电流对材料的影响.doc

3 电流对材料的影响3.1 电致迁移电致迁移（Electromigration）是指通电导体中的电流与原子相互作用而诱发的物质传输过程，即电流作用下的一种受迫扩散过程。 电致迁移的驱动力包括两部分：一是电场和失去了价电子的离子核之间的静电相互作用；二是离子与载流子之间相互碰撞产生的动量传递，称为“电子风”16。驱动力F可表示为： (1.8)其中Ze为静电作用的离子有效电荷数，Zw为电子风作用的有效电荷数，E为电场强度，e为单位电荷。一般说来，由于金属是电的良导体，电子风力通常占支配地位，而且只有在直流、大电流密度和长时间作用下才会发生明显的电致迁移现象。电致迁移现象早在一个世纪以前就被发现了。最初人们研究的是纯金属中的自体电致迁移，后来扩展到合金的液态金属。这一时期的应用研究主要集中在难熔金属间隙杂质尤其是气体杂质的净化。六十年代后期，Blech和Meieran发现电迁移现象是导致集成电路中导线失效的主要原因 17，随后研究重点开始转向薄膜导体材料。在块体金属和金属薄膜中，电迁移的模式截然不同：前者以晶格扩散为主，而后者以晶界扩散为主。大部分金属的晶界物质传输都是通过空位机制进行扩散的。金属薄膜不可避免的存在各种结构缺陷、温度梯度等因素，其中结构缺陷（包括晶粒大小、形貌、取向及晶界结构的不均匀）最终导致原子流散度的存在，从而使局部空位过饱和或耗尽。脉冲电流与稳恒直流电流产生的电致迁移有所不同。脉冲电致迁移具有如下特点：i) 在脉冲电流方式下，缺陷积累形成损伤的过程只发生在通电周期，而断电周期将发生结构弛豫，缺陷积累过程和结构弛豫过程与脉冲的占空比和相对幅值有关；ii) 脉冲电流的作用会使导体中出现温度梯度，其大小决定于所通过电流的电流密度及薄膜导体和基片的导热常数；iii) 脉冲电流产生的焦耳热和功率耗散比直流电流的小。3.2 电致塑性1963年，前苏联科学家Troitskii和Likhtman首次报导了金属晶体中的运动电子能够改变位错运动的迁移率。他们在实验中发现单向拉伸的Zn单晶在变形过程中，当受到平行于（0001）滑移面的电子辐照时，流变应力明显降低。之后，他们在78K条件下向单向拉伸的Zn单晶施加脉冲电流，结果发现施加脉冲电流会使载荷曲线发生突然下降，从而进一步证实了电流对金属塑性形变的影响。根据这一实验结果他们认为漂移电子能产生一个力（电子风力）作用在位错上，并把这种相互作用称之为电致塑性效应（Electroplastic Effect）。这一效应直至二十世纪八十年代中期才得到广泛认可。电致塑性效应发现后，Troitskii等前苏联科学家又系统研究了脉冲电流对金属材料的流变应力、应力弛豫、蠕变、位错的产生和迁移、脆性断裂、疲劳和金属加工等的影响规律。研究的金属包括Zn、Cd、Pb、Cu、Fe、W和不锈钢等。他们发现，脉冲电流不仅可降低加工应力和材料的脆性，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。其基本机制都是漂移电子形成的电子风会和位错发生相互作用。在研究过程中他们还通过提高电流密度来增强漂移电子风对位错的作用力，缩短脉冲宽度来降低电流的焦耳热效应。七十年代末，Conrad为代表的美国科学家也开始了对电致塑性效应的系统研究18。他们不仅研究了脉冲电流对塑性变形时应力、延伸率等方面的影响，而且还研究了电流的的各种副效应（趋肤、电磁伸缩效应、磁致伸缩及焦耳热效应）对金属电致塑性的贡献。他们发现，从脉冲电流导致降低的流变应力中减去各种副效应的影响后，还有一部分是由漂移电子和位错相互作用造成的，并利用热激活辅助位错运动模型对此作出解释。3.3 电致超塑性材料在脉冲电流作用下显示出异常高的塑性的现象称为电致超塑性。这种现象发生的内在条件包括成分、显微组织（晶粒尺寸、形状及分布等）及是否具有相变的能力；外在条件包括温度、加热方式或应变速率等 19。东北大学的刘志义利用高密度脉冲电流（2.0108A/m2，11Hz）在773K的条件下，使超速冷轧态的2091铝锂合金变形速率提高了40倍，并且对完全再结晶和部分再结晶以及常规冷轧板材的2091铝锂合金的超塑性都有不同程度的提高。他们称之为电致超塑性 20。Conrad研究了脉冲电流对7475铝合金超塑性的影响，发现脉冲电流可促进塑性变形的动态恢复及动态再结晶，加强了超塑性变形中的扩散蠕变，从而进一步提高了材料的塑性。李尧、李淼泉等研究了脉冲电流对ZnAl合金、LY12CZ铝合金超塑性的影响，他们也认为脉冲电流可使材料局部发生动态回复和再结晶，使晶粒在超塑性变形过程中趋于等轴状态，从而提高材料的超塑性 21。3.4 电流对金属材料凝固过程的影响1984年，Misra首先在金属和合金的凝固过程中使用了电流技术，在低熔点共晶Pb-15%Sb-7%Sn三元合金的凝固过程中通以直流电，结果发现凝固后的组织明显细化并且第二相分布均匀，同时还发现把直流电换成交流电也有同样的结果。他认为是由于电流改变了固液界面间的溶质浓度，即电迁移效应使固液界面间的溶质浓度增加，促使固液界面的不稳定性增强，从而导致晶粒细化。Nakada等人研究了Sn-15%Pb合金在脉冲电流作用下的凝固过程，他们发现凝固组织不再出现枝状晶而成球状晶。他认为强脉冲电流产生的电磁匝缩效应会在熔融金属中产生切变应力，导致枝晶断裂或部分重熔，从而使晶粒细化。李建明等在Sn-40%Pb合金的凝固过程中施加脉冲电流也得到了同样的结果，并且观察到共晶生长方向与电流方向一致。他们也认为存在枝晶断裂效应。Barnak和Conard等研究了高密度脉冲电流对Sn-40%Pb和Sn-31%Pb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，且凝固组织晶粒度随脉冲电流电流密度的增大而减小。他们认为脉冲电流可以使过冷度增加，影响凝固过程的形核率。周本濂和秦荣山等人不仅通过实验研究了脉冲电流对合金凝固组织的影响22，而且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凝固形核和凝固组织的晶粒尺寸作了研究，他们认为电流使晶粒细化的原因在于电流有降低熔体凝固形核时的形核势垒的作用，从而施加电流可以提高体系的形核率 23。3.5 非晶结构的电致弛豫和纳米晶化1983年，Jagielinsky采用脉冲电流对Fe47Co70.3Si15B10非晶合金进行处理，在试样未发生晶化及弹性也未退化的情况下却使材料的最大磁导率有明显的提高 。随后，赖祖涵等对FeSiB系非晶合金进行了脉冲电流处理的研究 24，结果发现，通过调节参数可以在不改变材料宏观非晶特征的情况下，使其微观结构发生变化。如用穆斯堡尔谱和振动样品磁强计观测发现，在脉冲电流引起的温升很小的情况下，随着脉冲电流作用时间的延长或脉冲频率的增加，可使材料的内磁场和饱和磁化强度降低，材料的电阻率增加，这说明脉冲电流可以引起非晶合金的结构弛豫。他们在研究脉冲电流对FeSiB系非晶合金结构和性能的影响的过程中还发现通过调整脉冲电流参数可控制非晶的形核与晶体的长大，从而获得纳米晶组织，成为制备纳米材料的一种新方法 24。这种方法与退火处理发生的晶化有很多不同，例如脉冲电流对FeSiB系非晶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。Mizubayashi等系统地研究了直流电对薄带非晶Cu50Ti50、Cu50Zr50、(Cu30Zr70) 92.5Al7.5、Pd80Si20等的结构弛豫、晶化过程和弹性性质的影响。结果表明，当电流密度低于某值时，材料的杨氏模量随电流密度的提高表现出增长的趋势；当电流密度超过某一门槛值（对Cu50Ti50约为2.5107A/m2）时，这些不同的非晶合金的电阻率都发生了很大的变化。在电流作用下非晶结构的弛豫和晶化过程都会得到加速。例如，对于结构弛豫过程，其前指数频率因子和激活能在电流作用下明显增加；而对于晶化过程，在电流作用下其晶化激活能发生下降。目前对这些现象主要是用电迁移理论结合非晶合金的原子扩散机制进行解释，但远未完善，尚需进一步的研究。3.6脉冲电流对疲劳性能的影响早在1976年，Karpenko 等就开始研究采用连续直流电提高低碳钢的疲劳寿命 。九十所代初，Conrad、赖祖涵等在多晶Cu、a-Ti的疲劳实验过程中通以连续的高密度脉冲电流，对其疲劳特征进行研究。结果表明对多晶Cu，脉冲电流能够提高疲劳寿命，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PSB（Persist Slip Bands）中的位错运动或次滑移系中的位错运动有影响，其结果是提高了滑移带的均匀性，且脉冲电流对疲劳寿命的影响随着所加应力的降低而增大，或者说对高周疲劳的影响要比对低周疲劳的影响大。对a-Ti的低周疲劳来说，脉冲电流不仅能够降低疲劳初期的软化速率，而且还可消除软化过程中的硬化峰。肖素红等研究了脉冲电流处理对疲劳铜单晶中驻留滑移带的影响 25，发现脉冲电流处理可以使驻留滑移带及位错组态发生明显的改变，并可以使驻留滑移带在局部出现消失。3.7脉冲电流作用下材料的仿生改性周本濂先生曾提出了材料过程仿生的思想 26，即把生命体系的疲劳恢复和创伤愈合思想借鉴到无生命体系。他认为其物理本质都是开放体系和周围环境进行物质和能量的交换并进行自组织的过程。基于该思想，他们研究了脉冲电流处理对金属材料裂纹愈合和疲劳性能恢复的影响。周亦胄等人 27发现脉冲处理可以使45钢中的裂