李云峰，孫向陽，宋燕利，馬慧娟，孫 倩

(1.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室(武漢理工大學(xué))，武漢430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070；3.武漢理工大學(xué) 湖北省新能源與智能網(wǎng)聯(lián)車工程技術(shù)研究中心，武漢430070；4.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430070)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與加工制造業(yè)的進(jìn)步，許多高精尖場景與極端服役環(huán)境對零件的各項性能提出了更高的要求。一直以來，研究者們都在探索可靠有效的方法以得到高性能、長壽命的構(gòu)件。電磁脈沖處理作為一種新興的外場處理工藝，是指以脈沖電流或脈沖磁場的形式，將電磁脈沖能量引入材料或零件中，從而達(dá)到改變其微觀組織、形狀、機(jī)械性能及服役性能的目的。作為一種外場施加手段，電磁脈沖處理具有作用范圍、作用方式靈活可控的優(yōu)勢，可應(yīng)用于材料成型、熱處理及零件強(qiáng)化等領(lǐng)域，調(diào)控材料的微觀組織與應(yīng)力分布，最終得到服役性能良好的零件或構(gòu)件。因此，從上世紀(jì)60年代以來，學(xué)者們對電磁脈沖處理技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。

1963年，Troitskii和Likhtman[1]用電子束照射鋅單晶體時發(fā)現(xiàn)其流動應(yīng)力顯著下降，稱為電致塑性效應(yīng)(Electro-plastic effect)。隨后，針對利用電場處理材料的技術(shù)，學(xué)者們開創(chuàng)了一系列理論與工藝。研究發(fā)現(xiàn)，相比于持續(xù)電流，脈沖電流具有許多獨(dú)特性質(zhì)，能夠應(yīng)用在調(diào)控殘余應(yīng)力、低溫淬火、微裂紋修復(fù)等許多方面[2-4]。磁場處理技術(shù)相對發(fā)展較晚。上世紀(jì)80年代，Bose[5]發(fā)現(xiàn)施加飽和磁場能夠提高碳鋼的疲勞壽命，作者認(rèn)為這與磁場降低了材料的機(jī)械阻尼和影響了材料的應(yīng)變時效有關(guān)。Tang等[6-8]認(rèn)為，磁場處理對材料性能的改變與殘余應(yīng)力降低有密切聯(lián)系，他們通過強(qiáng)磁脈沖處理對此進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。從上世紀(jì)開始并逐步深入的一系列研究，使電磁脈沖處理逐漸顯露出其在材料強(qiáng)化，特別是零件強(qiáng)化方面的顯著優(yōu)勢。

目前學(xué)者們采用不同參數(shù)的脈沖電流和脈沖磁場，針對不同的材料、構(gòu)件或工藝進(jìn)行了廣泛的研究，得到了豐富的研究成果。本文通過梳理上世紀(jì)60年代以來電磁脈沖作用機(jī)制的幾種理論，闡述電磁脈沖處理對材料微結(jié)構(gòu)的影響特征，并介紹了電磁脈沖在輔助成型制造、熱處理和強(qiáng)化零件性能方面的應(yīng)用，最后展望了未來電磁脈沖處理技術(shù)的研究方向。

1 電磁脈沖處理技術(shù)作用原理

電磁脈沖作用時，金屬材料處于多場耦合的復(fù)雜狀態(tài)。自上世紀(jì)60年代以來，學(xué)者們提出了多種理論試圖解釋其微觀作用原理。

1.1 電磁脈沖對材料微結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制

1.1.1 焦耳熱效應(yīng)

對于施加電磁脈沖能夠降低材料流變應(yīng)力的現(xiàn)象，研究人員最初認(rèn)為這是單純的焦耳熱效應(yīng)引起的，即施加電磁脈沖后金屬的內(nèi)電阻使其溫度升高，導(dǎo)致金屬軟化，從而引起了流動應(yīng)力的降低。而且，由于金屬良好的導(dǎo)熱性，在施加電磁脈沖時金屬處在快速的升溫-降溫循環(huán)中，這一過程可以帶來如再結(jié)晶等導(dǎo)致材料性能強(qiáng)化的現(xiàn)象出現(xiàn)[9]。但進(jìn)一步的研究表明，熱軟化并不能完全解釋電致塑性效應(yīng)的機(jī)理[10-11]。在提升金屬延展性方面，這些脈沖消耗的能量通常小于將材料加熱到可提供相同延展性的溫度所需的能量[12-13]。而且，在控制溫升相同的情況下，與僅加熱金屬而不施加電流相比，施加電流的試樣往往能夠獲得更好的塑性表現(xiàn)[14-15]。這些研究均表明，對于部分材料而言，電流引起的焦耳熱不是提升材料塑性的唯一因素。但是，區(qū)別于簡單的焦耳熱導(dǎo)致金屬軟化，后續(xù)關(guān)于電磁脈沖熱效應(yīng)更加深入的研究表明，材料溫度分布不均產(chǎn)生的熱壓應(yīng)力[16]、材料溫度升高和熱膨脹之間的時差導(dǎo)致的瞬時熱膨脹應(yīng)力[17]等，均可能是電磁脈沖熱效應(yīng)影響金屬的方式。

1.1.2 電子風(fēng)力效應(yīng)

排除電磁脈沖的焦耳熱效應(yīng)后，在電磁脈沖引起的非焦耳熱效應(yīng)之中，“電子風(fēng)力”效應(yīng)是被研究者們最為廣泛認(rèn)可的。在上世紀(jì)60年代，Troitskii[18]提出漂移電子將動量直接轉(zhuǎn)移給位錯，即產(chǎn)生了“電子風(fēng)力”，推動了位錯的運(yùn)動。但有學(xué)者認(rèn)為，電子風(fēng)力太小，例如，Kravchenko[19]，Klimov等[20]以及Roschupkin等[21]根據(jù)理論計算分別給出了電子風(fēng)力的大小，約為10-16Nm/A，與其他因素相比,其對位錯的影響可以忽略不計，不足以使金屬發(fā)生顯著的塑性提升。Conrad等[22-27]通過恒定速率拉伸試驗系統(tǒng)研究了脈沖電流施加到不同金屬上時應(yīng)力降低的情況。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，他們發(fā)現(xiàn)，電子風(fēng)力的大小應(yīng)該在10-12Nm/A左右，這比先前的理論預(yù)測高了3到5個數(shù)量級，但仍不足以使金屬發(fā)生顯著的塑性提升。但目前關(guān)于電子風(fēng)力是否在電磁脈沖影響機(jī)制中占據(jù)主要地位仍存在爭議，并且，電子風(fēng)力理論也無法很好地解釋脈沖電流在提高金屬塑性方面比持續(xù)電流更具優(yōu)勢的原因。

1.1.3 電磁振動效應(yīng)

磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁材料在外磁場作用下，其尺寸發(fā)生伸長或縮短的現(xiàn)象[28]。有學(xué)者認(rèn)為，在電磁脈沖產(chǎn)生的磁致伸縮效應(yīng)作用下，金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生了拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，從而推動了位錯的運(yùn)動，改變了材料的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，唐非提出了磁致伸縮導(dǎo)致的磁致振動效應(yīng)[29]。由于鐵在弱磁場中表現(xiàn)為正磁致伸縮，在強(qiáng)磁場中表現(xiàn)為負(fù)磁致伸縮，在交變或脈沖磁場作用下，材料會發(fā)生交變的正負(fù)磁致伸縮，即磁致振動現(xiàn)象。而且，實(shí)驗表明，相比于交變磁場，脈沖磁場下兩次磁化間的零磁場使得磁致應(yīng)變有充分的時間回零，從而使得磁致振動振幅更大，能更有效地降低殘余應(yīng)力。但是，磁致伸縮效應(yīng)只存在于鐵磁性材料中，而電磁脈沖處理技術(shù)則不只對鐵磁材料有效。

早期的磁致振動理論只針對于鐵磁材料，但有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)“振動效應(yīng)”不只出現(xiàn)在鐵磁性材料中，并以此建立了新的“電磁振動效應(yīng)”模型。Sun等[30]發(fā)現(xiàn)，在可忽略焦耳熱作用的條件下，電磁脈沖使鈦合金表面(微米尺度)微區(qū)出現(xiàn)了晶界被摧毀和“地震般的塌陷”。在現(xiàn)有理論下，這種現(xiàn)象是無法解釋的。文章提出晶粒作為彈性體，晶體缺陷(如空位、雜質(zhì)原子、相界及晶界等)作為粘性體，從而構(gòu)成了一個二階諧振體系，如圖1所示。Sun等認(rèn)為，當(dāng)周期性或準(zhǔn)周期性電磁脈沖作用于合金時，考慮到合金內(nèi)部電磁場分布的不均勻性及合金不同微區(qū)彈性/粘性(或應(yīng)力狀態(tài))的不均勻性，合金內(nèi)部不同位置處晶粒發(fā)生不同程度的振動，引起合金內(nèi)部不同位置處發(fā)生不同程度的彈塑性變形，相應(yīng)的，晶體缺陷也會發(fā)生不同程度和不同形式的重組。一種極端情況是，當(dāng)引入的電磁脈沖能量合適的條件下，在缺少約束的合金表面特定微區(qū)(如微織構(gòu)區(qū))，晶粒會發(fā)生劇烈振動和位移，從而出現(xiàn)了微區(qū)塌陷的情況。

圖1 金屬內(nèi)部二階諧振體系及其在電磁脈沖作用下的非線性激勵效應(yīng)示意圖[30]

1.2 電磁脈沖對材料微結(jié)構(gòu)的影響特征

雖然電磁脈沖作用機(jī)理尚未明確，但近年來針對電磁脈沖處理中各種現(xiàn)象的研究與分析表明，電磁脈沖對材料微觀結(jié)構(gòu)的影響方式具有一些比較顯著的特征。

一方面，電磁脈沖作用于金屬材料微結(jié)構(gòu)時具有“位錯針對性”。位錯的滑移是材料塑性變形的主要方式，電磁脈沖對材料變形能力的改變，即材料力學(xué)性能和成形性能的影響，必然與電磁脈沖和位錯間的相互作用密切相關(guān)。近年的研究顯示，電磁脈沖對材料內(nèi)部位錯的分布或其運(yùn)動方式具有顯著影響。

Zhao等[31]研究了脈沖電流對Ti-Al合金超塑性變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電流通過改變位錯的滑移機(jī)制從而影響了材料的變形行為。如圖2所示，施加500 A/cm2，持續(xù)時間為100 ms的脈沖電流輔助拉伸時，在幾乎不產(chǎn)生溫升的情況下顯著提高了試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率，而相同電流密度的持續(xù)電流處理輔助拉伸下的試樣，在更高溫度下反而發(fā)生了性能的下降，顯然焦耳熱效應(yīng)的軟化作用在該研究中不是電磁脈沖的主要作用機(jī)制。從圖3中TEM圖像可以看出，兩個試樣在5%應(yīng)變時的位錯分布存在區(qū)別。文獻(xiàn)[31]作者認(rèn)為，電磁脈沖通過改變位錯的滑移模式，提高了材料的加工硬化速率，從而提升了其強(qiáng)度和延伸率。

圖2 無電流、脈沖電流作用下和持續(xù)電流作用下Ti-Al合金的拉伸曲線[31]

圖3 Ti-Al合金拉伸實(shí)驗中5%應(yīng)變時常規(guī)試樣(a,b)和脈沖電流試樣(c,d)內(nèi)部位錯分布[31]

Andre等[32]開展了脈沖電流作用下Al-Al2Cu的納米壓痕實(shí)驗。實(shí)驗中，逐步增加壓頭載荷的同時，施加脈沖電流，記錄壓頭載荷與壓頭位置之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。研究發(fā)現(xiàn)，由于電致塑性效應(yīng)的存在，脈沖電流使壓頭發(fā)生階躍位移這一特性更加顯著。在壓頭載荷不變的情況下，增大脈沖間隔和電流密度均可增加單個脈沖所引發(fā)的壓頭位移，即位移平臺長度，而且，脈沖間隔越長，單個脈沖對應(yīng)的位移變化越大，因而推測這種效應(yīng)很可能與電流脈沖誘導(dǎo)近程障礙物引起位錯脫釘有關(guān)。較長的脈沖間隔對應(yīng)于兩個電流脈沖之間較長的時間，在此期間，與較短的脈沖間隔相比，隨著壓頭載荷的增加，被釘扎位錯更多。因此，在隨后的電流脈沖作用過程中會導(dǎo)致更多的位錯發(fā)生脫釘，從而產(chǎn)生更大的位移平臺。該研究的實(shí)驗結(jié)果在一定程度上也支持電子風(fēng)力理論。

圖4 脈沖電流作用下Al-Al2Cu的納米壓痕實(shí)驗[32]

此外，Yan等[33]發(fā)現(xiàn)脈沖電流可通過溶解亞晶界提升金屬位錯密度，Li等[34]發(fā)現(xiàn)脈沖電流使得純鋁中位錯沿著非八面體平面滑移，Xiang等[12]發(fā)現(xiàn)脈沖電流使得位錯呈現(xiàn)平行排列，這些研究均表明，電磁脈沖與金屬內(nèi)部位錯存在顯著的相互作用，從而改變了材料的變形行為和宏觀力學(xué)性能。

另一方面，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)電磁脈沖對金屬材料的影響具有“選擇性作用”的特征。金屬內(nèi)部不同狀態(tài)的不同微觀區(qū)域，對于電磁脈沖處理的響應(yīng)往往不同。

Xie等[35]發(fā)現(xiàn)，脈沖電流能夠選擇性改變定向能量沉積制備的近β態(tài)鈦合金中微觀相的形態(tài)。如圖5所示，經(jīng)過脈沖電流處理后，合金內(nèi)部的α相由針狀變?yōu)闄E圓狀。由于電流的繞流效應(yīng)，在針狀α相的尖端處電流密度更高，在脈沖電流熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)作用下，α相出現(xiàn)明顯的球化，而試樣的其他區(qū)域微觀組織幾乎沒有變化。

圖5 0 s(EST0)、0.02 s(EST2)、0.03 s(EST3)的脈沖電流作用下近β態(tài)鈦合金α相尖端曲率半徑相對于縱橫比的分布[35]

Cai等[36]觀察了中碳鋼脈沖磁場處理后的微觀組織，發(fā)現(xiàn)脈沖磁場對不同晶粒的影響具有選擇性，脈沖磁場處理下變形只發(fā)生在“合適”晶粒中。通過使不同晶粒發(fā)生不同方向、不同程度的伸長或壓縮，脈沖磁場處理能夠在幾乎不產(chǎn)生宏觀變形的情況下顯著降低試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力。該研究團(tuán)隊認(rèn)為,不同晶粒變形行為的區(qū)別是磁場對不同狀態(tài)位錯影響程度不同的結(jié)果。

Zhang等[16]對時效處理前后的鎳基高溫合金進(jìn)行了電輔助拉伸和熱拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)脈沖電流處理能夠抵消時效處理產(chǎn)生的δ相在伸長率方面的負(fù)面影響，其作用機(jī)制為對δ相周圍的位錯進(jìn)行針對性的消除。在普通拉伸和熱拉伸中，由于δ相是位錯運(yùn)動的強(qiáng)障礙，δ相周圍會聚集大量位錯，而脈沖電流輔助拉伸下，δ相附近的位錯接近于消失，形成了一個“無位錯環(huán)”，如圖6所示。綜上研究可以看出，電磁脈沖對金屬材料微觀組織(晶粒、相、位錯等)的影響均存在著“選擇性作用”的特征。

圖6 鎳基高溫合金脈沖電流輔助拉伸下δ相周圍產(chǎn)生“無位錯環(huán)”[16]

目前，研究人員對于電磁脈沖作用機(jī)理的研究已取得了一些成果，但由于電磁脈沖處理時常有電場、磁場、熱場、力場耦合疊加，材料復(fù)雜的變化過程使得電磁脈沖對金屬材料微結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制仍不明確，尚需更加深入的研究。

1.3 電磁脈沖對金屬材料力學(xué)性能的影響

電磁脈沖處理在改變金屬材料微結(jié)構(gòu)的同時，必然會帶來金屬材料某些性能的變化，這也是電磁脈沖處理技術(shù)的最終目的之一。目前，研究者們已發(fā)現(xiàn)電磁脈沖處理可以通過多種強(qiáng)化方式達(dá)到提升材料力學(xué)性能的目的。

如圖2所示，在Ti-Al合金拉伸時輔助施加脈沖電流，能夠顯著提高該材料的抗拉強(qiáng)度與延伸率。該研究中，脈沖電流改變了位錯滑移機(jī)制，使得平面滑移的位錯變?yōu)椴ɡ藸罨?，達(dá)到了促進(jìn)加工硬化的效果，并同時提升了材料的強(qiáng)度和塑性。Pan等[37]采用循環(huán)脈沖電流處理與傳統(tǒng)固溶熱處理對比，實(shí)現(xiàn)了在處理時間大幅縮短的情況下材料力學(xué)性能的大幅提升。如圖7所示，相比于固溶處理試樣，脈沖電流處理試樣的強(qiáng)度和延伸率均有明顯提升。該研究中材料性能的變化主要?dú)w功于脈沖電流促進(jìn)試樣發(fā)生了顯著的晶粒細(xì)化。

圖7 Al-Mg-Si合金循環(huán)固溶處理(a)和循環(huán)脈沖處理(b)后的拉伸曲線[37]

徐曉峰團(tuán)隊前期的研究表明[38]，電子風(fēng)力使位錯平行于電流方向分布時，位錯線與電流方向之間必須存在很小的夾角，這一特征促進(jìn)了胞狀亞晶的形成，并在電能重復(fù)輸入下新生成的晶界逐漸穩(wěn)固，最終使得晶粒顯著細(xì)化，并提升了材料的力學(xué)性能。Song等[39]發(fā)現(xiàn)，脈沖電流能夠觸發(fā)金屬材料內(nèi)部的缺陷自我修復(fù)，從而改善材料力學(xué)性能，尤其在內(nèi)部存在缺陷的材料中表現(xiàn)較為明顯。他們通過有限元模擬，顯示了材料內(nèi)部存在微裂紋情況下裂紋附近的電流、溫度、溫度梯度和應(yīng)力分布情況，如圖8所示。

圖8 26 μ s時微裂紋引起的電流分布和局部能量分布[39]

Song等認(rèn)為微裂紋附近的溫度梯度引起的熱壓應(yīng)力促進(jìn)了裂紋的自我愈合，而且只有在脈沖電流下溫度梯度才可能較長時間地保持，不會像持續(xù)電流下很快消失，從而能夠有效強(qiáng)化材料。在試驗驗證中，Song等對TC4鈦合金進(jìn)行預(yù)變形引入缺陷，對常規(guī)和經(jīng)過預(yù)變形的試樣在脈沖電流處理前后分別進(jìn)行拉伸試驗，拉伸曲線如圖9所示，可以看出脈沖電流處理后材料延伸率得到大幅改善，并且與預(yù)變形的試樣對比更為明顯。

圖9 TC4鈦合金不同狀態(tài)試樣脈沖電流處理前后拉伸曲線[39]

綜上分析認(rèn)為，電磁脈沖處理技術(shù)可以通過加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化、缺陷修復(fù)等途徑對材料力學(xué)性能進(jìn)行強(qiáng)化。因此，電磁脈沖處理技術(shù)作為一種能對材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性調(diào)控的方法，有望通過處理參數(shù)、工藝路徑的設(shè)計，對材料力學(xué)性能進(jìn)行選擇性、定制化的強(qiáng)化與控制。

2 電磁脈沖處理技術(shù)工藝方法

目前電磁脈沖對金屬材料微觀組織的作用機(jī)理尚未明確，對金屬材料綜合性能的影響規(guī)律仍需探究，但由于電磁脈沖具有靈活可控、作用效果明顯等優(yōu)勢，使其在許多領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景，包括輔助成型制造、熱處理、強(qiáng)化處理等方面。

2.1 電磁脈沖輔助成形制造

電致塑性和磁致塑性現(xiàn)象的存在，使脈沖電磁場可以提升材料塑性，從而降低流變應(yīng)力，提升金屬延展性。在零件制造過程中施加電磁脈沖，能夠降低變形抗力，提升金屬變形的穩(wěn)定性，從而降低設(shè)備最大功率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

林赟等[40]通過在連續(xù)拉拔過程中對絲材施加高能脈沖電流，使得拉拔應(yīng)力明顯下降。相比于傳統(tǒng)拉拔，脈沖電流輔助拉拔后的絲材伸長率最多提高75%，屈服強(qiáng)度更加穩(wěn)定，表面的劃痕深度也大幅下降。除電致塑性或磁致塑性效應(yīng)可降低流動應(yīng)力外，絲材表面質(zhì)量的上升還與電磁振蕩產(chǎn)生的表面潤滑改善，以及電流的趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的表面受力狀態(tài)改善有關(guān)。Kim等[41]研究了脈沖電流輔助拉伸下鋁合金的力學(xué)行為，顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，脈沖電流促進(jìn)了材料在低于臨界退火溫度下發(fā)生退火，降低了位錯密度，從而大幅提升了材料的延伸率。與拉拔相似，在軋制過程中施加電磁脈沖也能降低變形抗力、改善顯微組織、提升軋材質(zhì)量，唐國翌等[42-45]對此進(jìn)行了大量的研究。此外，電磁脈沖處理還有助于減少彎曲工藝中回彈現(xiàn)象的產(chǎn)生。Wang等[46]采用不同頻率和密度的脈沖電流輔助AZ31B鎂合金板材的彎曲，發(fā)現(xiàn)脈沖電流能夠減小彎曲后的回彈角，如圖10所示。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，脈沖電流處理能夠減小晶粒尺寸并抑制孿晶，且頻率對晶粒尺寸減小的影響比電流密度更為顯著，而脈沖電流誘導(dǎo)的晶粒尺寸減小和孿晶減少是導(dǎo)致回彈角降低的原因。Gersrttin等[47]對AZ31鎂合金電輔助成形過程中的孿晶行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高密度脈沖電流導(dǎo)致鎂合金中異常孿晶的產(chǎn)生，從而提升了電輔助加工時材料的塑性。

圖10 脈沖電流輔助鎂合金V形彎曲[46]:(a)不同頻率電流:0—普通彎曲；1—f=200 Hz；2—f=400 Hz；3—f=800 Hz;(b)不同電流密度：0—普通彎曲；4—62.93 A/mm2；5—100.27 A/mm2；6—131.2 A/mm2

除利用電磁脈沖改善材料可加工性外，也有利用電磁脈沖能量直接促使材料發(fā)生宏觀變形的工藝方法，如電磁成形。電磁成形是利用脈沖電流在線圈中產(chǎn)生的脈沖強(qiáng)磁場，與金屬材料內(nèi)部感應(yīng)渦流共同作用下所產(chǎn)生的洛倫茲力使材料發(fā)生高速率變形的一種非接觸式成形方法?；陔姶懦尚胃邞?yīng)變速率與非接觸式變形的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)成形技術(shù)相比，電磁成形具有增強(qiáng)成形柔性、降低成本、提高材料成形性能、減小回彈和抑制起皺等多重優(yōu)勢[48]。在電磁成形技術(shù)數(shù)十年的發(fā)展歷程中，許多研究主要關(guān)注電磁成形條件下材料的宏觀變形行為，關(guān)于電磁成形過程中材料微觀組織的報道并不多見。Risch等[49]在AA5182鋁合金的電磁脹形實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)，電磁成形條件下的工件與準(zhǔn)靜態(tài)成形相比晶粒尺寸更小，且內(nèi)部位錯運(yùn)動具有更多的滑移取向。Bach等[50]研究了電磁成形時工業(yè)純鋁性能和微觀組織的演變過程，發(fā)現(xiàn)工件性能的變化主要?dú)w因于晶粒內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化，尤其是亞晶粒的形成,如圖11所示。

圖11 電磁成形后工業(yè)純鋁中的位錯胞和亞晶界結(jié)構(gòu)[50]

隨著塑性應(yīng)變的增加，材料內(nèi)位錯形態(tài)從高密度纏結(jié)位錯逐漸向胞狀位錯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并最終演變?yōu)閬喚ЫY(jié)構(gòu)。此外，F(xiàn)erreira等[51]，Liu等[52]均發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)成形相比，電磁成形條件下材料微觀組織演變機(jī)制存在一定的差異。然而，目前關(guān)于這方面的研究大多從高應(yīng)變速率的角度解釋微觀組織演化機(jī)制出現(xiàn)差異的原因，而沒有考慮電磁成形過程中脈沖電磁場對材料組織性能的影響。從已有的電磁脈沖輔助拉拔、軋制方面的研究來看，電磁成形過程中由脈沖電流產(chǎn)生的脈沖磁場對材料微觀組織和力學(xué)性能造成的影響，也是不能忽視的。

另一方面，在金屬熔鑄領(lǐng)域，高頻率的電磁脈沖產(chǎn)生的交變電磁場能夠使金屬熔體產(chǎn)生強(qiáng)烈震蕩，從而使熔體內(nèi)部的溶質(zhì)與溫度場的分布均勻化，同時擊碎粗大枝晶，使得凝固組織成分更加均勻。陳占興等[53]的研究表明，脈沖電流能夠促進(jìn)初生相由α相向β相轉(zhuǎn)變，同時通過電流密度能夠調(diào)控一次枝晶間距、晶粒尺寸和片層間距。楊院生等[54]發(fā)現(xiàn)低壓脈沖磁場不僅能夠細(xì)化晶粒，還能夠改變α-Mg的形態(tài)。趙九洲等[55-56]研究了脈沖電流對難混溶合金凝固過程的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電流可通過改變析出相液滴的形核行為來影響凝固過程中微觀組織的構(gòu)成。當(dāng)析出相液滴具有比基體高的導(dǎo)電性時，脈沖電流提高了成核速率，促進(jìn)了良好分散組織的形成。反之，脈沖電流降低了成核速率，促進(jìn)了相偏析組織的形成。

2.2 電磁脈沖熱處理

熱處理作為零件制造過程中調(diào)控材料微觀組織成分與形貌的工藝，對零件最終性能有著決定性的影響，研究者們也對熱處理工藝進(jìn)行了廣闊而深入的探索。但一直以來，傳統(tǒng)熱處理工藝都存在工藝時間長的缺點(diǎn)，制約著零件的生產(chǎn)效率。電磁脈沖熱處理因其瞬時高能量密度以及短時間內(nèi)經(jīng)歷高頻率加熱-冷卻過程的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)熱處理相比，具有處理效率高、處理效果好等優(yōu)勢。越來越多的研究表明，電磁脈沖熱處理能夠在較短甚至極短的處理時間內(nèi)，達(dá)到與傳統(tǒng)熱處理相似或更好的處理效果，因而有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱處理工藝。

已有許多學(xué)者的研究證實(shí)[57-58]，電磁脈沖能夠降低相變形核勢壘，提高形核率，因此，經(jīng)過電磁脈沖處理的材料常能夠得到更加細(xì)小的晶粒，近期的許多研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。Zhao等[59]利用脈沖電流處理代替熱沖壓工藝(加熱到約900 ℃后在模具中變形和淬火)強(qiáng)化硼鋼，得到了細(xì)小的板條狀馬氏體，提高了硼鋼的強(qiáng)度和延展性。Pan等[37]用電磁脈沖處理代替Al-Mg-Si合金的固溶處理，顯著細(xì)化了金屬的晶粒，并使得材料性能大幅提高。采用電磁脈沖處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)時效處理，將處理時間從1～6 h降低到2 s內(nèi)，如圖12所示。相同最高處理溫度下，相比于固溶處理，脈沖電流處理試樣在更短處理時間下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率均有較大幅度的提升，二者拉伸曲線如圖7所示。潘棟等[3]對高能瞬時電脈沖處理后的42CrMo鋼進(jìn)行的微觀表征顯示，電脈沖處理后水冷能夠細(xì)化其組織晶粒，促進(jìn)殘余奧氏體和孿晶馬氏體的形成。經(jīng)過480 ms電磁脈沖處理的試樣(EPQ)與傳統(tǒng)淬火態(tài)42CrMo鋼相比，綜合力學(xué)性能(強(qiáng)塑積，即抗拉強(qiáng)度與斷裂延伸率的乘積)提升了32%，且進(jìn)一步用180 ms電脈沖處理EPQ態(tài)試樣后空冷，可提高該鋼中殘余奧氏體穩(wěn)定性，促進(jìn)復(fù)相組織形成，處理后綜合力學(xué)性能與傳統(tǒng)回火處理相比提高了13.9%。

圖12 脈沖電流處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)固溶工藝處理Al-Mg -Si合金[37]

此外，與傳統(tǒng)去應(yīng)力退火類似，電磁脈沖處理也被證明能夠有效調(diào)控材料內(nèi)部殘余應(yīng)力。Shao等[60]對回火后的20Cr2Ni4A合金分別進(jìn)行了1、4、9 T磁場強(qiáng)度的脈沖磁處理，發(fā)現(xiàn)其殘余應(yīng)力分布范圍隨磁場強(qiáng)度的增加而收窄，如圖13(a)所示。TEM表征顯示，磁處理使得位錯和沉淀從晶間團(tuán)聚過度到晶內(nèi)分布，降低了晶界上的高位錯密度，增加了組織均勻性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)殘余應(yīng)力分布的均勻化和數(shù)值的整體降低。此外，殘余應(yīng)力的均勻分布減少了因應(yīng)力集中導(dǎo)致的疲勞失效，材料均勻性的增加減少了不均勻性導(dǎo)致的試樣轉(zhuǎn)動過程中的微振動，最終使磁脈沖處理后試樣的接觸疲勞壽命最高提升了42.11%，如圖13(b)所示。同樣，Xiang[12]、Qian[61]等的研究均發(fā)現(xiàn),電磁脈沖處理對降低材料表面的應(yīng)力分布具有顯著效果。

圖13 不同強(qiáng)度脈沖磁場處理20Cr2Ni4鋼[60]

目前關(guān)于電磁脈沖熱處理方面的研究多停留在實(shí)驗室階段，罕有大規(guī)模應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐中的例子。這與電磁脈沖熱處理存在的工藝規(guī)律探索不易、大型零件處理困難等缺點(diǎn)有關(guān)，尚需學(xué)者們投入精力推進(jìn)其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.3 電磁脈沖微觀缺陷修復(fù)

為了提高零件最終服役性能，傳統(tǒng)工業(yè)中多采用調(diào)控零件材料組織成分和改進(jìn)加工變形工藝的方法。近年來，研究者們也提出了一些針對成品零件進(jìn)行處理的方法，例如振動時效[62]、噴丸處理[63]、激光沖擊[64]等，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上對零件直接進(jìn)行強(qiáng)化處理，以提升零件的使用性能。而電磁脈沖處理作為一種外場施加手段，在零件強(qiáng)化方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。

成形制造過程易造成材料微觀缺陷增加、微觀缺陷不均勻性加劇等問題，修復(fù)材料或零件在成形制造過程中的隨機(jī)損傷和成形缺陷，有利于提升材料的疲勞性能及零件最終服役性能。已有研究表明，電磁脈沖處理可實(shí)現(xiàn)材料微觀損傷缺陷修復(fù)[4]，但目前這方面的研究多集中在材料層面。通常，金屬內(nèi)部微孔洞、微裂紋等缺陷處電阻更大。因此，在施加脈沖電流后，材料內(nèi)部會因發(fā)熱量的不同產(chǎn)生溫度梯度，而這種溫度梯度所產(chǎn)生的熱壓應(yīng)力能夠在一定程度上促進(jìn)微區(qū)裂紋的修復(fù)。持續(xù)電流常會因為不間斷的加熱使得溫度梯度很快消失，因而達(dá)不到缺陷修復(fù)的效果。Song等[57]通過實(shí)驗和有限元模擬的研究表明，脈沖電流能夠針對損傷部位產(chǎn)生溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)金屬自我修復(fù)。Wang等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，脈沖電流能夠促進(jìn)原子擴(kuò)散加速，在熱壓應(yīng)力共同作用下實(shí)現(xiàn)孔隙的快速愈合。如圖14所示，在經(jīng)過電磁脈沖處理后，M50鋼內(nèi)部微米級的孔洞發(fā)生一定程度的修復(fù)。研究人員直接觀察到同一個孔隙在電磁脈沖處理前后的變化，這是電磁脈沖能夠促進(jìn)微觀層面微小缺陷修復(fù)的有力證據(jù)之一。

圖14 電磁脈沖處理促進(jìn)M50鋼納米級孔隙修復(fù)[4]：(a)電脈沖處理前；(b)電脈沖處理后

同樣，脈沖磁場對金屬內(nèi)部的損傷也有一定的修復(fù)作用。Lu等[65]采用恒定磁場和脈沖磁場分別處理了不同疲勞損傷程度的中碳鋼試樣。實(shí)驗結(jié)果顯示，脈沖磁場能夠在較小磁通量和較短時間內(nèi)修復(fù)疲勞損傷，提升試樣的疲勞壽命，而恒定磁場只有在極高磁通量的“飽和”狀態(tài)下才能延長試樣壽命。并且他們得出，脈沖磁場僅對疲勞初期的細(xì)微(微納尺度)損傷具有修復(fù)效果，當(dāng)初始損傷大于某個臨界值時則不能實(shí)現(xiàn)修復(fù)效果。

以上研究表明，電磁脈沖處理能夠利用材料內(nèi)部微區(qū)狀態(tài)不同，對微小缺陷進(jìn)行針對性修復(fù)。而通過電磁脈沖可以在短時間修復(fù)材料內(nèi)部微觀缺陷，以及調(diào)控和改善零件材料局部微區(qū)微觀組織[66-68]、零件整體殘余應(yīng)力分布[60-61]，達(dá)到提升零件使用性能的目的，同時可避免因高溫造成零件變形和尺寸精度下降的問題。目前，這項技術(shù)的研究尚處于起步階段，雖實(shí)際應(yīng)用案例較少，但前景良好。

3 展 望

從上世紀(jì)60年代以來，學(xué)者們對電磁脈沖處理技術(shù)進(jìn)行了大量研究，取得了豐富的研究成果，促進(jìn)了電磁脈沖處理技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用與發(fā)展，但學(xué)界目前對于該技術(shù)的微觀作用原理尚不十分清楚，對電磁脈沖處理技術(shù)的應(yīng)用仍在探索之中。就電磁脈沖處理技術(shù)而言，在以下方面仍有十分廣闊的研究空間。

1)電磁脈沖處理技術(shù)微觀機(jī)理

目前，學(xué)者們針對電磁脈沖作用于材料組織的微觀機(jī)理提出了許多理論，其中，“電子風(fēng)力”和焦耳熱效應(yīng)逐漸被大多數(shù)學(xué)者接受，認(rèn)為其是電磁脈沖影響材料的主要途徑。但這仍不能很好地解釋電磁脈沖研究領(lǐng)域的一個基本問題，即脈沖電流與持續(xù)電流在作用效果上的顯著區(qū)別。電磁振動理論的提出，雖可在一定程度上闡明脈沖電流與持續(xù)電流對材料作用效果的區(qū)別，但電磁振動對材料微結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律仍有待深入研究。另外，電磁脈沖對材料微結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律與晶體缺陷(如位錯、晶界等)及其動力學(xué)密切相關(guān)。但因晶體缺陷尺度非常小，且其運(yùn)動具有不確定性、影響因素具有多樣性，導(dǎo)致原位表征電磁脈沖作用過程中晶體缺陷的變化十分困難，亟需研究者們針對這一問題提出創(chuàng)新性的理論或解決方法。

2)電磁脈沖處理技術(shù)模擬研究

由于電磁脈沖作用時材料狀態(tài)復(fù)雜，電/磁/力/熱多場作用下電磁脈沖對材料組織及性能作用原理及影響規(guī)律尚不明確，與材料相關(guān)的熱力學(xué)、動力學(xué)參數(shù)及物理參數(shù)匱乏，電磁脈沖處理的模擬研究開展較為困難。關(guān)于電磁脈沖處理過程中材料性能的模擬研究，如電磁輔助成形過程材料本構(gòu)模型建立及成形極限模擬等，電磁輔助熱處理過程中非平衡相變熱力學(xué)及動力學(xué)過程模擬以及電磁場強(qiáng)化零件過程中基體內(nèi)部微納尺度裂紋及孔洞愈合過程模擬均非常困難。目前，電磁脈沖處理領(lǐng)域的模擬研究仍處于起步階段，需要學(xué)者們投入精力建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫及模型體系。

由于電磁脈沖作用時材料狀態(tài)復(fù)雜，電/磁/力/熱多場作用下電磁脈沖對材料組織的作用原理尚不明確，導(dǎo)致電磁復(fù)制熱處理過程中非平衡相變熱力學(xué)及動力學(xué)以及電磁場強(qiáng)化零件過程中基體內(nèi)部微納尺度裂紋及孔洞愈合過程模擬十分困難。此外，電磁脈沖處理下不同材料對工藝參數(shù)變化響應(yīng)不同，性能變化規(guī)律探索困難，與材料相關(guān)的熱力學(xué)、動力學(xué)參數(shù)匱乏，使得電磁輔助成形過程材料本構(gòu)模型建立及成形極限模擬困難。目前，電磁脈沖處理領(lǐng)域的模擬研究仍處于起步階段，需要學(xué)者們投入精力建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫及模型體系。

3)耦合電磁脈沖處理技術(shù)研究

電磁脈沖耦合處理，即同時通過接觸式脈沖電流和非接觸式脈沖磁場對材料引入電磁脈沖能量，因其可預(yù)見的復(fù)雜程度，一直以來相關(guān)研究較少。目前電磁脈沖處理領(lǐng)域的報道，大多只采用單一脈沖電流或單一脈沖磁場激發(fā)的電磁脈沖進(jìn)行研究和分析，以明確脈沖電流、脈沖磁場各自的作用機(jī)理和影響效果。已有研究表明，由脈沖電流和脈沖磁場同時激發(fā)的復(fù)合電磁脈沖處理存在增益效應(yīng)[69]，無論是脈沖電流還是脈沖磁場單獨(dú)處理，均達(dá)不到耦合處理的效果。電磁耦合處理下電磁脈沖對材料的影響機(jī)制以及二者相互之間的增益原理仍不清楚，尚需學(xué)者們開展研究。