电脉冲处理对Sn-15%Pb合金凝固组织中枝晶形态的影响

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2005.02.0M7 第27卷第2期 北京科。技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 电脉冲处理对Sn-15%Pb合金 凝固组织中枝晶形态的影响 王静松薛庆国石向东范方国许建国 苍大强 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要研究了电脉冲处理对Sn-15%Pb合金凝固组织的影响.通过对Sn-15%Pb合金熔体 施加电脉冲处理，其凝固组织发生了由原始的树枝晶向球状组织的转化，同时晶粒发生明显 细化.分析认为，由于电脉冲处理作用，合金熔体结构发生了改变，使熔体中Pb的活度提高， 进而引起溶质平衡分配系数的变化，导致凝固前沿的溶质富集减轻，溶质分布情况发生改变， 促使树枝晶向球状组织转化，并且使凝固组织发生细化· 关键词S-l5%Pb合金；电脉冲；熔体结构；凝周组织；活度 分类号TF111.1 利用电脉冲来改变金属的凝固组织是材料 用同样的加热工艺和冷却凝固方式制备未经电 加工领域的研究热点之一，依据电脉冲施加时间 脉冲处理的空白试样.试样经切割、机械研磨、抛 的不同，这方面的研究工作可以分为两类：一类 光、浸蚀后，在显微镜下对其凝固组织进行观察 是在金属的凝固过程中对其进行电脉冲处理： 并照相. 另一类是在金属处于完全液态的情况下对其进 实验原料为Sn-15%Pb(质量分数)亚共晶合 行电脉冲处理，之后再使其凝固5).以往的研究 金，由工业纯Pb(99%)和Sn(99%)熔化配制而成. 工作表明，无论采用哪种电脉冲处理方式，其改 实验的具体步骤是：取金属Sn和Pb于石墨坩埚 变金属凝固组织的作用都十分明显.但是，对于 中按合金成分的比例熔融成Sn-15%Pb合金，注 电脉冲处理改变金属凝固组织的机理，不同研究 入内径为10mm,壁厚1mm的石英管内，两端用 者给出了不同的解释.本文以Sn-15%Pb合金为 石墨塞将铜电极与合金封接：将准备好的试样置 实验材料，在其处于完全液态的条件下，对其进 于加热炉内，炉温升至300℃，使合金熔化并均 行电脉冲处理，研究了不同电脉冲处理条件下合 热30min,以保证合金温度的均匀：随后按不同 金凝固组织的变化，并从脉冲电场改变合金熔体 的工艺参数对试样进行电脉冲处理.实验装置如 结构及其物理化学性质的角度，对电脉冲处理改 图1所示.实验采用电阻加热炉对实验进行加热 变金属凝固组织的作用机理进行了探讨. 保温，脉冲处理采用自行设计制造的EPM-Ⅱ型 1实验方法与结果 石英管 加热炉 电极 1.1实验方法 本研究的实验方法为，在炉内对具有一定过 S-59% 热度的Sn-15%Pb合金熔体进行电脉冲处理，之 后将试样移出炉外空冷，使其凝固.作为对比，采 石墨塞 电缆 、脉冲发生器 收稿日期：200404-10修回日期：20040901 基金项目：国家“863"资助项目0No.2001AA337040) 图1实验方法示意图 作者简介：王静松(1968一)，男，讲师，博士 Fig.I Schematic of experiment process

第 2 , 卷 第 2 期 2 0 0 5 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e r s iyt o f S e ie n e e a n d eT e b n o lO gy B e ij in g V b l . 2 7 N o . 2 A P .r 2 0 0 5 电脉冲处理对 S n 一 15 % P b 合金 凝固组织 中枝晶形 态的影响 王 静松 薛庆 国 石 向 东 范方 国 许建 国 苍 大 强 北京 科技 大学冶 金 与生 态 工程 学 院 , 北 京 10 0 0 8 3 摘 要 研究 了电脉冲 处 理对 sn 一巧% P b 合 金凝 固组 织 的影 响 . 通 过对 S-n 巧% P b 合 金熔 体 施 加 电脉冲 处理 , 其凝 固组 织发 生 了 由原 始 的树枝 晶 向球状 组织 的转 化 , 同时 晶粒 发生 明显 细 化 . 分 析认 为 , 由于 电脉冲 处 理作 用 , 合 金熔 体 结构 发生 了改 变 , 使熔 体 中 bP 的活 度提 高 , 进 而引起 溶质 平衡分 配系数 的变化 , 导致 凝固前 沿的溶 质 富集 减轻 , 溶 质分 布情况 发生 改变 , 促 使树枝 晶向球 状组 织转 化 , 并且 使凝 固组 织发 生细 化 . 关键 词 S -n 巧% P b 合 金 ; 电脉 冲; 熔 体 结构 ; 凝 固组 织 ; 活 度 分 类号 吓 1 1 . 1 利 用 电脉 冲 来 改 变 金属 的凝 固组 织 是 材 料 加 工领 域 的研 究热 点之 一 依据 电脉 冲 施加 时 间 的不 同 , 这 方面 的 研 究工 作可 以分 为两 类 : 一类 是 在金 属 的凝 固过 程 中对其 进 行 电脉冲 处 理`,川 ; 另 一类 是在 金 属 处 于 完全 液 态 的 情 况 下对 其 进 行 电脉 冲 处理 , 之 后再 使 其凝 固`洲 . 以往 的研 究 工 作表 明 , 无 论 采用 哪 种 电脉 冲 处 理方 式 , 其 改 变 金属 凝 固组 织 的作 用 都十 分 明显 . 但 是 , 对 于 电脉 冲处 理 改变 金属 凝 固组织 的机 理 , 不 同研 究 者给 出 了不 同的解 释 . 本 文 以 S n 一 巧% P b 合金 为 实 验材 料 , 在其 处 于完 全 液态 的条件 下 , 对其 进 行 电脉 冲处 理 , 研 究 了不 同 电脉 冲处 理 条件 下合 金 凝 固组织 的变 化 , 并从 脉 冲 电场 改变合 金熔 体 结 构及其 物 理化 学性 质 的角度 , 对 电脉冲 处 理改 变 金属 凝 固组 织 的作 用 机理 进 行 了探 讨 . 用 同样 的加 热 工 艺和 冷 却 凝 固方 式制 备 未 经 电 脉冲 处理 的空 白试 样 . 试样 经 切割 、 机械 研 磨 、 抛 光 、 浸 蚀 后 , 在 显微 镜 下对 其 凝 固组 织 进行 观 察 并照 相 . 实验 原料 为 S -n 巧% P b (质 量 分 数 ) 亚共 晶合 金 , 由工业 纯 P b (9 % )和 S n( 9 % )熔 化 配制 而 成 . 实验 的 具体 步 骤 是 : 取 金属 S n 和 P b 于石 墨 柑祸 中按 合金 成 分 的 比 例熔 融 成 S , 巧% Pb 合金 , 注 入 内径 为 10 ~ , 壁 厚 l r n 们以 的石英 管 内 , 两 端用 石 墨塞 将铜 电极 与合金 封接 ; 将准 备好 的试 样置 于加 热 炉 内 , 炉温 升 至 3 0 ℃ , 使合 金熔 化 并 均 热 30 m in , 以保 证合 金 温度 的均 匀 ; 随 后按 不 同 的工 艺参 数对 试样 进行 电脉冲 处理 . 实验 装置 如 图 l 所 示 . 实 验采 用 电阻 加 热炉 对实 验 进行 加 热 保 温 , 脉 冲 处理采 用 自行 设计 制造 的 E PM 一 n 型 1 实验 方 法 与结 果 L l 实验 方 法 本 研 究 的实 验方 法 为 , 在 炉 内对具 有 一 定过 热度 的 S企 巧% P b 合金 熔 体进 行 电脉 冲 处 理 , 之 后将 试样 移 出炉外 空冷 , 使 其凝 固 . 作 为对 比 , 采 收稿 日期 : 2 0 4 刁今 10 修 回 日期 : 20 04 刁 9刁 l 墓金 项 目 : 国家 “ 8 6 3 ” 资助 项 目(N o . 20 0 1A A 33 7 0 4 0 ) 作者 简介 : 王静 松 ( 19 68 一) , 男 , 讲师 , 博士 石英管 加热炉 \ 脉冲发生器 图 1 实 验方 法示意 图 iF g · 1 S c h e ln a it c o f e x P e ir m e n t P r o c e s , DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 02. 047

·194· 北京科技大学学报 2005年第2期 电脉冲发生器 变为非常均匀的球状晶组织（图2（©）).在树枝晶 1.2实验结果 形态发生改变的同时，疑固组织明显细化，并且 改变电脉冲处理参数，凝固组织的变化规律 细化过程与枝晶形态转变的规律一致，即当树枝 是不同的.在脉冲频率、脉冲能量以及处理时间 晶形态明显时，组织十分粗大：树枝品开始褪化 等实验参数不变的条件下，改变脉冲电压，得到 时，凝固组织同时得到细化：晶粒呈现均匀的球 的凝固组织如图2所示.图2()为未经电脉冲处 状形态时，凝固组织细化均匀. 理的空白试样的凝固组织，为典型的树枝晶组 织，一次枝晶粗大，二次枝晶发达清晰，三次枝晶 2 机理探讨 随处可见：随着处理电压的变化（电压为时）， 21脉冲电场改变合金熔体结构的作用机制 二次晶发生了明显的褪化，一次晶也变短，凝固 在分析脉冲电场改变合金熔体结构及凝固 组织从典型的树枝晶组织向短杆状组织和球状 组织前，首先应分析合金熔体的构成机制.合金 组织转化（图2(b):脉冲电压为时，凝固组织转 熔体由原子团簇及自由原子组成例，其中原子团 簇包括同种原子构成的团簇和不同种原子构成 的团簇，分析认为，熔体中不同种类的原子构成 团簇的根本原因是不同原子之间存在的电离能 和电负性以及电子排布的差异，对于不同种类的 原子，其离域电子的数量以及电离能和电负性不 同，导致原子核对电子的吸引能力不同.”.从宏 观的角度看，合金熔体显示电中性：但是从微观 的角度分析，不同原子存在的电离能、电负性等 差别而会显示出微弱的电性差.电离能大的原 子，其原子核周围自由电子出现的几率大而显弱 的负电性，反之电离能小的原子其原子核周围自 由电子出现的几率小而显弱的正电性. 对合金熔体施加电场的实质是对其施加能 量，但是由于电脉冲处理的特殊性，其作用与以 相同的能量通过电阻热提高熔体温度的作用不 同.电场的脉冲能量被电子吸收使其能量增加并 影响其运动状态.当电子获得能量后，更容易脱 I mm 离开原子核的束缚而成为自由电子，减小不同种 类原子核周围电子出现的几率差，进而减小不同 原子之间的电性差，当合金熔体处于电脉冲处理 时，由于原子团簇的结构紧密，电阻较小，电流更 多的是通过原子团簇，这样原子团簇内电子获得 的能量相比之下会更多.这对于不同种类原子组 成的原子团簇产生的影响更加显著，由于原子之 间的电性差减小，原子间结合力减弱，导致原子 团簇尺寸减小，甚至完全解体 熔体中原子团簇的形成与分解存在下列平 图2不同电脉冲工艺条件下Sn-15%Pb合金凝固组织.(a)未 衡（以最简单结构的原子团簇为例）： 处理；(b)过渡形态()：(C)球状组织(V) ①-①+②-②++2①② (1) Fig.2 Microstructures of Sn-15%Pb alloy with different treating processes:(a)untreated;(b)transition();(c)cell-type crystal 式中①①和②②代表同种原子构成的原子团 () 簇，①②代表异种原子构成的原子团簇.当熔体

一 1 9 4 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 2 期 电脉冲 发 生器 . L Z 实验 结 果 改变 电脉冲 处 理参 数 , 凝 固组织 的变 化 规律 是 不 同 的 . 在脉 冲 频 率 、 脉 冲 能量 以及 处 理 时 间 等 实验 参 数 不变 的 条件 下 , 改变 脉 冲 电压 , 得 到 的凝 固组 织 如 图 2 所 示 . 图 2 (a) 为未 经 电脉 冲 处 理 的空 白试 样 的凝 固组 织 , 为典 型 的树 枝 晶 组 织 , 一 次枝 晶粗 大 , 二 次枝 晶发达 清 晰 , 三 次枝 晶 随 处可 见 : 随着 处 理 电压 的变化 ( 电压 为 从 时 ) , 二 次 晶发 生 了 明显 的褪 化 , 一 次 晶也变 短 , 凝 固 组 织 从 典 型 的树 枝 晶组 织 向短 杆 状 组 织 和 球状 组 织转 化 ( 图 2 (b) ) ; 脉 冲 电压 为 K 时 , 凝 固组 织 转 变 为 非常 均匀 的球 状 晶组 织 ( 图 2 c( )) . 在 树枝 晶 形 态发 生 改变 的 同时 , 凝 固组 织 明显 细 化 , 并 且 细 化过 程 与枝 晶形 态转 变 的规 律 一致 , 即 当树 枝 晶形态 明显 时 , 组 织 十 分粗 大 ; 树 枝 晶开 始褪 化 时 , 凝 固组 织 同时得 到 细化 ; 晶粒 呈现 均 匀 的球 状 形态 时 , 凝 固组 织 细 化均 匀 . 图 2 不 同 电脉冲工 艺条 件下 sn 一 15 % P b 合金凝 固组织 . (a) 未 处理 ; ( b )过渡形 态 ( 践) ; ( e )球状 组织 ( K ) F i.g 2 M i c心t r u e t u 作5 o f s一 1 5% P b a l o y w i th d i力阮代 n t t 代a n n g Pm e e s s e s: ( a ) u n t er a t e d ; (I,) atr . , i ti o n (K ) ; (c) c e U . yt p e e yr s t a l (匕 ) 2 机 理 探 讨 .2 1 脉 冲 电场 改变 合 金 熔体 结 构 的作 用 机 制 在 分 析 脉 冲 电场 改 变 合 金 熔 体 结 构 及 凝 固 组 织前 , 首 先应 分 析 合 金熔体 的构成 机 制 . 合 金 熔 体 由原 子 团簇 及 自由原子 组 成 l9] , 其 中原 子 团 簇 包 括 同种 原子 构 成 的 团簇和 不 同种 原 子构 成 的团簇 . 分 析 认 为 , 熔体 中不 同种类 的原 子 构成 团 簇 的 根本 原 因是 不 同原 子 之 间 存在 的 电离 能 和 电负 性 以及 电子 排布 的差异 . 对 于 不 同种类 的 原 子 , 其离 域 电子 的数 量 以及 电离 能 和 电负性 不 同 , 导 致原 子核 对 电子 的吸 引能 力不 同`, 0, ” , . 从宏 观 的角 度 看 , 合 金 熔体 显示 电中性 ; 但 是 从微 观 的 角度 分 析 , 不 同原 子存 在 的 电离 能 、 电负性 等 差 别 而会 显 示 出微弱 的 电性 差 . 电离 能 大 的原 子 , 其 原子 核周 围 自由 电子 出现 的几 率大 而显 弱 的 负 电性 , 反之 电离 能小 的原 子其 原 子核 周 围 自 由电子 出现 的几 率 小而 显 弱 的正 电性 . 对 合 金 熔体 施 加 电 场 的 实 质 是 对 其 施 加 能 量 , 但 是 由于 电脉 冲 处理 的特殊 性 , 其 作 用与 以 相 同 的 能量 通过 电阻热 提 高熔体 温度 的作 用 不 同 . 电场 的脉 冲 能量 被 电子 吸 收使 其 能量 增加 并 影 响 其运 动 状 态 . 当 电子 获 得 能量 后 , 更 容易 脱 离 开 原子 核 的束 缚而 成 为 自由电子 , 减 小 不 同种 类 原 子核 周 围 电子 出现 的几 率差 , 进而 减 小不 同 原 子 之 间的 电性 差 . 当合 金熔 体处 于 电脉 冲处 理 时 , 由于 原子 团簇 的结构 紧密 , 电阻较 小 , 电流 更 多 的是通过原 子 团簇 , 这样 原 子 团簇 内 电子获 得 的能 量相 比之 下 会更 多 . 这 对 于不 同种 类 原子 组 成 的原子 团簇产 生 的影 响更 加 显著 , 由于 原子 之 间 的 电性 差 减 小 , 原 子 间 结合 力 减 弱 , 导致 原 子 团簇 尺 寸减 小 , 甚 至 完 全解 体 ’ 12] . 熔体 中原 子 团簇 的形 成 与分 解 存在 下 列平 衡 (以最 简单 结 构 的原 子 团簇 为例 ) : ①戒卫+ ② 一 ②一 2①气多 ( l ) 式 中① 一 ④ 和 ② 一② 代表 同种 原 子 构 成 的 原 子 团 簇 , (D气雾代 表 异种 原 子 构成 的原子 团簇 . 当熔 体

Vol,27 No.2 王静松等：电脉冲处理对S-I5%Pb合金凝固组织中枝晶形态的影响 ·195· 中异种原子团簇在某种外界因素作用下发生分 学位， 解，促使平衡向倾向于形成同种原子团簇①-① 溶质元素活度的增加直接影响到元素的溶 和②②方向移动，合金熔体中团簇结构、种类、 质平衡分配系数K.对于Sn-Pb合金，Pb的K小 尺寸及尺寸分布都将发生变化.通过理论分析可 于1，而b元素活度增大使K,增大，使得凝固过 以知道，异种原子构成的原子团簇由于脉冲电场 程中凝固前沿的溶质富集大大减轻，溶质分布发 的作用会减小尺寸甚至解体，而同种原子构成的 生明显变化，树枝晶的一、二次枝晶臂褪化，凝固 原子团簇将会尺寸增大、数量增加，A1-14.6%Si 组织向短杆状和球状组织转化.， 合金液态X射线衍射实验结果表明印，铝硅合金 脉冲处理后凝固组织的细化现象在电脉冲 经过脉冲电场处理后，A-Si原子团簇减少，而 处理研究中普遍存在，由于本研究在具有一定过 A-A1、Si-Si原子团簇增加，这一结果与前面理论 热度的条件下处理再经一段时间的放置后凝固， 分析相吻合， 无法用电磁力、焦耳热等因素加以解释，特别是 2.2熔体结构变化对物理化学性质的影响 通过前面对SnPb合金凝固组织形态变化规律 合金熔体的物理化学性质是随其组成而改 的分析知道，凝固组织的细化过程是伴随着树枝 变的，而熔体的组成又有其相应的构型，即使相 晶向短杆状和球状形态转化进行的，即树枝晶形 同成分的合金熔体其构型也可能由于某些原因 态越明显，晶粒越粗大，随着短杆状和球状形态 而存在较大差异，因此熔体的物理化学性质随其 晶粒数量的增加，晶粒随之细化.与前面分析一 组成变化也是其热力学性质随其构型变化的反 致，溶质活度的提高引起K的变化，使树枝晶枝 映.这说明熔体的物理化学性质、成分及构型之 晶臂褪化，同时枝晶臂间距缩小，其结果是二次 间存在内在联系.依据上述分析可以知道，在 枝晶臂消失，一次枝晶臂很短，凝固组织呈现短 经过脉冲电场处理的合金熔体中，由相同种类原 杆状和球状形态，凝固组织发生明显细化. 子所构成的同种原子团簇（如A-A]和SiSi原子 团簇)数量增加，而由不同种类原子所构成的异 3结论 种原子团簇（如ASi原子团簇）数量减少，表明 (1)Sn-15%Pb合金经电脉冲孕育处理后，随 虽然熔体成分没有变化但是其构型发生了变化， 电压的变化凝固组织呈现柱状树枝晶向短杆状 这些变化必然对合金熔体的物理化学性质产生 和球状转化 明显影响.采用拟化学模型对合金熔体中组元活 (2)在发生形态改变的同时，凝固组织明显细 度在脉冲电场作用前后的变化进行分析发现，合 化，并且其变化规律与树枝晶的褪化及形态转变 金熔体中同种原子团簇的增加，异种原子团簇减 规律一致. 少引起组元活度的提高，进而对熔体组元的化学 位、溶质平衡分配系数等产生明显影响. 参考文献 23疑固组织变化分析 [1]Misra A K.Misra technique applied to solidification of cast iron S-Pb合金的凝固组织发生的发达的树枝晶 Metall Trans,1986,17A:358 褪化并向短杆状和粒状转变，无法用文献[14]的 [2]Nakada M,Shiohara Y,Flemings MC.Modification of solidific- 分析予以解释.基于上述分析，特别是根据文献 ation structures by pulse electric discharging.ISIJ Int,1990,30 (127 [15]可知，不同种原子组成的原子团簇将减小元 [3]Bamak J P,Sprecher A F,Conrad H.Colony (grain)size reduc- 素的活度，而同种原子组成的原子团簇不会影响 tion in eutectic Pb-Sn castings by electropulsing.Seripta Metall 该元素的活度，可以认为经过电脉冲处理后，溶 Mater,1995,32(6)879 质元素的活度将增加，这一变化会引起合金熔体 [4)李建明，李胜利，李劲，等，脉冲放电对Pb-S合金凝固组 织影响的研究.特种铸造及有色合金，1994,6：1 凝固过程的变化，而导致凝固组织的改变， [5]王建中.电脉冲孕育处理技术研究及液态金属团簇结构 熔体中溶质分配系数K。与凝固前沿溶质元 假说：【学位论文】.北京：北京科技大学，1998 素的活度及在固相和液相化学位有关，如下式： [6)王建中，薛庆国，王静松，等.EPM处理Q235钢方坯热加 exp②-D K- 工后组织与性能.北京科技大学学报，1998,20(6)：527 RT (2) [)王静松，薛庆国，王建中，等.脉冲电场对铁液凝固过程石 式中，广，为溶质元素在固相和液相中的活度系 墨化的影响.铸造，2001,50(11)上677 数，(T),(T)为元素在固相和液相中的标准化 [8]Wang JS,Xue QG,Chang G W,et al.Effect of electric pulse on

b l V . 7 N 2 O 一 王 静松 等 2 : 电脉 冲处理 对 S 一 n b 5 合 金凝 固组 织 中枝 晶形 态的 影响 1 P % 中异 种 原 子 团簇 在某 种 外 界 因 素 作用 下发 生 分 解 , 促使 平 衡 向倾 向于形 成 同种 原 子 团簇① - ( D 和 ②戒多方 向移 动 , 合金 熔 体 中 团簇 结构 、 种 类 、 尺寸及 尺寸 分 布都将 发生变 化 . 通 过理 论分 析 可 以知道 , 异种 原子 构成 的 原子 团簇 由于 脉 冲 电场 的作用 会减 小 尺寸 甚至 解体 , 而 同种原 子 构成 的 原 子 团簇 将会 尺 寸 增大 、 数 量 增 加 . IA 一 14 .6 % is 合 金 液态 X 射线 衍 射 实验 结 果表 明『l3] , 铝 硅 合 金 经 过脉 冲 电场处 理 后 , A 卜 iS 原子 团簇 减少 , 而 lA 一 l 、 5 -1 51 原子 团簇 增加 , 这一 结果 与 前面 理论 分 析相 吻合 . .2 2 熔体 结 构 变化 对物 理 化 学性 质 的影 响 合 金熔 体 的物 理化 学性 质 是 随其 组成 而 改 变 的 , 而 熔体 的组 成又 有 其相 应 的 构型 , 即 使相 同成 分 的合 金 熔体 其 构 型 也可 能 由于 某 些 原 因 而 存在较 大 差异 , 因此熔 体 的物 理化 学 性质 随其 组 成 变化 也 是 其 热 力 学性 质 随 其 构 型 变 化 的反 映 . 这 说 明熔 体 的物 理 化 学性 质 、 成分 及 构 型之 间存在 内在联 系 「l’] . 依据 上 述分 析 可 以知 道 , 在 经 过脉冲 电场处 理 的合 金熔 体 中 , 由相 同种 类原 子所 构成 的 同种 原子 团簇 ( 如 A l 一 A I 和 is 一 is 原子 团簇 ) 数 量 增加 , 而 由不 同 种类 原 子所 构 成 的异 种 原子 团簇 ( 如 A I 一 is 原 子 团簇 ) 数 量 减 少 , 表 明 虽然 熔体 成 分没 有变 化但 是其 构 型发 生 了变化 , 这 些变化 必 然 对 合 金熔 体 的物 理 化 学 性 质产 生 明显 影 响 . 采用 拟化 学模 型 对合 金熔 体 中组 元活 度在 脉冲 电场作 用前 后 的变 化进 行分 析 发现 , 合 金熔 体 中 同种原 子 团簇 的增加 , 异种 原 子 团簇 减 少 引起 组元 活度 的提 高 , 进 而对 熔体 组 元 的化学 位 、 溶 质 平衡 分 配 系数 等产 生 明显影 响 . .2 3 凝 固组 织变 化 分析 S介 P b 合金 的凝 固组织 发 生 的发达 的树 枝 晶 褪 化并 向短 杆状 和粒 状 转变 , 无法 用文 献 〔l 一 4] 的 分 析予 以解 释 . 基 于上 述 分析 , 特 别是 根 据文 献 【15〕可 知 , 不 同种 原子 组成 的原 子 团簇 将 减 小元 素 的活度 , 而 同种 原子 组成 的原 子 团簇 不会 影 响 该 元素 的活度 , 可 以认 为 经过 电脉 冲处 理 后 , 溶 质元 素 的活 度将 增加 , 这 一 变化 会 引起 合金熔 体 凝 固过 程 的变 化 , 而 导致凝 固组 织 的改 变 . 熔 体 中 溶 质 分 配 系数 0K 与 凝 固前 沿 溶质 元 素 的活度 及在 固相 和液 相 化学位 有 关 ,如 下式 『l6] : 0K 一 令 xP 阵喂岁盆丑: (2) 式 中 , fL ,厂为 溶质 元素 在 固相 和 液相 中 的活 度系 数 , 户缸乃 , 产就乃为 元 素在 固 相和 液相 中 的标准 化 学 位 . 溶 质 元 素 活 度 的 增 加 直接 影 响 到元 素 的溶 质 平衡 分 配 系数 OK . 对 于 S n - P b 合 金 , P b 的 0K 小 于 1 , 而 P b 元 素活 度增 大 使 0K 增 大 , 使 得 凝 固过 程 中凝 固前 沿 的溶质 富 集大 大减 轻 , 溶质 分 布发 生 明显 变化 , 树 枝 晶的一 、 二 次枝 晶臂 褪化 , 凝 固 组 织 向短 杆状 和 球状 组 织转 化 `, .7 ’ 8] . 脉 冲 处 理 后 凝 固 组 织 的细 化 现 象 在 电脉 冲 处 理研 究 中普遍 存 在 . 由于本 研 究在 具有 一 定过 热度 的条件 下处 理再 经一 段 时 间的放 置后 凝 固 , 无法 用 电磁 力 、 焦耳 热 等 因素 加 以解 释 . 特 别 是 通 过前 面 对 S n - P b 合 金凝 固组 织形 态 变 化规 律 的分 析 知道 , 凝 固组 织 的细化 过 程是 伴 随着树 枝 晶 向短杆 状和 球状 形 态转 化进 行 的 , 即树 枝 晶形 态越 明显 , 晶粒 越粗 大 , 随着 短 杆状 和 球 状形 态 晶粒 数 量 的增 加 , 晶粒 随 之细 化 . 与前 面 分析 一 致 , 溶 质 活度 的提 高 引起 0K 的变化 , 使 树枝 晶枝 晶臂 褪 化 , 同时 枝 晶臂 间 距缩 小 , 其 结 果 是二 次 枝 晶臂 消 失 , 一 次枝 晶臂 很短 , 凝 固组 织 呈现 短 杆 状 和 球状 形 态 , 凝 固组织 发 生 明显 细化 . 3 结 论 ( 1) S -n 巧% P b 合 金经 电脉冲 孕 育 处理 后 , 随 电 压 的变 化 凝 固 组织 呈 现 柱 状 树枝 晶 向短 杆状 和球 状 转化 . (2 )在 发 生形 态 改变 的 同时 , 凝 固组织 明显 细 化 , 并且 其变 化 规律 与树 枝晶的褪 化及 形 态转 变 规 律 一 致 . 参 考 文 献 【l ] M is ar A K . M i sr a et e hn i卿 e a P P li e d ot s o lid iif c at ion o f c as t ior n · M d 叨 飞丫. . 5 , 1 9 86 , 17 A : 3 5 8 [ 2 ] N ak ad a M , S h iho ar a Y, F l e m ign s M C · M o d iif e iat o n o f s o lid iif c - at ion s tUT e tur e s by P u l s e e l e e itr o d i s e h a gr in g . I S I J I n t , 1 99 0 , 3 0 ( l ) : 2 7 [ 3 ] B arn ak J P, S p er e h e r A ,F C o nr a d H , C o l o 叮 (『a i n ) s ieZ er d u c - ti on in e ut e ct i c P b 一 S n e as t ign s by e l e ctr op u l s in g . S e ir P t a M e t a ll M a t e r , 19 9 5 , 3 2 ( 6) : 8 7 9 4[ ] 李 建 明 , 李胜 利 , 李劲 , 等 . 脉 冲放 电对 P b 一 sn 合金 凝 固组 织 影响 的研究 . 特 种铸 造及 有色合 金 , 1 994 , :6 1 5[ 〕 王 建 中 . 电脉冲 孕育 处理 技术研 究及 液态 金属 团簇结 构 假 说 : [学 位论 文] . 北 京 : 北京 科技 大学 , 19 98 6[ ] 王 建 中 , 薛庆 国 , 王静 松 , 等 . EP M 处理 Q2 35 钢方 坯热 加 工后 组 织与性 能 . 北京 科技 大学学 报 , 19 98 , 2 0( 6) : 5 27 7l[ 王 静松 , 薛 庆 国 , 王建 中 , 等 . 脉冲 电场 对铁 液凝 固过程石 墨化 的影响 . 铸造 , 2 0 0 1 , 5 0 ( 1 1) : 6 7 7 [8 ] 场址 19 J S , X u e Q G , C h an g G W, e t al . E fe e t o f e l e c itr e P lu s e on

·196· 北京科技大学学报 2005年第2期 microstructure of Al-Si alloy in liquid and solid states.J Univ [13]唐勇.电脉冲作用下液态金属结构及其对钢凝固组织改 Sei Technol Beijing,2004,11(2):123 善的研究：[学位论文1.北京：北京科技大学，2000 [9]边秀房，刘相法，马家囊.铸造金属遗传学，济南：山东科 [14]陈襄武.钢铁冶金物理化学.北京：冶金工业出版社，1992 学技术出版社，1998 [15]张鉴，含化合物金属熔体结构的共存理论及其应用.特殊 [10]张瑞林，固体与分子经验电子理论.长春：吉林科学技术 钢，1993,15(6)：43 出版杜，1993 [16周尧和，胡壮麒，介万奇，凝固技术.北京：机械工业出版 [11]肖纪美，朱逢吾，材料能量学：能量的关系，计算和应用. 杜，1998 上海：上海科学技术出版社，1999 [17刀胡汉起.金属凝固.北京：冶金工业出版社，1985 [12】王静松.几种典型合金熔体电脉冲处理研究：[学位论文1， [18]弗莱明斯MC.凝固过程.关玉龙，屠宝洪，许诚信，等，译 北京：北京科技大学，2004 北京：冶金工业出版社，1981 Effect of derect pulse modification process on solidification structure of Sn-15%Pb Alloy WANG Jingsong,XUE Qingguo,SHI Xiangdong,FAN Fangguo,XU Jianguo,CANG Daqiang Metallurgical and Ecological Engincering School,University of Sciences and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The influence of electric pulse modification(EPM)process on the solidification structure of Sn-15% Pb alloy was experimentally investigated.It was shown that after the molten alloy was treated by electric pulse the solidification structure changed from dendrite shape to cellular shape,and the grains were obviously fined.The mech- anism of the change in solidification structure by EPM was discussed.The results indicated that EPM process makes the liquid structure of the alloy change:The activity of Pb in the molten Sn-Pb alloy increases,the distribution coef- ficient tends to 1,the solute enrichment in front of the solid-liquid interface decreases,and the solute distribution changes.All these lead to the change of solidification structure from dendrite to cellular. KEY WORDS Sn-15%Pb alloy;electro-pulse;liquid structure;solidification structure;activity 球预网平度题融型选选流吸越戳液r变飕浓世除观院孩效戏喷限戏 (上接第186页) novative Structural Materials for Infrastructure in 21st Century.2000 1986 6]王有铭.钢材的控制乳制和控制冷却.北京：治金工业出 [8]张麦仓.粉末高温合金涡轮盘成形过程数值模拟：[学位 版杜，1995 论文].西安：西北工业大学，1999 [刀马庆芳.实用热物理性质手册.北京：中国农业机械出版社， [9]陈火红.Mar℃有限元实例分析教程.北京：机械工业出版 社，2002 Dynamical microstructure evolution of Q235 low carbon steel during high tempera- ture deformation ZHANG Maicang",DONG Jianxin",ZENG Yanping",SUN Ying,YANG Zhongmin 1)Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Division of Structure Materials,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China ABSTRACT The dynamical microstructure evolution behavior of Q235 low carbon steel at high temperature was systematically investigated through physical simulated tests carried out on a Gleeble 2000 machine.The experimental results showed that hot working parameters such as forming temperature and strain rate affected the dynamical micro- structure evolution behavior of Q235 steel to a great extent.At a given temperature,dynamical recrystalization could be postponed with the increasing of strain rate;meanwhile,at a lower strain rate,this phenomenon could occur with the decreasing of temperature.The quantitative metallurgical technique and the linear/non-linear regression analysis were used to construct an Arrhenius-type phenomenological constitutive relationship and a Yada-type kinetically microstructure equation of Q235 steel at high temperature,which were coupled into the finite element software of Autoforge 3.1.The results of numerical simulation showed that the phenomenological constitutive relationship and microstructure evolution equation depicted the dynamical microstructure evolution behavior of Q235 low carbon steel at high temperature very well. KEY WORDS Q235 low carbon steel;high-temperature deformation;microstructure evolution;recrystalization

一 1 9 6 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 2 期 m i e ro s trU c t u r e o f A I 一 5 1 a ll o y i n Ii qu i d an d s o lid s ta e s . J U n iv S e i Te e 卜n o l B e ij i n g , 2 0 0 4 , 11( 2 ) : 123 9[ 」 边秀房 , 刘 相法 , 马 家骥 . 铸造 金属 遗传 学 . 济南 : 山 东科 学技 术 出版 社 , 19 9 8 【10 ] 张瑞林 . 固体 与分子 经验 电子 理论 . 长春 : 吉林科 学技 术 出版 社 , 19 9 3 【川 肖纪美 , 朱 逢吾 . 材 料能量 学 : 能量 的 关系 、 计算 和应 用 . 上 海 : 上海 科学 技术 出版 社 , 19 9 【12] 王 静松 . 几种 典型合 金熔 体 电脉冲 处理 研究 : 【学位论 文】 . 北京 : 北 京科 技 大学 , 2 0 04 【13] 唐 勇 . 电脉冲 作用 下液 态金 属 结构及 其对 钢凝 固组 织 改 善 的研究 : I学位 论 文1 . 北 京 : 北 京科 技大 学 , 2 0 0 【14] 陈襄武 . 钢铁 冶金物 理化 学 . 北 京 : 冶 金工 业 出版 社 , 19 92 【151 张 鉴 . 含 化合物 金属 熔体 结构 的共 存理 论及 其应用 . 特殊 钢 , 19 9 3 , 15 ( 6 ) : 4 3 【16 』周 尧和 , 胡壮 麒 , 介 万奇 凝固技 术 . 北 京 : 机 械工 业 出版 社 , 19 9 8 「17 』胡汉 起 . 金属 凝 固 . 北 京 : 冶 金工 业 出版 社 , 19 85 t 18] 弗莱 明斯 M C . 凝 固过程 . 关玉龙 , 屠 宝洪 , 许诚 信 , 等 , 译 . 北京 : 冶金工 业 出 版社 , 198 1 E fe e t o f d e r e c t P u l s e m o diif c at i o n P r o e e s s o n s o li d i if c at i o n s trU c tur e o f S n 一 1 5% P b A ll o y 恻刃G iJ n gs o gn 尸Y之店 Q功g g u o , S子打 iX a gln do gn , FA N aF 刀及列口 , 尤U iJ a n g 祝口 , CA N G D a q ia gn M e alt l切嗯i e a l an d E c o l o g i e a l nE g in e e r i n g S e h o o l , U in v ers ity o f s e i e n e e s an d 介 e ho o l o gy B e ij in g , B e ij in g l 0 0 0 8 3 , Ch in a A B S T R A C T Th e in fl u e nc e o f e l e e itr e P ul s e m o d iif e iat on ( E PM ) P r o e e s s o n ht e s o l id i if e iat o n s lt u c 仪叮 e o f S n 一 1 5% P b a ll o y w a s e x P e ir m e n t a l ly i n v e s t i g aet d . It w as s h o wn ht at aft e r ht e m o let n a lloy was tr e at e d b y e l e e itr e P u l s e ht e s o li d iif e iat o n s t ur c trU e e h an g e d fr om d en d r it e s h ap e t o e e ll u l ar s h ap e , an d ht e gr a in s w er ob v iou s ly ifn e d . Tb e m e e h - an i s m o f t h e e h an g e in s o li d i if e iat o n s trU e tL江 e 妙 E P M w a s d i s cu s s e d . hT e r e s u lt s in d i e at e d ht at E P M P r o e e s s m ak e s ht e Ii q u i d s trU e t 叮e o f t h e a ll o y c h an ge : hT e a e ti v i yt o f P b i n ht e m o lt e n S n 一 P b a lloy icn er as e s , ht e d i s itr b iut on e o e -f if e i e in t e n d s t o l , ht e s o lut e e而 e h m e nt i n for in o f ht e s o li-d liqu i d int e 对触c e de e er as e s , an d ht e s o lut e d i s itr b iut o n e h an g e s . A ll ht e s e l e a d t o ht e c h an g e o f s o li d i if e at i o n s utr e ut r e fr o m d e n d ir t e t o e e llu .ar K E Y W O R D S S n 一 15% P b a ll o y : e l e e tr o 一 Pul s e : li q u i d s trU c权耳e ; s o lid iif e at i o n s it u c h 叮 e ; a c t i v iyt 脚咧牌导政颐截 好敏颐获裂卿民写姿戳分 裂卿戮绎号醚颐汽烈颐异致如陋芝颐笋砚笋陋之肠片致颐吸趁弈只翼颐笋峨娜闷 颐秘 娜毋派侧莎限 郊侧 梦例郊侧拐例多锹娜政笋致颐喂娜政另牙裂邺吕致卿 裂分斌娜豉娜裂梦异致卿致娜戳 娜 `戮 (上接第 1 8 6 页 ) n o v at i v e S trU c t u r a l M aet ir al s fo r nI fr as trU c t u r e in Z l st C e n tU yr . 2 0 0 0 6[ ] 王 有铭 . 钢材 的控 制轧 制和 控制冷 却 . 北 京 : 冶金 工业 出 版 社 , 19 9 5 17 1 马 庆芳 . 实用热 物理性 质手册 . 北京 : 中国农业机 械 出 版社 , [8」 [9」 19 8 6 张麦仓 . 粉 末高 温合 金涡 轮盘 成形 过程 数值 模拟 :l 学位 论文〕 . 西 安 : 西北 工业 大学 , 19 9 陈火 红 . M ar c 有 限元 实例 分析 教程 . 北 京 : 机械 工业 出版 社 , 2 0 0 2 D yn am i c a l m i c or s如 c t u r e e vo l u t i o n o f Q2 3 5 l o w c a r b o n s te e l d ur i n g h igh t e m P e ar - 加r e d e of r 们以at i o n Z月叼N G 人匆ic a gn ,气D O N G iJ a xn in ’气Z E N G aY nP ign ,) S切 V万 n g l气别刀召 hZ 口刀 g阴 inz , l ) Mat e ir a l S S c i e n e e an d E吧in er ign S e h o o l , nU i v e rs ity o f s c i e n e e 助d eT e h n o l o罗 B e ij ing , B e ij ign l 0 0 0 8 3 , C h i n a 2 ) D i v i s i o n o f s trU e ot r e M a t e r i a l s , C e n t r a 1 orI n an d S t e e l eR s e ar e h ih s t i t u t e , B e ij in g l 0 0 0 8 1 , C h in a A B S T R A C T hT e d yn am i e al m i cor s tr u c tur e ve o lut i o n b e h va i o r o f Q2 3 5 l o w e ar b o n s t e e l at ih gh te m P e r a t 叮e w as s y s te m at i e a lly ivn e s it g at e d t h r o gu h P h y s i e a l s l r n u l at e d t e s t s c a 币e d o ut o n a G l e e b l e 2 0 0 0 m a e h i n e . hT e e x P e ir m e in a l re s u lt s s h o w e d ht at h o t w o r k i n g Pa r 别叭 e t e r s s u c h as of rm ign t e m P e r a tu r e an d str a l n r at e a fe e t e d hte d y n am i e a l m i e r o - s tru e tur e e v o lut i on b e h va i o r o f Q2 3 5 s t e e l t o a gr e at e xt e in . 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