（材料加工工程专业论文）冷拔钢丝电脉冲退火装置的研制及其工艺研究.pdf

哈尔滨理t 大学丁学硕f ：学位论文 冷拔钢丝电脉冲退火装置的研制及其工艺研究 摘要 经过冷拔工艺处理的钢丝在塑性变形过程中由于金属内部位错的形成和 运动，产生了加工硬化，造成材料的硬脆性，难于连续多道次加工。因此， 需要对经冷拔加工后的钢丝进行退火处理。而传统的退火方式由于其退火原 理均通过热效应来实现，因而存在效率低、耗能大、污染环境以及产品表面 氧化严重等缺点。为了克服现有退火方法的不足，本文将深入探讨一种新的 退火工艺电脉冲退火处理，探索利用高密度电脉冲处理代替传统热效应 处理的退火新方法。 首先，本文对脉冲电源设备电路结构进行了深入探讨，设计了电源方 案，自行研制了一种频率、电流可调的新型脉冲电源( 专利号： 2 0 0 4 2 0 0 4 9 7 9 0 ) 。采用p w m ( 脉冲宽度调制) 控制策略实现对输出电压的调 整；利用i g b t ( 绝缘栅双极晶体管1 高频斩波的控制方式来实现电源的调压 功能。论文完整论述了装置的电路设计方案及其整机的装配。最终研制的脉 冲电源设备能够提供最大脉冲输出电流6 0 0 0 a ，脉冲频率变化范围达到l 6 0 0 h z 。 其次，本文提出了相应的实验方案，对q 2 3 5 钢丝进行了不同工艺条件 下的电脉冲退火实验，将退火处理实验i j i 后的钢丝试样进行了抗拉强度、延 伸率等力学性能的测试，并应用金相显微镜等观察退火前后显微组织的改 变，并与传统热效应退火后的力学特性、显微组织进行了对比分析。分析发 现，经过电脉冲处理后的钢丝，拉拔抗力明显降低，延伸率显著提高。该实 验结果表明冷拔钢丝的高强脉冲电流处理能使冷拔钢丝的力学性能在短时间 内基本恢复至冷拔自 f 的水平，达到与传统退火相近或更好的效果。 最后，通过金相显微组织分析，借鉴焦耳热效应，磁致塑性效应，电塑 性理论以及退火软化理论等对脉冲退火工艺机理进行了探索性研究，发现脉 冲电流的通入可以使再结晶形核的驱动力增大，且磁场的存在可以提高位错 的滑移能力，有利于再结晶的形核及长大。利用脉冲电流退火时，明显降低 了再结晶的起始温度，加速了其回复与再结晶，提高了再结晶形核率，从而 使金属的各项性能指标得到快速恢复。 哈尔滨理t 大学t 学硕一l ：学位论文 研究结果表明，利用脉冲电流可以对冷拔钢丝起到退火软化的作用。相 比传统热效应退火技术，利用脉冲电流退火，可以更好地提高金属塑性指 标，减少中间退火次数，甚至可以避免中间退火，强化生产过程，大大提高 生产率。 关键词碳钢；电脉冲；退火软化；再结晶 _ i i 哈尔滨理t 大学t 学硕1 ：学位论文 r e s e a r c ho nt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o p u l s i n g a n n e a l i n gd e v i c ea n di t st r e a t m e n tp r o c e s st ot h e h a r d d r a w nc a r b o ns t e e lw i r e a b s t r a c t i ti sd i m c u l tt oh a v eac o n t i n u o u sm u l t i p r o c e s s i n go ft h es t e e la f t e rc o l d d r a w i n gp r o c e s sd u r i n gt h ep r o c e s so fp l a s t i cd e f o r m a t i o no fm e t a l ，b e c a u s eo f t h ei n t e r n a ld i s l o c a t i o nf o r m a t i o na n dm o v e m e n tw h i c hl c a d s t oaw o r k h a r d e n i n ga n dr e s u l t si nh a r da n db r i t t l em a t e r i a l s t h e r e f o r e ，t h ea n n e a l i n g t r e a t m e n tm u s tb er e q u i r e df o rt h ep o s t c o l d d r a w ns t e e lw i r e t h et r a d i t i o n a l a n n e a l i n gm e t h o d sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha si n e f f i c i e n t ，l a r g ee n e r g y - c o n s u m i n g ，p o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n t 。a sw e l la ss u r f a c eo x i d a t i o ns e r i o u so f t h ep r o d u c t s ，a n ds oo n ，w h i c hb e c a u s eo fi t sp r i n c i p l eo fa n n e a l i n gt h r o u g h t h e r m a le f f e c tt oa c h i e v e i no r d e rt oo v e r c o m et h ed e f i c i e n c i e so ft h et r a d i t i o n a l a n n e a l i n gm e t h o d s ，t h ep a p e rw i l le x p l o r ei nd e p t han e wa n n e a l i n gt e c h n o l o g y e l e c t r i cp u l s ea n n e a l i n gt r e a t m e n t ，a n de x p l o r en e wm e t h o d sw h i c hu s et h eh i g h d e n s i t yp u l s e de l e c t r i ct r e a t m e n tt o r e p l a c et h et r a d i t i o n a lt r e a t m e n to ft h e t h e r m a le f f e c t f i r s t l y , t h ep a p e rc o n d u c t sd e e p l yd i s c u s s i o n so fp u l s ep o w e rs u p p l yc i r c u i t s t r u c t u r e ，r e d e s i g n st h ep o w e rs u p p l yp r o g r a m ，a n dd e v e l o p san e wt y p eo fp u l s e p o w e rw i t ha d j u s t a b l e - c u r r e n ta n df r e q u e n c y p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) c o n t r o ls t r a t e g yi su s e dt oa c h i e v et h ea d j u s t m e n to fo u t p u tv o l t a g e ；u s i n gi g b t ( i n s u l a t e d - g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) h i g h f r e q u e n c yc h o p p e rc o n t r o lm e a n st o a c h i e v ep o w e rs u p p l yv o l t a g er e g u l a t o rf u n c t i o n a s l o ，t h i st h e s i s t h o r o u g h l y d i s c u s s e s t h ec i r c u i t d e s i g np r o g r a mo ft h ed e v i c ea n di t sw h o l em a c h i n e a s s e m b l y t h ee v e n t u a l l yd e v e l o p e dp u l s ep o w e rs u p p l ye q u i p m e n tc a np r o v i d e t h em a x i m u mp u l s e do u t p u tc u r r e n to f6 0 0 0 a ，c h a n g e si np u l s ef r e q u e n c yr a n g e o f1t o6 0 0 h z i i i 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 s e c o n d l y , t h ep a p e rp r e s e n t s t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lp r o g r a m ， c a r r y i n go u tt h ee l e c t r i cp u l s ea n n e a l i n ge x p e r i m e n t st oq 2 35s t e e lw i r eu n d e r d i f f e r e n tp r o c e s sc o n d i t i o n s a n dt h e nm a k e sat e n s i l es t r e n g t h ，e l o n g a t i o na n d o t h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t i n gt ot h eo r i g i n a ls a m p l ea n ds a m p l e sw h i c h c a r r yo u ta n n e a l i n gt r e a t m e n tu n d e re l e c t r i cp u l s e o b s e r v et h em i c r o s t r u c t u r e c h a n g e sb e t w e e nt h eo r i g i n a ls a m p l ea n ds a m p l e su n d e re l e c t r i cp u l s ea n n e a l i n g t r e a t m e n tw i t h m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e f i n a l l yc o n d u c t ac o m p a r a t i v e a n a l y s i so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r et ot h es a m p l e su n d e r t r a d i t i o n a la n n e a l i n g i ti sf o u n dt h r o u g ht h ea n a l y s i st h a tt h ep u l l o u tr e s i s t a n c e o ft h ew i r ei ss i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e da n dt h ee l o n g a t i o ni si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y a f t e re l e c t r i cp u l s et r e a t m e n t s o ，i ts h o w st h a t h i g h - s t r e n g t hp u l s ec u r r e n t t r e a t m e n tc a nm a k et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o l d - d r a w ns t e e lw i r eb a c kt o t h es o f t s t a t el e v e lb e f o r ed r a w i n gi nas h o r tt i m e ，t or e a c ht h es i m i l a re f f e c tw i t h t r a d i t i o n a la n n e a l i n go re v e nb e t t e r f i n a l l y , t h r o u g hm e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i so fm i c r o s t r u c t u r e ，t h ep a p e rc a r r y s o u te x p l o r a t o r yr e s e a r c hi n t ot h em e c h a n i s mo fp u l s ea n n e a l i n gp r o c e s su s ej o u l e h e a t i n ge f f e c t ，m a g n e t o - p l a s t i ce f f e c t ，e l e c t r i cp l a s t i c i t yt h e o r ya n da n n e a l i n g t h e o r yf o rr e f e r e n c e i ti sf o u n dt h a tp u l s ec u r r e n tc a ni n c r e a s ed r i v i n gf o r c eo f r e c r y s t a l l i z a t i o nn u c l e a t i o na n dt h ee x i s t e n c eo ft h em a g n e t i cf i e l dc a ne n h a n c e t h ec a p a c i t yo fd i s l o c a t i o ns l i pw h i c hi su s e f u lt ot h er e c r y s t a l l i z a t i o nn u c l e a t i o n a n dg r o wu p t h ep u l s ec u r r e n ta n n e a l i n gc a nr e d u c et h ei n i t i a lr e c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r es i g n i f i c a n t l y , a c c e l e r a t e i t s r e c o v e r ya n dr e c r y s t a l l i z a t i o n ，a n d e n h a n c et h en u c l e a t i o nr a t eo f r e c r y s t a l l i z a t i o n ，s ot h a tt h ep e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so f m e t a lc a nb er e c o v e r i e dr a p i d l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu s eo fp u l s ec u r r e n to nt h ec a r b o ns t e e l sc a na l s o p l a yar o l ei ns o f t e n i n ga n n e a l i n g c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lh e a t i n ga n n e a l i n g ， t h eu s eo fp u l s ec u r r e n ta n n e a l i n gc a ni n c r e a s et h ep a r a m e t e r so fm e t a lp l a s t i c i t y , r e d u c et h et i m e so fm i d d l ea n n e a l i n go re v e na v o i d ，i n t e n s i f yt h ep r o d u c t i o n p r o c e s sa n di m p r o v et h ep r o d u c t i v i t ys i g n i f i c a n t l y k e y w o r d sc a r b o ns t e e l s ，p u l s e e l e c t r i c c u r r e n t ，a n n e a l i n g s o f t e nt r e a t m e n t ， r e c r y s t a l l i z a t i o n i v 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文冷拔钢丝电脉冲退火装置 的研制及其工艺研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：名燕星 日期：卅年弓月陟同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 冷拔钢丝电脉冲退火装置的研制及其工艺研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 丢磐、星同期：卅年弓月胛 弘阿锤同期：h 年；月忻 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 金属材料经过冷加工工艺过程的结果是产生硬化现象，造成材料的硬脆 性，所以，对经冷加工后的会属材料必须进行退火工序，使其机械强度、延伸 率等指标满足产品性能和质量的要求。金属丝在工业生产中应用非常广泛，随 着科学技术的进步，对高质量的冷拔金属丝需求量正在不断扩大。但拔丝生产 过程中存在许多困难，其中最大的难点是必须进行多次的中间退火。例如将 8 0 m m 的不锈钢盘条拔成0 6 m m 的丝材至少需经五次中间退火工艺。拔制的 钢丝愈细，所需退火的次数愈多，产品的价格也愈高。同时，传统退火均通过 热效应来实现，因而其退火装置存在效率低、耗能大、污染环境以及产品表面 氧化严重等缺点。为了克服现有退火软化方法的不足，本文将在前人对脉冲电 流对金属材料的影响的研究的基础上，探索一种利用高密度电脉冲处理代替传 统热效应处理的退火软化新方法。这种方法将为提高金属材料的性能开辟一条 新的途径，同时也将是金属材料退火设备行业的一次革命，它对促进节能高效 的新退火工艺发展将具有非常重要的意义。 1 2 国内外对脉冲电流对金属材料影响的研究概况 电流对金属材料影响的研究可以追溯到1 9 世纪。1 8 6 1 年m g e r a d i n 在 铅一锡、汞钠熔融合会中观察到原子在电流作用下出现的运动现象。而在一个 世纪后，科学家发现电流对金属材料变形行为也有显著影响。1 9 6 3 年原苏联学 者t r o i t s k i i 发现在表面涂汞的锌单晶拉伸试验中，电子照射可使会属塑性得到 显著提高川。1 9 6 9 年t r o i t s k i i 再次证实电流对金属塑性变形存在影响。随后研 究人员在p b 、i n 、c d 、s n 等金属材料中也观察到类似现象1 2 训。物理学家和材 料科学工作者把这种由于电( 电流，电子辐射等) 作用导致会属材料的变形抗力 降低、塑性增大的现象称为电塑性效应【5 】。自电塑性效应被发现后，前苏联及 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 影响进行了大量的、较系统的研究睁9 1 ，发现在很多会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会属材料的 哈尔滨理工人学_ 丁学硕。 ：学位论文 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。尽管由于所涉及的问题很复杂，迄今仍有很多理论问题没有解决，但已为 电塑性效应和电辅助加工的工程应用打下了良好的基础，为改善金属材料的加 工性能和组织结构与性能提供新的途径。以下将介绍脉冲电流产生的电塑性效 应以及脉冲电流对金属材料影响的研究动态和进展。 1 2 1 电塑性效应 电塑性效应( e l e c t r o p l a s t i ce f f e c t ，简称e p e ) 是指在金属变形过程中由于电 子照射使晶体的塑性发生变化的现象。在1 9 世纪六十年代，前苏联学者在作 表面活性剂的研究时首先发现金属材料在电的作用下( 包括电子照射、电场、 电流脉冲等电刺激) 变形抗力降低并塑性增加的一种现象，将其称为电塑性， 并应用高密度脉冲电流对金属的力学性质进行了系列广泛研究。八十年代，美 国科学家开始了在电塑性对材料影响方面的研究工作，并且在冶金、机械、航 空航天领域的材料加工方面取得了满意的效果 i o q 2 1 。自电塑性效应被发现以 来，各国学者相继研究了脉冲电流对各种金属材料( 单晶、非晶、纯金属等) 物 理性能的影响，并提出了电迁移、电激活位错、集肤效应等初步理论，试图解 释此现象，但对于其机理目前尚没有定论。 1 2 1 1 电塑性效应的发现金属的电致塑性效应最早是由前苏联学者t r o i t s k i i 和v i l i k h t m a n 于1 9 6 3 年报道的。他们进行表面活化剂的研究时发现：在表 面涂汞的锌单晶拉伸试验中，当温度为7 8 k ，照射电子为1 - - 3 m e v ，并且加速 电子流沿晶体滑移系( o 0 0 1 ) 方向照射时，锌单晶试样的流变应力显著降 低，应变硬化率降低，极限伸长量增大，塑性显著提高：当电子流垂直于滑移 面时，虽然流变应力也有一定降低，但锌单晶明湿脆化，伸长率下降，并发生 脆性断裂。实验结果表明，电子流对锌单晶材料的塑性变形有促进作用，对该 材料的变形行为有显著影响，这就是在金属变形过程中最早观察到的由于电子 照射使晶体的塑性发生变化的现象，即电塑性效应。1 9 6 9 年t r o i t s k i i 再次证实 电流对会属塑性变形存在影响。 1 2 1 2 初步解释电塑性效应发现后，苏联学者对此现象进行了进一步的深入 研究，并且提出了初步的解释，他们认为：加速的电子流增强了已有位错源的 活动率并可促进新位错源的起动，因而加速了位错在位错源区中的运动。不久 后对这个问题的更完整说法是：会属受电子流照射时，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 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 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。 1 2 1 3 后期研究自电塑性发现以来，前苏联学者进行了大量的、比较系统的 研究。1 9 7 0 - - - - 1 9 7 4 年间，t r o i t s k i i 等人进行了一系列研究电流对金属变形和延 性影响的重要实验；随后研究人员在p b 、c d 、i n 、s n 等金属中发现了类似的 现象；在金属材料的力学性质方面，他们还发现脉冲电流不仅可降低加工应力 和材料的脆性，如钨w 可在室温下进行轧制，而且还可提高材料的拉伸强度 和延伸率，改善织构和微观结构。以h c o n r a d 为代表的美国科学家从1 9 7 8 年 开始金属电致塑性效应的研究。研究的金属包括铜c u 、钛t i 、铁f e 、铅p b 、 锡s n 、铝a l 、铌n b 等。他们不仅研究了脉冲电流对金属塑性变形时的应 力、延伸率等方面的影响，而且还研究了电流的趋肽效应、收缩效应和热效应 等对金属电致塑性的贡献【1 3 l 。 c o n r a d 等在对铜等温退火过程中发现，直流电流的引入使铜的回复和再 结晶速率提高；再结晶晶粒尺寸减小；晶粒长大速率提高；退火孪晶的形成受 到抑制。并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 了晶界开裂的可能性，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。文献【1 4 】的研究结果进一步证实， 漂流电子对晶体缺陷有影响，并进而影响固态反应和微观组织结构。 上世纪九十年代，我国学者也开始了这方面的研究，并取得了一定的进 展。清华大学的姚可夫、郑明新等人1 1 5 - 2 0 1 对冷拔过程中脉冲电流对材料性能的 影响的研究取得了一定的进展。曾对不锈钢丝、h 0 8 m n 2 s i 焊丝、不锈钢焊 丝、普通低碳钢丝、中碳钢丝、高碳钢丝、合金丝、t i n i 形状记忆合金丝、有 色合金丝材( c u 丝、c u s i 焊丝、a i s i 、a 1 m g 焊丝) 等的电塑性拉拔实验进行研 究。西北工业大学的李淼泉1 2 1 】等人在电场对硬铝的超塑性变形的影响方面也取 得了一定的研究成果。南京航空航天大学的沈以赴等人也对脉冲电流作用下合 金的凝固组织以及碳纤维石墨化过程进行了研究【2 2 】。此外东北大学的赖祖涵等 人也对脉冲电流进行了材料改性方面的研究。 总的来说，虽然电塑性效应已被发现多年，但受客观条件限制，国内对它 的研究还刚刚起步，有关研究报道不多，国外的研究成果也比较有限，且尚有 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 许多互相矛盾的结果有待进一步证实。 1 2 2 脉冲电流对金属凝固过程的影响 自电塑性效应发现后，科学家们也研究了脉冲电流对金属凝固过程的影 响，试图观察在这种情况下金属内部结构如何变化。 1 9 8 4 年，印度学者a k m i s r a 首先在金属和合会的凝固过程中使用了电流 技术，在低熔点的过共晶p b 1 5 s b 7 s n 3 0 三元合金凝固过程中，通过直流 电( 电流密度为4 0 m a c m 2 ) ，结果发现凝固后的组织明显细化并且第二相分布 均匀。同时他还发现把直流电换成交流电也可以得到同样的结果。1 9 8 6 年， m i s r a 又将这一技术用于亚共晶p b 1 0 s b 3 s n 三元合金的凝固过程中，得到 了整个基体上没有第二相分布的均匀且细化了的共晶组织【2 3 1 。m n a k a d a 等人 首先使用脉冲电流研究s n 1 5 p b 合金的凝固过程，他们发现，凝固组织不再 出现枝状晶而成球状副2 4 1 。j m l i 等则在p b 6 0 s n 合会的凝固过程中得到了 同样的结果，并且观察到共晶生长方向与电流方向一致【2 5 1 。h c o n r a d 等研究了 用高密度电脉冲对6 0 s n 4 0 p b 和6 3 s n 3 1 p b 合金凝固组织的影响，结果证实，脉 冲电流可以增加过冷度并使共晶的晶粒度降低一个数量级，晶粒度随脉冲电流 密度的增加而减j x 2 6 7 1 。高明等人还发现脉冲电流对铸造z a 2 7 合会中缩孔和 疏松等铸造缺陷有显著影响，在合金凝固过程中施加脉冲电流能减少铸件中的 缩孔、疏松等缺陷，提高铸件的致密性【2 8 ，2 9 1 。周本濂等不仅在实验上研究了脉 冲电流对合会凝固组织的影响，而且在理论上突破了常规的电迁移理论，用经 典热力学和连续介质电动力学对脉冲电流作用下熔体的结晶成核理论和结晶晶 粒尺寸的计算作了深入的研究，所得结果是，当所加脉冲电流密度达 0 1 g a m 2 量级时，在理论上可以获得大块纳米晶 3 0 - 3 4 】。按照这一理论，并对 6 0 s n 4 0 p b 合会进行了理论计算，结果与实验值基本一致。 1 2 3 脉冲电流对金属材料再结晶的影响 再结晶是指当把冷加工的金属加热到成为再结晶温度的足够高的温度时， 由于高迁移率的大角度晶界运动，形成新的无畸变的晶粒。 c o n r a d 等 3 5 - 3 8 l 研究了电流对一系列冷加工金属( c u ，a 1 ，n i 3 a 1 ) 退火组织结 构的影响。实验发现，脉冲电流可以明显促进铜的再结晶。研究结果表明，脉 冲电流对激活能几乎没有影响；脉冲电流还能细化再结晶晶粒，抑制晶粒生 长。对于铜，脉冲电流还可以推迟其退火孪晶形成锐化织构，在实验上进一步 哈尔滨理t 大学下学硕 ：学位论文 证实了电流的存在有助于位错的运动，加速位错的滑移和攀移，导致亚晶形核 率的提高。这表明漂移电子流可以影响晶体中的缺陷，并对其固态相变和显微 组织结构产生影响。但在电场退火条件下，王轶农等认为电场退火具有抑制冷 轧工业纯铜再结晶及晶粒长大和促进再结晶立方织构的形成与发展的作用。x u 等在研究电流对冷加工0 【t i 的影响时发现，直流电可以增加冷加工a t i 的再 结晶速度，并能得到更细小的晶粒尺寸【3 9 1 。 1 2 4 脉冲电流对金属疲劳性能和仿生处理的影响 除金属的塑性外，与位错运动密切相关的另一个力学行为就是金属的疲 劳。金属的疲劳是指材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。 早在1 9 7 6 年，苏联学者g v k a r p e n k o 等就开始研究了连续直流电能提高 低碳钢的疲劳寿命。9 0 年代初，美国学者h c o n r a d 等研究了脉冲电流对金属 材料疲劳寿命的影响。实验发现，脉冲电流不仅能降低会属材料的流变应力， 而且能提高金属材料的疲劳寿命。c o n r a d 等和赖祖涵等【州2 1 在高密度脉冲电流 对多品铜、0 【一t i 等材料疲劳特征影响的实验研究中发现，对多晶铜，脉冲电流 能提高疲劳寿命，降低沿晶断裂倾向。他们认为高密度脉冲电流对驻留滑移带 ( p s b ) 中的位错运动或次滑移系中的位错运动有影响，提高了滑移的均匀性； 且脉冲电流对疲劳寿命的影响随着所加应力的降低而增加。对u t i 的低周疲 劳，脉冲电流不仅能降低疲劳初期的软化速率，而且可以消除软化过程中的硬 化峰。脉冲电流的作用是促进了位错的运动，促进低能位错p a t c h 结构的形 成。周本濂等研究了脉冲对疲劳变形纯铜单晶体驻留滑移带的影响，发现经脉 冲电流处理，可减少p s b 的平均宽度和平均间距，能减小p s b 和基体界面处 的应力集中，提高疲劳寿命。此外脉冲电流还能阻滞疲劳裂纹扩展，延长疲劳 寿命【4 引。 工程材料在其使用过程中会受到载荷和环境的共同作用而产生损伤导致失 效是材料使用中的一个重要问题。对金属材料的仿生处理的研究是很实际的。 人们通过调整材料的化学成分，改进其研制工艺等方法来改善其微观组织结构 以期得到高的抗失效的能力，对材料失效的相反过程一材料的复效过程加以 研究。人体的这种疲劳可以通过补充物质和能量得到不同程度的恢复，如休 息、饮食等。材料的疲劳是材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。分析它们的 物理本质都是一开放体系和周围环境进行物质和能量交换并进行自组织的过 程。这一共同的物理过程启发人们通过仿生处理来探索材料疲劳性能恢复的可 哈尔滨理t 人学t 学硕：l ：学位论文 能性。脉冲电流作为金属材料在疲劳过程中的能量输入方式之一有其独特的优 点，用高能量脉冲电流进行了金属材料的仿生恢复处理使一种低碳钢的疲劳寿 命提高了一个量级【删。分析其结果，高能量脉冲不仅能够引起金属中的原子 迁移和电塑性效应，而且当和外界能量交换达到一定阀值时，有可能形成和某 些非平衡过程有关的耗散结构。 1 2 5 脉冲电流对非晶纳米晶化方面的影响 周本濂、晁月盛等人【4 7 书1 研究了电流脉冲对铁基非晶合会的微观结构和性 能的影响。他们发现，对于液态急冷单辊法制备的薄带非晶f e 7 5 s i l o b l 5 、 f e 7 9 s i 7 8 1 4 ，经一定的电流脉冲处理，可使这种铁基非晶合金在不改变其宏观非 晶特征的前提下使其微观结构发生变化，用穆斯堡尔谱、振动样品磁强计等方 法可以观测到这些变化，在电脉冲处理温升很小的情况下，随着电脉冲作用时 间的延长或电脉冲频率的增加，均能使其内磁场和饱和磁化强度降低，电阻率 增加。这些结果表明，高密度的电流脉冲可以引起非晶合金的结构驰豫。 黄金亮等【5 0 5 1 】在研究脉冲电流对非晶f e 7 3 5 c u l n b i m 0 2 s i l 3 5 8 9 以及 f e 7 8 s i l 3 8 9 结构和性能的影响时发现，通过调整脉冲电流参数可控制品体的形 核与长大，而成为制备纳米晶材料的一种新方法。这种方法不同于高温退火处 理而发生的品化，脉冲电流对非晶f e 7 5 s i l o b l 5 合金晶化的成核率和晶体生长具 有明显的促进作用，可以大幅度降低非晶合金的晶化温度。h m i z u b a y a s h i 等 系统地研究了通以直流电对薄带非晶c u 5 0 t i 5 0 、c u 5 0 z r 5 0 、( c u 3 0 z r 7 0 ) 9 2 5 a 1 7 5 、 p d 8 0 s i 2 0 等的结构弛豫、晶化过程和弹性性质的影响。结果表明，当非晶薄带 通以超过电流密度门槛值( 对c u 5 0 t i 5 0 约为2 5 1 0 3 a c m 2 ) 时，这些不同的非晶 合金的电阻率发生了很大变化，并发现非晶结构的弛豫和晶化过程得到了加 速。对于非晶结构弛豫过程，其前指数频率因子和激活能分别表现出明显的增 加和递增；对非晶晶化过程，激活能则发生下降。当电流密度低于5 1 0 3 a c m 2 时，材料的杨氏模量随电流密度的提高表现出增加的趋势。虽然作者试图用传 统的电迁移理论并结合非晶合金中的原子扩散机制来分析这些结果，但不能得 到满意的解释，故这方面的工作尚需进一步研究。 中国科学院金属研究所的隋曼龄等人【5 2 ，5 3 】发现电脉冲处理可使粗晶材料产 生局域纳米结构。在研究对材料微观结构影响时，发现电脉冲处理可使轧制态 c u z n 粗晶合金材料发生局域纳米化转变，形成平均晶粒尺寸约为ll n m 的0 【 ( c u z n ) 和1 3 - ( c u z n ) 两相共存纳米结构区。他们认为：由于电脉冲处理产生的焦 哈尔滨理t 大学t 学硕j j 学位论文 耳热引起材料基体瞬时升温，在轧制态c u - z n 粗晶合金的局部高缺陷密度区域 的温升可达相转变温度以上，在瞬时热循环过程中，纳米相形成并保持到室温 状态。此外，电脉冲处理还可以使轧制态c u z n 粗晶合金材料的微观结构发生 明显变化，即位错密度降低、位错排列组态发生有序化转变，从而解释了电脉 冲处理可使材料的韧性也明显增强的原因。 金属研究所的郭敬东等人【5 4 】在研究瞬时脉冲电流对低碳钢的作用时发现， 脉冲电流通过后低碳钢粗晶合金中有丫f e 纳米晶析出，平均晶粒尺寸l o n m ， 这些具有纳米尺寸的晶粒随机取向，他们认为，这可能是由于脉冲电流通过金 属样品时加热和冷却速度很快，因而相转变过程中的一些热力学参数被改变从 而导致了纳米晶的形成。 1 3 课题的意义及主要研究内容 1 3 1 本课题的意义 经过冷加工工艺处理( 如将金属连续拉拔几次使其直径变小) 的金属材料在 塑性变形过程中会产成硬化现象。塑性变形的实质是由于金属内部位错的形成 和运动：由于位错的运动和相互作用，将产生位错的缠结和位错与第二相、位 错与晶体缺陷等的相互作用，从而阻碍了位错的运动，形成加工硬化，造成 材料的硬脆性，使塑性变形难于进行。为了使金属材料的机械强度、延伸率等 指标满足产品性能和质量的要求( 硬度降低、继续进行冷加工) ，一般需要对经 冷加工后的金属材料进行退火处理。退火的目的就是打开位错的缠结，减小障 碍和摩擦，使材料的硬度降低、塑性提高，各种性能得到恢复和改善。 目前，金属材料的退火软化方式主要有加热炉退火、电阻热退火、中高频 退火等。由于它们退火的原理均通过热效应来实现，因而其退火装置存在效率 低、耗能大、污染环境以及产品表面氧化严重等缺点。为了克服现有退火软化 方法的不足，本课题将深入探讨电脉冲软化处理工艺，探索利用高密度电脉冲 处理代替传统热效应处理的退火软化新方法。利用脉冲电流退火，可以提高金 属塑性指标，减少中间退火次数，甚至可以避免中间退火，强化生产过程，大 大提高生产率。这种方法将为提高金属材料的性能开辟一条新的途径，同时也 将是金属材料退火设备行业的一次革命，它对促进节能高效的新退火工艺发展 将具有非常重要的意义。 哈尔滨理t 大学下学硕i ：学位论文 1 3 2 研究的主要内容 金属材料冷拉( 或冷轧) 后，其晶粒形状将会发生改变，而且晶粒取向发生 转动，金属自由能提高，处于一种热力学不稳定状态，必须进行退火软化处 理。目前现有的退火设备都是将金属材料加热到较高温度来达到去应力退火软 化的目的，如果采用较低温度的退火处理，只能影响一些点缺陷的运动，消除 一些晶内及晶界的点缺陷，减缓微裂纹的形成，改善材料的塑性。并且传统的 热效应退火是缓慢的平衡状态的转变，依靠缓慢的组织转变是不能在瞬间完成 的。而电脉冲退火是瞬间的非平衡反应，对金属线材力学特性的提高有着完全 不同的机理。因此，本课题需对电脉冲退火使塑性，延伸率等力学特性提高的 机理进行深入研究，主要研究内容如下： 1 脉冲电源的研制：高密度脉冲电源是退火工艺的关键装置，借鉴电塑性 加工电源原理和结构研制出退火软化电源，该电源通过控制出可以提供的脉冲 电流为：电流密度( 5 0 一6 0 0 0 a m m z ) 、电流脉冲宽度( 1 0 1 0 0 u s ) 和频率( o - - - 1 0 0 0 h z ) ，以满足不同种类金属线( 或带) 材质的退火软化工艺要求。 2 设计合理的实验方案并总结电脉冲退火软化最佳工艺参数：如果电脉冲 参数选择不合理，金属的原子被击出晶格位置的极限时，引起晶格缺陷，反而 产生辐照强化，导致金属线( 或材) 塑性下降，力学性能降低。因此本文将选用 冷拔碳钢钢丝材料，在电脉冲软化设备上进行不同工艺条件下的退火软化实 验，总结电脉冲退火软化最佳工艺参数。 3 力学性能及显微组织检验：将退火软化后的金属材料进行抗拉强度、延 伸率等力学性能测试，并应用金相显微镜等观测退火后显微组织的改变，并与 传统热效应退火后的力学特性、显微组织对比。 4 探索电脉冲退火软化机理：在实验结果，显微观测的基础上，借鉴焦耳 热效应，磁压缩效应，电塑性理论等对脉冲电流退火机理进行深入探讨，寻找 出恰当的科学解释。 哈尔滨理下人学丁学硕十学位论文 2 1j j n - r 硬化理论 第2 章基础理论 金属材料在冷加工工艺过程中，由于金属内部位错的形成和运动，产生了 加工硬化，造成材料的硬脆性，因此，需要对经冷加工后的金属进行退火处 理，使其机械强度、延伸率等指标满足产品性能和质量的要求。 2 1 1 位错理论 金属是典型的晶体，在实际应用的金属材料中，其原子不可能绝对严格地 按晶格的周期性排列，总是不可避免地存在些原子偏离规则排列的不完整性 区域，这就是晶体缺陷，实际晶体中或多或少都存在缺陷。晶体缺陷按几何形 态特征分，有点缺陷、线缺陷和面缺陷。根据退火机理解释的需要，下面我们 着重介绍一种典型的线缺陷位错。位错是一种极为重要的晶体缺陷，它对 于金属的强度、断裂和塑性变形等起着决定性的作用。 沿一平面，晶体的一部分相对于另一部分发生滑移时，在滑移部分与未滑 移部分的交界处，晶格容易发生位错，这种线缺陷为位错。典型的位错有两 种：一是刃型位错，二是螺型位错。 2 1 1 1 刃型位错如图2 1 所示，a ) 是未滑动f j 的晶格，b ) 是晶体的上半部沿 a b 晶面向右滑动，c d 是还未滑动的晶面：在滑动和未滑动的交界处，有半 截晶面e f ，在晶体的下半部分没有与它相连的晶面；这半截晶面f 顶端的原 子链恰处在这半截原子面的刃上，所以称这条原子链为刃型位错。e f 是晶体 的挤压区与未挤压区的分界线，位错线f 以下的原子间距变大，原子间有较强 的吸引力，f 的左右品格被挤压，原子间排斥力增大。实际晶体的小角倾斜现 象可以看成是由一系列刃型位错排列所造成的。 2 1 1 2 螺型位错如图2 - 2 a ) 所示，设想把晶体沿a b c d 面切开，切开部分只 到b c 线，使切开的两部分晶体相对的滑移一个品格后，然后再“粘牢”。经过 这样滑移后，除了b c 线附近的部分原子外