脈沖電流凝固細(xì)晶技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求研制了專用于金屬凝固研究的高能脈沖電源及脈沖電流測量裝置，分析了脈沖電源放電過程中的電流變化，系統(tǒng)測量了電流峰值、電流脈寬和脈沖頻率等電流參數(shù)隨放電回路中電壓、電容量和傳輸線等變化的定量關(guān)系。 結(jié)合材料的組成、相特征、凝固特性和工程實(shí)用性，以純鋁、奧氏體不銹鋼和過共晶灰鑄鐵為實(shí)驗(yàn)材料，采用熱分析技術(shù)與金相分析技術(shù)相結(jié)合的方法，研究了脈沖電流處理對(duì)不同類型的金屬材料凝固過程、凝固組織及力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電流處理使

2、金屬的凝固溫度升高，凝固時(shí)間縮短，溫度梯度減小，使金屬更趨向于體積凝固方式，凝固組織細(xì)化，力學(xué)性能得到改善。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出了脈沖電流對(duì)金屬凝固造成的“電致過冷”效應(yīng)。 脈沖電流處理能使純鋁試樣凝固組織由粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶，可大幅度細(xì)化純鋁的晶粒尺寸；使奧氏體不銹鋼的柱狀晶間距明顯細(xì)化，并增加凝固組織中奧氏體的相對(duì)含量；使高碳當(dāng)量的過共晶灰鑄鐵中出現(xiàn)大量D型過冷石墨和發(fā)達(dá)的奧氏體枝晶，細(xì)化共晶團(tuán)尺寸。分別給出了本實(shí)驗(yàn)條

3、件下，純鋁、奧氏體不銹鋼和過共晶灰鑄鐵凝固組織細(xì)化效果與脈沖電流的峰值、脈寬和頻率的定量關(guān)系。表明三種材料的凝固組織細(xì)化效果分別隨著峰值、脈寬和頻率的增大而增大。脈沖電流三個(gè)參數(shù)中，電流峰值對(duì)金屬凝固組織細(xì)化的影響最大，脈沖頻率次之，電流脈寬的影響最小。三個(gè)參數(shù)之間的交互作用對(duì)凝固組織細(xì)化有很明顯的影響。 根據(jù)現(xiàn)有金屬熔體結(jié)構(gòu)和凝固理論，綜合考慮脈沖電流的焦耳熱和電磁力等效應(yīng)，并結(jié)合脈沖電流處理驗(yàn)證試驗(yàn)，分析了脈沖電流作用后金屬

4、凝固組織細(xì)化的機(jī)理，重點(diǎn)討論了脈沖電流對(duì)凝固形核過程的多重復(fù)雜作用機(jī)制。理論分析表明，脈沖電流處理后，使液態(tài)金屬中結(jié)構(gòu)起伏的尺寸增大且趨于穩(wěn)定，從而增加了晶胚數(shù)；使金屬熔體的臨界晶核半徑和臨界形核功減小，同時(shí)減小了臨界形核過冷度；使金屬熔體中異質(zhì)核心的表面活化和凈化，促進(jìn)了金屬的形核過程，從而使金屬凝固組織細(xì)化。 基于經(jīng)典形核理論，推導(dǎo)出脈沖電流作用下的金屬形核模型。指出脈沖電流作用下形核功的變化與晶核和熔體兩者的電導(dǎo)率及體積的

5、大小有關(guān)，晶核的電導(dǎo)率增大和體積減小，降低形核功，促進(jìn)形核；脈沖電流處理對(duì)擴(kuò)散激活能有正反兩方面的作用，電磁壓力的作用增大擴(kuò)散激活能，抑制原子的擴(kuò)散，而焦耳熱的作用降低擴(kuò)散激活能，促進(jìn)原子的擴(kuò)散；脈沖電流引起的電磁振動(dòng)和焦耳熱造成的晶粒熔斷、破碎、游離和增殖是凝固組織細(xì)化的重要原因。 結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，以及材料本身的凝固特性與物理特性，分別對(duì)脈沖電流作用下純鋁、奧氏體不銹鋼和過共晶灰鑄鐵凝固組織細(xì)化的形成機(jī)理進(jìn)行了深入討論