D0I:10.13374/i.issnl00113.2008.08.00B 第30卷第8期 北京科技大学学报 Vol.30 No.8 2008年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2008 脉冲电流对球墨铸铁退火组织与性能的影响 李青春12) 陈湘茹常国威)翟启杰) 1)上海大学材料科学与工程学院，上海2000722)辽宁工业大学材料与化学工程学院，锦州121001 摘要在球墨铸铁的高温石墨化过程中采用脉冲电流为辅助手段，研究了脉冲电流对退火处理球墨铸铁力学性能以及渗 碳体的石墨化、铁素体转变的影响·经脉冲电流处理后，球墨铸铁的硬度、抗拉强度降低，延伸率增加·$EM分析表明，脉冲电 流加速了球墨铸铁的高温石墨化过程，促进了铁素体的转变·脉冲电流处理后石墨形核率的增加是加速渗碳体分解和铁素体 转变的主要原因 关键词球墨铸铁；脉冲电流：渗碳体；铁素体：石墨化 分类号TG143.5 Effect of pulse current on the annealing structure and property of spherical graphite iron LI Qingchun).CHEN Xiangru2),CHANG Guowe)ZHAI Qijie) 1)School of Materials Science and Engineering.Shanghai University.Shanghai 200072.China 2)School of Materials&Chemical Engineering.Liaoning University of Technology,Jinhou 121001.China ABSTRACI The effects of pulse current on the mechanical properties of spherical graphite iron.the graphitization of cementite and the transformation of ferrite were studied during the high-temperature graphitization of spherical graphite iron with pulse electric cur- rent as an assistant way.The results show that the tensile strength and the hardness of the specimen decrease,while the elongation increase.SEM micrographs of the specimen show that electropulsing promotes greatly the high-temperature graphitization of spherical graphite iron and the transformation of ferrite.The acceleration of cementite decomposition and the transformation of ferrite result from the increase of graphite nucleation rate by electropulsing. KEY WORDS spherical graphite iron:pulse current:cementite:ferrite:graphitization 球墨铸铁管具有耐腐蚀、抗震性能好等诸多优 增加促进固态石墨化元素、调整加热温度与保温时 点，现已成为城市地下给排水系统的首选材料，并随 间的方法来加速渗碳体的石墨化过程，但这些方法 着社会的发展用量急剧增加·离心铸造是生产球墨 已经无法取得突破性的进展， 铸铁管的主要方法之一，但在生产中采用该工艺时 高密度脉冲电流利用其电致迁移四、电致塑性 由于模筒的强烈激冷作用，球墨铸铁铸态组织中存 效应2]在固态金属的再结晶]、固态相变]中达 在大量的渗碳体，必须采用高温石墨化退火加以消 到了改善固态金属组织的目的，但在球墨铸铁的高 除.，同时，为了提高球墨铸铁管的韧性，要求基体组 温石墨化过程中，采用脉冲电流这个辅助手段来加 织为铁素体，近年来球墨铸铁管向薄壁、大管径的 速球墨铸铁固态石墨化过程的方法研究很少，本文 方向发展，这就导致铸态组织中渗碳体数量增多，并 在球墨铸铁的高温石墨化中施加较低密度的脉冲电 使通过热处理消除渗碳体的难度加大，还带来能耗 流，并与相同工艺的正常石墨化退火相比较，研究脉 增加、生产周期延长、铸件成本增加等诸多问题，传 冲电流处理对球墨铸铁高温退火组织与性能的影 统工艺多采用控制碳化物形成元素的含量、适当地 响 收稿日期：2007-09-06修回日期：2007-11-20 作者简介：李青春(1972-)，女，讲师，博士研究生；翟启杰(1959一)：男，教授，博士生导师，E-mail:取hai@mail.shu.cn
脉冲电流对球墨铸铁退火组织与性能的影响 李青春12） 陈湘茹2） 常国威2） 翟启杰1） 1） 上海大学材料科学与工程学院上海200072 2） 辽宁工业大学材料与化学工程学院锦州121001 摘 要 在球墨铸铁的高温石墨化过程中采用脉冲电流为辅助手段研究了脉冲电流对退火处理球墨铸铁力学性能以及渗 碳体的石墨化、铁素体转变的影响．经脉冲电流处理后球墨铸铁的硬度、抗拉强度降低延伸率增加．SEM 分析表明脉冲电 流加速了球墨铸铁的高温石墨化过程促进了铁素体的转变．脉冲电流处理后石墨形核率的增加是加速渗碳体分解和铁素体 转变的主要原因． 关键词 球墨铸铁；脉冲电流；渗碳体；铁素体；石墨化 分类号 TG143∙5 Effect of pulse current on the annealing structure and property of spherical graphite iron LI Qingchun 12）CHEN Xiangru 2）CHA NG Guowei 2）ZHAI Qijie 1） 1） School of Materials Science and EngineeringShanghai UniversityShanghai200072China 2） School of Materials ＆ Chemical EngineeringLiaoning University of TechnologyJinzhou121001China ABSTRACT T he effects of pulse current on the mechanical properties of spherical graphite ironthe graphitization of cementite and the transformation of ferrite were studied during the high-temperature graphitization of spherical graphite iron with pulse electric current as an assistant way．T he results show that the tensile strength and the hardness of the specimen decreasewhile the elongation increase．SEM micrographs of the specimen show that electropulsing promotes greatly the high-temperature graphitization of spherical graphite iron and the transformation of ferrite．T he acceleration of cementite decomposition and the transformation of ferrite result from the increase of graphite nucleation rate by electropulsing． KEY WORDS spherical graphite iron；pulse current；cementite；ferrite；graphitization 收稿日期：2007-09-06 修回日期：2007-11-20 作者简介：李青春（1972—）女讲师博士研究生；翟启杰（1959—）男教授博士生导师E-mail：qjzhai＠mail．shu．cn 球墨铸铁管具有耐腐蚀、抗震性能好等诸多优 点现已成为城市地下给排水系统的首选材料并随 着社会的发展用量急剧增加．离心铸造是生产球墨 铸铁管的主要方法之一但在生产中采用该工艺时 由于模筒的强烈激冷作用球墨铸铁铸态组织中存 在大量的渗碳体必须采用高温石墨化退火加以消 除．同时为了提高球墨铸铁管的韧性要求基体组 织为铁素体．近年来球墨铸铁管向薄壁、大管径的 方向发展这就导致铸态组织中渗碳体数量增多并 使通过热处理消除渗碳体的难度加大还带来能耗 增加、生产周期延长、铸件成本增加等诸多问题．传 统工艺多采用控制碳化物形成元素的含量、适当地 增加促进固态石墨化元素、调整加热温度与保温时 间的方法来加速渗碳体的石墨化过程但这些方法 已经无法取得突破性的进展． 高密度脉冲电流利用其电致迁移［1］、电致塑性 效应［2—5］在固态金属的再结晶［6］、固态相变［7—8］中达 到了改善固态金属组织的目的．但在球墨铸铁的高 温石墨化过程中采用脉冲电流这个辅助手段来加 速球墨铸铁固态石墨化过程的方法研究很少．本文 在球墨铸铁的高温石墨化中施加较低密度的脉冲电 流并与相同工艺的正常石墨化退火相比较研究脉 冲电流处理对球墨铸铁高温退火组织与性能的影 响． 第30卷 第8期 2008年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．8 Aug．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．08．003
第8期 李青春等：脉冲电流对球墨铸铁退火组织与性能的影响 ,855 1 度的脉冲电流时，试样的温度并没有明显改变，拉 实验方法 伸实验是在WDW200电子万能拉伸试验机上进行. 试样取自于离心球墨铸铁管，其质量分数为： 分别采用蔡司AXiover2O0MAT型金相显微镜和 C,3.449%;Si,2.79%;S,0.016%;P,0.048%; S3000N型扫描电镜观察试样中间部位的显微组织 Mn,0.14%;Mg,0.028%;Ti,0.03%.将试样加 和拉伸断口的形貌， 工成尺寸为90mm×10mm×8mm的拉伸试样，分 成A、B和C三组，A组的退火工艺为试样在920℃ 2实验结果 保温3min,炉冷到700℃，并保温10min.B组的工 分别测试试样在有无脉冲电流处理下的力学性 艺为试样在920℃保温3min的同时施加脉冲电流， 能，结果如表1.从表1可以看出，经过脉冲电流处 炉冷到700℃，并保温10mim.这两组实验的目的是 理后，球墨铸铁的抗拉强度、硬度有所降低，但延伸 考察高温下加脉冲电流对随后缓慢冷却时铁素体转 率升高.脉冲电流能够引起材料的力学性能发生变 变的影响，C组工艺为在920℃保温3min的同时 化，与材料的组织发生变化有关 施加脉冲电流，然后空冷，其实验目的是考察高温 图1表明：在其他处理条件相同的情况下，经过 下加脉冲电流对渗碳体石墨化的影响，为保证实验 脉冲电流处理后，球墨铸铁中的渗碳体基本消除，基 结果的准确性，每组试样各三个，脉冲电流的基本 体组织基本上为铁素体；而未加脉冲电流的退火组 参数为脉冲电压800V,脉冲频率20Hz, 织中还有一定数量的条状渗碳体和珠光体，通过定 将试样用两根紫铜管顶住，紫铜管通循环水冷 量的金相分析得出未加脉冲电流的退火组织中渗碳 却以确保紫铜管既不因温度过高而变形，又不会因 体和珠光体的体积含量分别为2.99%和3.67%. 为温度升高使铜管的电阻增大，从而影响脉冲信号 可见，在球墨铸铁的高温石墨化中施加脉冲电流加 的传递。考虑到电阻炉的大小，原计划试样长度为 速了渗碳体的分解，并促进了随后缓慢冷却时铁素 50mm,但由于卡试样的紫铜管需要通循环水冷却， 体的转变.球墨铸铁中渗碳体、珠光体数量的降低 试样两端的温度低于试样中心部位的温度；因此，为 以及铁素体的增加是其强度降低、延伸率增加的主 保证整个试样达到实验所要求的温度，必须将试样 要原因 的长度加长，本实验中试样的长度为90mm,将热 表1不同工艺条件下球墨铸铁的力学性能 电偶与试样的中间部位接触，通过自动控温仪观察 Table I Mechanical properties of spherical graphite iron under different treatment processes 高温下脉冲电流对试样温度的影响，由于输入的脉 冲电流能量相对于高温热能来说比较小，而试样两 试样 硬度，HB 抗拉强度/MPa 延伸率/% 107 430 端的温度又低于试样中心部位的温度，脉冲电流的 A 1.5 B 102 420 7.0 能量能够及时散发出去；因此在高温下施加较低密 图1经过不同退火处理后球墨铸铁的金相组织，(a)A组试样；(b)B组试样 Fig.1 Microstructures of spherical graphite iron after different annealing treatments:(a)the sample of A group:(b)the sample of B group 图2(a)表明，经过正常石墨化处理的球墨铸 墨铸铁的断口形貌为典型的韧性断裂，石墨周围出 铁，其断口形貌为典型的解理断裂，拉伸断口出现很 现了许多韧窝，可以看出，断口形貌的变化与力学 多解理裂纹，图2(b)表明，经过脉冲电流处理后，球 性能的变化规律相对应
1 实验方法 试样取自于离心球墨铸铁管其质量分数为： C3∙449％；Si2∙79％；S0∙016％；P0∙048％； Mn0∙14％；Mg0∙028％；Ti0∙03％．将试样加 工成尺寸为90mm×10mm×8mm 的拉伸试样分 成 A、B 和 C 三组．A 组的退火工艺为试样在920℃ 保温3min炉冷到700℃并保温10min．B 组的工 艺为试样在920℃保温3min 的同时施加脉冲电流 炉冷到700℃并保温10min．这两组实验的目的是 考察高温下加脉冲电流对随后缓慢冷却时铁素体转 变的影响．C 组工艺为在920℃保温3min 的同时 施加脉冲电流然后空冷．其实验目的是考察高温 下加脉冲电流对渗碳体石墨化的影响．为保证实验 结果的准确性每组试样各三个．脉冲电流的基本 参数为脉冲电压800V脉冲频率20Hz． 将试样用两根紫铜管顶住紫铜管通循环水冷 却以确保紫铜管既不因温度过高而变形又不会因 为温度升高使铜管的电阻增大从而影响脉冲信号 的传递．考虑到电阻炉的大小原计划试样长度为 50mm但由于卡试样的紫铜管需要通循环水冷却 试样两端的温度低于试样中心部位的温度；因此为 保证整个试样达到实验所要求的温度必须将试样 的长度加长本实验中试样的长度为90mm．将热 电偶与试样的中间部位接触通过自动控温仪观察 高温下脉冲电流对试样温度的影响．由于输入的脉 冲电流能量相对于高温热能来说比较小而试样两 端的温度又低于试样中心部位的温度脉冲电流的 能量能够及时散发出去；因此在高温下施加较低密 度的脉冲电流时试样的温度并没有明显改变．拉 伸实验是在 WDW200电子万能拉伸试验机上进行． 分别采用蔡司 AXiover200MAT 型金相显微镜和 S—3000N型扫描电镜观察试样中间部位的显微组织 和拉伸断口的形貌． 2 实验结果 分别测试试样在有无脉冲电流处理下的力学性 能结果如表1．从表1可以看出经过脉冲电流处 理后球墨铸铁的抗拉强度、硬度有所降低但延伸 率升高．脉冲电流能够引起材料的力学性能发生变 化与材料的组织发生变化有关． 图1表明：在其他处理条件相同的情况下经过 脉冲电流处理后球墨铸铁中的渗碳体基本消除基 体组织基本上为铁素体；而未加脉冲电流的退火组 织中还有一定数量的条状渗碳体和珠光体．通过定 量的金相分析得出未加脉冲电流的退火组织中渗碳 体和珠光体的体积含量分别为2∙99％和3∙67％． 可见在球墨铸铁的高温石墨化中施加脉冲电流加 速了渗碳体的分解并促进了随后缓慢冷却时铁素 体的转变．球墨铸铁中渗碳体、珠光体数量的降低 以及铁素体的增加是其强度降低、延伸率增加的主 要原因． 表1 不同工艺条件下球墨铸铁的力学性能 Table1 Mechanical properties of spherical graphite iron under different treatment processes 试样 硬度HB 抗拉强度／MPa 延伸率／％ A 107 430 1∙5 B 102 420 7∙0 图1 经过不同退火处理后球墨铸铁的金相组织．（a） A 组试样；（b） B 组试样 Fig．1 Microstructures of spherical graphite iron after different annealing treatments：（a） the sample of A group；（b） the sample of B group 图2（a）表明经过正常石墨化处理的球墨铸 铁其断口形貌为典型的解理断裂拉伸断口出现很 多解理裂纹．图2（b）表明经过脉冲电流处理后球 墨铸铁的断口形貌为典型的韧性断裂石墨周围出 现了许多韧窝．可以看出断口形貌的变化与力学 性能的变化规律相对应． 第8期 李青春等： 脉冲电流对球墨铸铁退火组织与性能的影响 ·855·
.856 北京科技大学学报 第30卷 图3(a)是经过正常高温石墨化处理后空冷的 石墨的数量明显增多，组织中出现了大量新生的小 组织：图3(b)是在高温石墨化中施加脉冲电流后空 石墨，可见，在球墨铸铁的高温石墨化中施加脉冲 冷的组织，从图中可以看出，与未加脉冲电流的高 电流促进了石墨的形成 温石墨化相比，在高温石墨化过程中施加脉冲电流， 20 um 20m 25y-0 D12.9a180k7500 100un s-ay 0116 0k500 1001m 图2经过不同处理后球墨铸铁的拉伸断口形貌.()A组试样；(b)B组试样 Fig.2 Tensile fracture morphologies of spherical graphite iron after different treatments:(a)the sample of A group:(b)the sample of B group :60 um 60m 05m-07 5-nn07 D15 15200 图3高温石墨化处理后空冷的组织.(a)920℃保温3mi,空冷；(b)920℃保温3min,加脉冲，空泠 Fig3 Microstructures of spherical graphite iron after high temperature graphitization and air cooing:(a)annealed at 920C for3min,air cool- ing:(b)annealed at 920C for 3min with pulse electrie current,air cooling 3分析与讨论 3.1脉冲电流作用下石墨形核率增加 脉冲电流的作用可使新相形核的热力学势垒改 电流对固态相变的影响人们已经研究很多，主 变[9. 要是利用电流的电迁移理论来解释电流对扩散型固 △G=4(2-1)/(1+22)j2V(1) 态相变的影响[⑧]，在金属的固态相变中施加脉冲电 式中，“是磁化率，k是几何因子且是正值，1为形 流时，电能、热能和应力是被瞬时输入到材料中，由 成的新相的电导率，2为母相的电导率，j是电流密 于脉冲电流的放电时间仅为微妙的数量级，这样在 度，V是形成晶核的体积，因此形核势垒的正负与 负载上可以得到非常大的瞬时功率，高温下随机热 2一的正负一致，当2<o1时，△Gk<0,表示脉 运动的原子在脉冲电流周期性的瞬时冲击力作用下 冲电流的作用有助于具有高电导率的相的形核.在 获得足够的动能离开平衡位置，原子的扩散能力加 球墨铸铁的固态石墨化过程中，由于新相石墨的电 强，位错更容易滑移、攀移，而直流电的电迁移理论 导率高于母相渗碳体的电导率，因此脉冲电流的作 只有在电流密度高、处理时间长的情况下才很明显， 用降低了石墨化过程中石墨的形核势垒 因此与相同功率的电流相比，脉冲电流的电致迁移 脉冲电流的电致塑性效应加速了位错的移 和电致塑性效应更容易实现， 动可]，球墨铸铁在高温石墨化过程中施加脉冲电
图3（a）是经过正常高温石墨化处理后空冷的 组织；图3（b）是在高温石墨化中施加脉冲电流后空 冷的组织．从图中可以看出与未加脉冲电流的高 温石墨化相比在高温石墨化过程中施加脉冲电流 石墨的数量明显增多组织中出现了大量新生的小 石墨．可见在球墨铸铁的高温石墨化中施加脉冲 电流促进了石墨的形成． 图2 经过不同处理后球墨铸铁的拉伸断口形貌．（a） A 组试样；（b） B 组试样 Fig．2 Tensile fracture morphologies of spherical graphite iron after different treatments：（a） the sample of A group；（b） the sample of B group 图3 高温石墨化处理后空冷的组织．（a）920℃保温3min空冷；（b）920℃保温3min加脉冲空冷 Fig．3 Microstructures of spherical graphite iron after high-temperature graphitization and air cooling：（a） annealed at 920℃ for3minair cooling；（b） annealed at 920℃ for3min with pulse electric currentair cooling 3 分析与讨论 电流对固态相变的影响人们已经研究很多主 要是利用电流的电迁移理论来解释电流对扩散型固 态相变的影响［8］．在金属的固态相变中施加脉冲电 流时电能、热能和应力是被瞬时输入到材料中．由 于脉冲电流的放电时间仅为微妙的数量级这样在 负载上可以得到非常大的瞬时功率．高温下随机热 运动的原子在脉冲电流周期性的瞬时冲击力作用下 获得足够的动能离开平衡位置原子的扩散能力加 强位错更容易滑移、攀移而直流电的电迁移理论 只有在电流密度高、处理时间长的情况下才很明显 因此与相同功率的电流相比脉冲电流的电致迁移 和电致塑性效应更容易实现． 3∙1 脉冲电流作用下石墨形核率增加 脉冲电流的作用可使新相形核的热力学势垒改 变［9］： ΔGk＝μk（σ2—σ1）／（σ1＋2σ2） j 2V （1） 式中μ是磁化率k 是几何因子且是正值σ1 为形 成的新相的电导率σ2 为母相的电导率j 是电流密 度V 是形成晶核的体积．因此形核势垒的正负与 σ2—σ1 的正负一致当 σ2＜σ1 时ΔGk＜0表示脉 冲电流的作用有助于具有高电导率的相的形核．在 球墨铸铁的固态石墨化过程中由于新相石墨的电 导率高于母相渗碳体的电导率因此脉冲电流的作 用降低了石墨化过程中石墨的形核势垒． 脉冲电流的电致塑性效应加速了位错的移 动［2—5］．球墨铸铁在高温石墨化过程中施加脉冲电 ·856· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第8期 李青春等：脉冲电流对球墨铸铁退火组织与性能的影响 .857 流使奥氏体晶粒内的位错开始滑移，根据Frank一 出现贫碳区，这部分贫碳的奥氏体将逐步转变成铁 Read增殖理论，滑移的位错还可产生增殖效应1o]. 素体，由于在球墨铸铁的高温石墨化过程中施加脉 当大量位错滑移至奥氏体晶界附近时产生位错塞 冲电流使基体中的石墨数量增加，每个石墨的周围 积.对于碳原子而言位错塞积处相当于孔洞，为石 都要有一部分铁素体产生；因此石墨数量的增多，使 墨的形核和长大创造了条件， 冷到低温时组织中铁素体的量增多.炉冷时冷却速 脉冲电流可促进原子的扩散，加速晶界上位错 度比较缓慢，因此随着温度的缓慢降低，越来越多的 的攀移).位错攀移速率的增加使空位不断地被 铁素体晶粒成核于奥氏体晶界上， 传输到晶界，导致晶界上空位浓度增加.晶界上空 另外，脉冲电流的作用相当于周期性地给金属 位浓度的增加使晶界的电阻增加，因此晶界的温度 输入瞬态能量，外加的能量以存储能的形式存在于 较晶粒内的温度高，晶界局部温度的升高、晶界上 基体中，当第一阶段石墨化完成后缓慢冷却时，这 空位浓度的增加使渗碳体分解后的碳原子沿晶界的 些存储能被释放出来，增加了奥氏体向铁素体转变 扩散速率大大增加，缩短了石墨形核的孕育期. 的驱动力，降低了铁素体的形核功，从而提高了铁素 球墨铸铁在固态石墨化过程中石墨的形核率可 体的形核率。 表示为2： △G+△Ga 4结论 J(t)=ZSuo noexp kg T exp (1)在球墨铸铁的高温石墨化中施加脉冲电流 (2) 可加速渗碳体的石墨化进程，组织中石墨的数量增 式中，Z为塞尔多维奇因子，Z≈0.05：0为母相中 多，脉冲电流主要通过降低石墨形核势垒、增加石 可供成核的位置的密度，$为与临界核心为邻的母 墨的形核位置及缩短石墨的形核孕育期来提高石墨 相中的原子数，，为在新生石墨晶核附近碳原子的 的形核率， 振动频率，△Ga为碳原子进入临界核心所必须越过 (2)经脉冲电流高温处理的球墨铸铁在缓慢冷 的势垒，△G:为形成一个临界核心所必需越过的势 却时铁素体的转变量增加，珠光体的转变量降低 垒，kB为玻尔兹曼常数，T为温度，τ为形核所需的 高温石墨化中石墨数量的增加是加速铁素体转变的 孕育时间，t为任意时刻，根据式(2)，在一定温度 主要原因 下，脉冲电流通过降低石墨形核势垒△G、缩短石 (③)与相同工艺的高温石墨化退火相比，在球 墨的形核孕育期τ及增加石墨的形核位置o来提 墨铸铁的高温石墨化中施加脉冲电流，球墨铸铁的 高球墨铸铁固态石墨化中石墨的形核率J(t) 硬度、抗拉强度降低，延伸率增加， 3.2脉冲电流加速渗碳体分解 在球墨俦铁的高温石墨化过程中，渗碳体解体 参考文献 后，碳原子或在原有的石墨球上沉积，或形成新的石 [1]Hummel R E.Electromigration and related failure mechanisms in 墨核心.当碳原子向原有的石墨球上沉积时，需要 integrated circuit interconnects.Int Mater Rev,1994.39:97 [2]Conrad H.Electroplasticity in metals and ceramics.Mater Sci 很长的扩散路程，相对难度较大，如果在石墨球与渗 EmgA,2000,287:276 碳体之间的空间内有新的石墨晶核出现，那么碳原 [3]Michel I.Theoretical basis for electro and magnetoplasticity 子向这些新的石墨上堆积，相对更容易，由于脉冲 Mater Sci Eng A,2000.287:248 电流作用下石墨的形核率增加，渗碳体分解后的碳 [4]Tang G Y,Zhang J.Yan Y J.et al.The engineering application 原子在向原有石墨聚集的同时，大部分向这些新生 of the electroplastic effect in the cold-drawing of stainless steel wire.J Mater Process Technol.2003.137:96 成的石墨晶核聚集，从而加速了渗碳体的分解 [5]Xu Z H.Tang G Y,Tian S Q.et al.Research of electroplastic 在脉冲电流作用下，当奥氏体中的位错滑移到 rolling of AZ31 Mg alloy strip.J Mater Process Technol,2007, 渗碳体界面附近时，渗碳体附近的位错应力场使渗 182:128 碳体界面的应力增加，界面应力的增加使应变能积 [6]Zhou Y Z.Xiao S H.Guo J D.Recrystallized microstructure in 累在渗碳体上，渗碳体能量的增加使渗碳体断网及 cold worked brass produced by electropulsing treatment.Mater Lett,2004,58,1948 粒化的驱动力增大， [7]Zhang W.Sui M L,Zhou Y Z,et al.Evolution of microstrue- 3.3脉冲电流加速铁素体转变 tures in materials induced by electropulsing.Micron.2003.34: 奥氏体在较慢的冷却条件下，石墨周围将快速 189 (下转第902页)
流使奥氏体晶粒内的位错开始滑移．根据 Frank— Read 增殖理论滑移的位错还可产生增殖效应［10］． 当大量位错滑移至奥氏体晶界附近时产生位错塞 积．对于碳原子而言位错塞积处相当于孔洞为石 墨的形核和长大创造了条件． 脉冲电流可促进原子的扩散加速晶界上位错 的攀移［11］．位错攀移速率的增加使空位不断地被 传输到晶界导致晶界上空位浓度增加．晶界上空 位浓度的增加使晶界的电阻增加因此晶界的温度 较晶粒内的温度高．晶界局部温度的升高、晶界上 空位浓度的增加使渗碳体分解后的碳原子沿晶界的 扩散速率大大增加缩短了石墨形核的孕育期． 球墨铸铁在固态石墨化过程中石墨的形核率可 表示为［12］： J（ t）＝ZSυ0n0exp — ΔGk＋ΔGa kB T exp — τ t （2） 式中Z 为塞尔多维奇因子Z≈0∙05；n0 为母相中 可供成核的位置的密度S 为与临界核心为邻的母 相中的原子数υ0 为在新生石墨晶核附近碳原子的 振动频率ΔGa 为碳原子进入临界核心所必须越过 的势垒ΔGk 为形成一个临界核心所必需越过的势 垒kB 为玻尔兹曼常数T 为温度τ为形核所需的 孕育时间t 为任意时刻．根据式（2）在一定温度 下脉冲电流通过降低石墨形核势垒ΔGk、缩短石 墨的形核孕育期 τ及增加石墨的形核位置 n0 来提 高球墨铸铁固态石墨化中石墨的形核率 J（ t）． 3∙2 脉冲电流加速渗碳体分解 在球墨铸铁的高温石墨化过程中渗碳体解体 后碳原子或在原有的石墨球上沉积或形成新的石 墨核心．当碳原子向原有的石墨球上沉积时需要 很长的扩散路程相对难度较大如果在石墨球与渗 碳体之间的空间内有新的石墨晶核出现那么碳原 子向这些新的石墨上堆积相对更容易．由于脉冲 电流作用下石墨的形核率增加渗碳体分解后的碳 原子在向原有石墨聚集的同时大部分向这些新生 成的石墨晶核聚集从而加速了渗碳体的分解． 在脉冲电流作用下当奥氏体中的位错滑移到 渗碳体界面附近时渗碳体附近的位错应力场使渗 碳体界面的应力增加界面应力的增加使应变能积 累在渗碳体上渗碳体能量的增加使渗碳体断网及 粒化的驱动力增大． 3∙3 脉冲电流加速铁素体转变 奥氏体在较慢的冷却条件下石墨周围将快速 出现贫碳区这部分贫碳的奥氏体将逐步转变成铁 素体．由于在球墨铸铁的高温石墨化过程中施加脉 冲电流使基体中的石墨数量增加每个石墨的周围 都要有一部分铁素体产生；因此石墨数量的增多使 冷到低温时组织中铁素体的量增多．炉冷时冷却速 度比较缓慢因此随着温度的缓慢降低越来越多的 铁素体晶粒成核于奥氏体晶界上． 另外脉冲电流的作用相当于周期性地给金属 输入瞬态能量外加的能量以存储能的形式存在于 基体中．当第一阶段石墨化完成后缓慢冷却时这 些存储能被释放出来增加了奥氏体向铁素体转变 的驱动力降低了铁素体的形核功从而提高了铁素 体的形核率． 4 结论 （1） 在球墨铸铁的高温石墨化中施加脉冲电流 可加速渗碳体的石墨化进程组织中石墨的数量增 多．脉冲电流主要通过降低石墨形核势垒、增加石 墨的形核位置及缩短石墨的形核孕育期来提高石墨 的形核率． （2） 经脉冲电流高温处理的球墨铸铁在缓慢冷 却时铁素体的转变量增加珠光体的转变量降低． 高温石墨化中石墨数量的增加是加速铁素体转变的 主要原因． （3） 与相同工艺的高温石墨化退火相比在球 墨铸铁的高温石墨化中施加脉冲电流球墨铸铁的 硬度、抗拉强度降低延伸率增加． 参 考 文 献 ［1］ Hummel R E．Electromigration and related failure mechanisms in integrated circuit interconnects．Int Mater Rev199439：97 ［2］ Conrad H．Electroplasticity in metals and ceramics． Mater Sci Eng A2000287：276 ［3］ Michel I．Theoretical basis for electro and magnetoplasticity． Mater Sci Eng A2000287：248 ［4］ Tang G YZhang JYan Y Jet al．The engineering application of the electroplastic effect in the cold-drawing of stainless steel wire．J Mater Process Technol2003137：96 ［5］ Xu Z HTang G YTian S Qet al．Research of electroplastic rolling of AZ31 Mg alloy strip．J Mater Process Technol2007 182：128 ［6］ Zhou Y ZXiao S HGuo J D．Recrystallized microstructure in cold worked brass produced by electropulsing treatment． Mater Lett200458：1948 ［7］ Zhang WSui M LZhou Y Zet al．Evolution of microstructures in materials induced by electropulsing．Micron200334： 189 （下转第902页） 第8期 李青春等： 脉冲电流对球墨铸铁退火组织与性能的影响 ·857·
.902 北京科技大学学报 第30卷 loys:a eritical review.JAlloys Compd.2002.336:88 与耐蚀性能研究.浙江大学学报：工学版，2006,40(4)：629) [6]Abulsain M.Berkani A.Bonillaf A,et al.Anodic oxidation of [9]Zhang Y J.Yan C W.Lou H Y,et al.Progress on anodizing MgCu and MgZn alloys and enrichment of alloying elements. technology for magnesium and its alloys.Corros Sci Prot Tech- Electrochem Acta.2004.49:899 mol,2001,13(4):214 [7]Hoche H.Scheerer H.Probst D.et al.Plasma anodization as an (张永君，严川伟，楼翰一，等.Mg及其合金的阳极氧化技术 environmental harmless method for the corrosion protection of 进展.腐蚀科学与防护技术，2001,13(4)：214) magnesium alloys.Surf Coat Technol.2003.174/175:1002 [10]Hui HY,Yu G,Ye L Y.A research on an environment friend- [8]Cao HF.Zhang Z,Shi YY,et al.Study on microstructure and ly electrolyte for magnesium alloy anodizing Electroplat Pollut corrosion resistance of anodic film of magnesium alloy Zhejiang Control,2005,25(6):34 Univ Eng Sei,2006,40(4):629 (惠华英，余刚，叶立元环保型镁合金阳极氧化工艺的研 (曹发和，张昭，施彦彦，等。镁合金阳极氧化膜的微观结构 究.电镀与环保，2005,25(6)：34) (上接第857页) pulse on recrystallized dynamics in 2091 Al-Li alloy.Chin J [8]Conrad H.Effects of electric current on solid state phase transfor- Nonferrous Met.2000.10(6):837 mations in metals.Mater Sci Eng A.2000.287:227 (刘志义，刘冰，邓小铁，等，脉冲电流对2091铝锂合金再结晶 [9]Qin R S.Research on Nonequilibrium Transition by Elec 动力学的影响.中国有色金属学报，2000,10(6)：837) tropulsing Dissertation ]Shenyang:Institute of Metal Re- [11]Liu Z Y.Xu X C.Cui JZ.Effect of electric current pulse on search,Chinese Academy of Sciences,1996:24 grain growth in superplastic deformation of 2091 Al-Li alloy. (秦荣山电脉冲作用下的非平衡转变研究[学位论文]沈阳： Trans Nonferrous Met Soc China.2003.13:743 中国科学院金属研究所，1996：24) [12]Feng D.Metal Physics.Beijing:Science Press,1987 [10]Liu Z Y,Liu B.Deng X T.et al.Effeet of electric current (冯端·金属物理学.北京：科学出版社，1987)
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