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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·