电脉冲对纯金属晶界和位错的作用机理及微观结构定向调控

As a promising method in materials processing, electric-pulsing can significantly alter the microstructures and improve the mechanical properties of materials due to its unique thermal, electrical, magnetic and mechanical effects. However, the underlying mechanisms for the microstructures and properties modification by electric pulsing have not yet been fully understood, and thus limits the industrialization of this technology. In this project, the microstructure evolution in pure metals without solid-state phase transformation under the action of electric pulses will be directly investigated by in-situ or ex-situ TEM and EBSD techniques to reveal the dominating factor. In the view of thermodynamics, the analysis focuses on whether the electric pulses can provide enough extra driving force for the movement of grain boundaries and dislocations. In view of kinetics, the analysis will focus on the characteristics and dynamics of grain boundary and dislocation evolution under electric-pulsing. A series of experiments is designed to systematically separate the factors on the acceleration of microstructure evolution by the physical effects along with electric-pulsing, such as selective heating, electron wind force and magnetic force. Suggested by our preliminary work, special attention will be paid to check whether selective heating effect is the dominant factor or not. This project aims to reveal the effects on the grain boundary mobility and dislocation evolution by electric pulsing and uncover the dominating factor. The results can extend the understanding of the electric pulsing technique and bring its application into a designable stage.

电脉冲因其独特的热、电、磁、力等物理效应，可用于材料的微观结构调控，在材料加工及处理方面有广泛的应用前景；然而其作用机理尚不明确，大大限制了电脉冲技术的进一步开发和推广。本项目拟以常压下无固态相变的纯金属材料为对象，采用原位或外原位的TEM和EBSD方法直接观察微观结构的演化，分别从热力学和动力学的角度，系统研究电脉冲对材料微观结构的影响，揭示起主导作用的物理效应。热力学方面，重点关注电脉冲能否为晶界或位错的运动提供额外的足够的驱动力；动力学方面，主要关注电脉冲作用下的晶界和位错的行为特征及迁移速率。通过设计多重对比实验，对电脉冲的各种物理效应进行分离观察研究，比较选择性加热效应、电子风力和磁效应对加速微观结构演化的贡献，在申请者前期研究的基础上，进一步明确选择性加热效应是否为主控因素。本项研究旨在揭示电脉冲对位错和晶界运动演化的作用机制及主控因素，有助于推进电脉冲技术的定向设计与调控。

本项目以变形纯铝和铝合金为主要研究对象，结合其在电脉冲作用下的微观结构演化规律，从热力学和动力学两方面阐释了电脉冲的作用机理，并对电脉冲在定向设计和调控微观结构方面进行了探索。本项目还设计了准原位的电脉冲TEM表征实验，为研究电脉冲的物理效应提供了更加直接的实验证据，同时利用有限元方法对电脉冲热效应进行了模拟分析，为进一步完善电脉冲物理机制打下了基础。.在热力学方面，电脉冲为变形纯铝在再结晶过程中的晶界迁移提供的额外驱动力极小（不足以驱动晶界的迁移），电脉冲对回复态和完全再结晶纯铝微观结构演化的影响也很小，不足以改变微观结构向变形储能减小的演化方向。在动力学方面，电脉冲不仅会加速微观结构向变形储能减小的方向演化，且还会引起演化途径的改变。采用小强度电脉冲可快速地降低轧制纯铝晶内位错密度，而保持晶粒度基本不变；而大强度电脉冲处理可使常规的晶界三叉点迁移的回复机制转变为以晶界消减的形式，并同时导致晶内位错密度急剧上升。相比传统热处理，电脉冲可在更低温度和更短时间内使变形纯铝发生相同程度的再结晶转变。动力学上微观结构演化加速及其引起的演化途径改变可以用位错芯结构的选择性加热效应解释。由于材料总的位错体积比很小，在位错芯结构的选择性加热效应不会导致材料明显整体的升温，因此这属于电脉冲的“非（宏观）热效应”。另外，在对固溶态Al-1%Si合金进行超低温电脉冲处理还发现，电脉冲在超低温环境下的非热效应对空位/原子的扩散和析出过程同样具有显著的促进作用，这同样能通过选择性加热效应得到合理解释。因此本研究基本明确了电脉冲的选择性加热等非热效应在微观结构的定向设计和调控中能发挥十分重要甚至是主控的作用。.在明晰电脉冲效应的简化方向后，本项目还探究了电脉冲的辅助轧制技术。分别对纯铝/纯镁复合板材，以及Al-1%Si板材的电脉冲辅助累积叠轧实验，结果均表明电脉冲辅助轧制技术具有较大的工业应用潜力，为其进入可设计阶段打下基础。