风”力； ( 2 ) 溶质原子的化学式梯度：在没有电流通过的金属或合金中，溶质原子的化学 式梯度是主要扩散驱动力； ( 3 ) 溶质原子在电迁移作用下的移动引起的反向作用力。 结合反向作用力后的溶质原子f 的原子扩散通量为： 谚= 等( 灯警一哮+ z p ) m 1 4 2 电流对界面反应的影响 c h e n 等人【4 6 4 8 1 研究了直流电流( 电流密度为1 0 3 a c m 。2 ) 对a 1 n i 、s n - n i 、s n - c u 、 s n a g 等金属间化合物长大过程的影响。结果表明，对于a l - n i 扩散偶，电流增加了 a 1 3 n i 2 、a 1 3 n i 金属间化合物层的厚度；对于s n c u 扩散偶，电流并没有改变金属间化 合物层的厚度；对于s n a l 和s n a g 扩散偶，金属间化合物层的厚度随所加直流电流极 性的改变而改变：当电子从s n 的一侧向n i 或a g 的一侧漂移时，电流促进了金属间化 合物的长大，而当电子移动的方向相反时，电流对金属间化合物的长大起了阻碍的作用； 对于a l - n i 扩散偶，电子漂移的方向对其金属间化合物的长大的没有明显的不同。对于 a l - n i 、s n - n i 、s n a g 扩散偶，电流密度越高，电流处理时间越长，金属间化合物层厚 度的改变就越大。 c h e n 等人认为溶质原子电迁移改变了金属间化合物的形成和长大规律。对于a l - n i 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 s n - n i 、s n a g 扩散偶，电迁移的原子流通量方程中溶质原子有效电荷数项留棚的贡献 远大于溶质原子化学式梯度项( a l i lm 缸) 的贡献：但是对于s n c u 扩散偶，却不存在上 述关系。对于a l - n i 扩散偶，电流极性的改变对金属间化合物长大影响不明显。 研究还发现在电流处理前对扩散偶进行时效，时效时间越长，电流效应越大。c h e n 等人认为时效时间越长，在电流