電脈沖在材料的加工中越來(lái)越受到人們的重視，這是由于電脈沖處理過(guò)的材料的性能較常規處理的材料性能有很大提高。雖然其影響機理不是特別清楚，但這并沒(méi)有影響到高能電脈沖在材料加工中的應用，如電致塑性的應用，實(shí)現納米再結晶，對鋼的缺陷的修復，以及在生物、環(huán)保、醫藥領(lǐng)域的應用。
工業(yè)生產(chǎn)中，純銅進(jìn)行再結晶退火的目的是改變晶粒度、消除內應力、使金屬軟化。銅絲直徑小于1.0mm退火溫度為470—520℃，保溫40—50min。
1.實(shí)驗材料及方法
試驗材料選用多組相同型號的冷拔純銅線(xiàn)(TU1，純度為99.99%，變形率達到90%)作為研究對象，線(xiàn)徑為0.9mm。銅絲在兩個(gè)電極間連續運動(dòng)速度為4m/min，過(guò)程中施加頻率為300Hz、脈沖的寬度為60us的電脈沖，處理長(cháng)度為23cm，所加的脈沖的峰值電流的密度可以通過(guò)電參數的調整來(lái)改變。處理過(guò)程中，只對后半段材料進(jìn)行冷卻。
試驗分兩組進(jìn)行，一組銅絲經(jīng)脈沖處理，在脈沖處理過(guò)程中，采用紅外測溫儀測量材料暴露在室溫空氣中部分的溫度。第二組銅絲在管式爐中進(jìn)行常規退火。用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察銅絲微觀(guān)組織，對材料的溫度分布進(jìn)行模擬。在CMT5105拉伸機上進(jìn)行力學(xué)性能試驗。
2.溫度的模擬以及力學(xué)實(shí)驗結果
在處理過(guò)程中材料的溫度只有250℃，并且材料處于再結晶溫度200℃以上的時(shí)間大約只有1s，全過(guò)程耗時(shí)3.45s。和常規熱處理相比較(600℃，60s)電脈沖處理所需溫度和時(shí)間分別為常規處理所需溫度和時(shí)間的42%和5.8%。由此可知，電脈沖除其熱效應影響材料的退火再結晶，更多的是基于一種非熱效應的作用。
根據實(shí)驗分析可知銅絲處在200℃以下時(shí)不會(huì )發(fā)生再結晶，再結晶發(fā)生時(shí)間都是集中在某個(gè)溫度區間。為了驗證這個(gè)的推論，把材料完全浸泡在常溫水中，通過(guò)相同參數的脈沖電流大約60s，并未發(fā)現材料再結晶。材料在電脈沖條件下的實(shí)現快速再結晶的溫度是有一個(gè)臨界溫度。
材料經(jīng)電脈沖處理能發(fā)生再結晶的條件是材料自身溫度達到一個(gè)臨界值(此溫度遠低于熱力學(xué)平衡條件下再結晶溫度)。在溫度低于臨界值的情況下，單獨的脈沖效應不能引起材料的再結晶。當溫度達到或者高于臨界值時(shí)，在電脈沖下材料能夠快速形核、再結晶。
3.總結
(1)電脈沖處理冷拔銅絲與常規管式爐退火相比較：完全再結晶所需時(shí)間縮短90%以上；開(kāi)始再結晶溫度降低約50%。脈沖起作用需要在一定的溫度基礎之上，只有當溫度達到或者高于某一個(gè)臨屆溫度(約200℃)時(shí)，電脈沖才能促進(jìn)材料形核及晶粒長(cháng)大；
(2)采用常規管式爐退火，得到處理后銅絲的抗拉強度為220MPa，伸長(cháng)率為29%；經(jīng)電脈沖處理后，銅絲的抗拉強度、伸長(cháng)率較常規退火分別提高8%和20.3%。對于加工硬化銅絲，采用電脈沖處理比用常規退火工藝處理可以得到更好的強度和塑性的配合；
(3)電脈沖處理實(shí)現冷拔銅絲再結晶是由熱效應和非熱效應共同引起的。非熱效應宏觀(guān)表現為再結晶時(shí)間縮短，再結晶所需溫度降低；微觀(guān)表現為脈沖電流增大原子擴散速率，促進(jìn)了大角晶界生成，利于生核。在晶粒長(cháng)大階段，脈沖電流降低了位錯密度，使得晶粒長(cháng)大的動(dòng)力不足，抑制了晶粒生長(cháng)，得到更加細小的晶粒結構。(圖/文www.fmrose.com)