脉冲电流调控金属固体中的残余应力

脉冲电流处理技术作为一种新的材料处理技术,近年来被广泛应用于材料中残余应力的消除与调控。本文简要综述了残余应力的产生、危害及其传统控制手段,详细回顾了多种脉冲电流作用方式下的残余应力演变特征,并对各处理方式下的残余应力演化机理进行了简要讨论。结果表明,高能脉冲电流作用下,金属材料内部和表面的残余应力在极短的时间内(通常小于1 s)可以得到有效消除,消除率最高可达100%;电流密度越大,残余应力消除率越高,金属材料内部初始残余应力越大残余应力越容易得到消除。低能连续脉冲电流处理的实验结果则存在着残余应力变大、变小、不变等多种响应方式,其与材料类型和脉冲电流参数有重要关系。采用脉冲电流和外加应力耦合的处理方式对材料中的残余应力进行调控效果良好。在材料加工过程中耦合低能连续脉冲电流能够有效地在材料表面引入残余压应力,提高材料的抗疲劳和抗腐蚀性能。脉冲电流通过材料时产生锤击的电冲击技术,可以将材料表面的拉应力转化为压应力,从而提升材料的性能,此技术有效突破了高能脉冲电流消除残余应力能量要求过高的限制,并能实现工件服役现场直接定区域处理。脉冲电流处理消除残余应力的机理是:脉冲电流导致的Joule热效应和电致塑性效应促进位错运动,降低材料的流变应力,从而使材料可以在更低的应力水平上发生塑性变形,其中起关键作用的是电致塑性效应。脉冲电流导致的应力改变(热应力、箍缩效应、磁致伸缩效应、瞬时热膨胀应力)、外加应力(变形、冲击)和残余应力的联合作用构成了促进塑性变形的驱动力。