对于当今社会，在所有结构材料中钢铁依然是最重要的材料，而对于像我国这样工业在不断发展的国家更是如此。随着社会的发展及工业要求的需要，人们要求钢材的各方面性能得到提高。并对生产过程提出了低资源消耗、低能源消耗以及缩短工艺生产流程的要求。正因如此，作为传统结构材料的钢材在高性能新产品的开发与生产上面临着越来越大的挑战。而目前所用的钢材的强度还远远低于其理论应有的强度水平，所以钢材性能有很大的可能性能大幅度提升。

35CrMo合金结构钢具有很好的静力学强度、在冲击下韧性很好并且具有较高的疲劳极限，相较于40Cr钢其淬透性更优，当在高温环境工作时，蠕变强度与持久强度也很高。常用于制造承受冲击、弯扭、高载荷的各种机器中的重要零件，如石油机械中的穿孔器，汽轮发动机转子、大截面齿轮轧钢机人字齿轮、紧固件，发动机传动零件等。

电脉冲技术在材料的制备与组织性能的改善方面受到广泛关注，如细化凝固组织，电致塑性加工，快速再结晶，电脉冲改善疲劳性能，脉冲电流改善固态相变，脉冲电流非晶合金纳米晶化等。在材料研究领域中，电脉冲受到关注的原因，主要是有两个方面的优势。一是，电脉冲在瞬间对材料整体输入具有很高密度的能量并使温升的数量级达到10⁶K/s。并由于焦耳热效应，电流作用于材料自身使材料整体均匀受热升温，这有别于传统加热时工件外部较工件中心处先受热的非均匀升温的局限。而另一方面，脉冲电流在流经材料时，材料内部会产生电迁移效应、电子风冲击、电磁效应等现象。而金属组织中的位错移动、扩散、相变和再结晶等行为受这些现象的影响很深。电脉冲热与电效应的耦合作用，使材料组织发生远偏离平衡态的转变，产生了与传统热处理不同的组织变化。而在最佳参数下得到的组织都会优于传统工艺的组织。

1.2电脉冲处理对金属材料的影响

电脉冲技术在材料的制备与组织性能的改善方面的研究与应用最先开始于电致塑性的发现。随后电脉冲技术被应用于材料的多个领域，如快速再结晶，电脉冲烧结，脉冲电流细化凝固组织，脉冲电流改善固态相变，脉冲电流非晶合金纳米晶化，电塑拔丝与轧制等。电脉冲之所以受到材料领域的广泛关注是由于电脉冲能在超短时间内输入高能量，而巨大的电流密度会在材料上产生多种效应，其中包括有电致塑性、集肤效应、电迁移、电子风、焦尔热效应等^[1-4]。这些效应的共同作用下材料产生了与传统工艺所不同的变化，最终获得优于传统工艺的组织和性能。

1.2.1电致塑性效应

    在发生塑性变形时的金属通有电流或受到了电子辐射的影响，金属材料所受流变应力下降、延伸率提高的现象被叫做电致塑性效应或电塑性^[5、6]。20世纪六十年代初O.A.Troitskii首次提出，在单晶Zn拉伸时，沿单晶Zn（0001）滑移面方向施加高速电子辐照会产生流变应力减小，塑性增加的现象；但当垂直于滑移面方向施加高速电子辐照时会塑性降低，单晶Zn发生了脆性断裂现象。他随后又发现，在-196℃下对于单晶Zn的弹性变形区与应力松弛区高密度脉冲电流没有影响，但对于塑性变形区高密度脉冲电流作用下却变形应力降低，正是由此电致塑性的概念被提出^[7]。随后O.A.Troitskii又对多晶Zn、Pb、Cd和In金属进行了类似的实验，实验数据结果进一步说明了电流对金属塑性变形过程的影响，并且只有当电流密度超过某一阀值时，电脉冲提高材料塑性变形的能力才能凸显出来^[8、9]。后来科学家们进一步探究了电致塑性现象的原理并认为电子会对位错的移动产生影响。当电流密度j高于一个定值时，电子与位错之间将存在力的作用，称为电子风。而只有当位错移动速度小于电子漂移速度时，电子才会产生促进位错的现象，增加金属的塑性^[10]。

电致塑性现象被O.A.Troitskii发现之后，科学家们又进一步拓宽了对这一现象的研究。室温下对进行轧制时的W接通脉冲电流，发现脉冲电流不光可以提高其塑性同时也提高了其强度，并且织构和微观组织也得到改善。康拉德等研究人员通过对电致塑性进行了大量的研究，他们发现电流的焦耳热效应、磁致收缩效应和集肤效应等物理效应，对于改善金属变形过程中的塑性都有一定的作用^[5、11-13]。不光是电场，电脉冲产生的磁场对金属材料的塑性也有一定的影响，被称为磁致塑性现象。只要晶体材料具有磁性结构，其都能发生磁致塑性现象。磁场对材料塑性的影响机理主要有两个方面：其一，磁场能提高晶体中位错的电子阻尼；并有利于从顺磁障碍中的位错脱钉。基于磁致塑性现象，电塑性可用Molotskii建立的模型来说明^[14]。当在顺磁性中心位错的移动钉扎时，受电脉冲所产生的磁场影响，位错脱钉速度将会加快。通过该模型计算得到的磁场对电致塑性的影响结果符合实验数据结果。但该模型假定：电致塑性产生的首要原因是磁场中位错自由部分的增长；并且要求位错于顺磁相中扎钉^[15]。所以此模型能否普遍适用受到外界的怀疑。

在电脉冲或电场的作用下，材料表现出塑性比高塑性材料还高的现象被称为电致超塑性。康拉德发现了7475铝合金具有电致超塑性行为，电脉冲可使7475铝合金产生动态回复和再结晶，并促进扩散蠕变，使其表现出超塑性行为^[16、17]。李尧^[18]、李森泉等学者^[19、20]发现锌铝合金与LY12CZ具有电致超塑性的现象。在电脉冲的作用下，材料有局部出现动态回复和再结晶，最终形成等轴状的变形晶粒，因此产生材料的超塑性现象。刘志义等人^[21、22]研究了在500℃下高密度脉冲电流对2091铝锂合金产生的超塑性变形现象，建立了电脉冲作用下的超塑性变形速率方程，并发现脉冲电流可提高动态再结晶过程速率，形核晶粒尺寸减小。他认为这是因为电脉冲有利于位错墙的形成，从而促进再结晶形核，致使位于晶界上的位错消失和加速攀移，降低形核界面处的能量差，并减小了形核界面的迁移率。

1.2.2电脉冲改善金属凝固组织

金属的凝固过程对金属的组织形态和晶粒大小有着重要的影响，是减小晶粒尺寸的首要环节。所以对凝固过程中材料组织的控制以期获得更加细小的晶粒也成为当今材料制备的重要研究方向之一。在传统工艺中，提高形核率与抑制晶粒的长大是金属凝固组织细化的理论基础。其方法主要包括：1.提高过冷度，增加形核率；2.采用非均匀形核来提高形核率；3.降低晶粒生长速率。变质处理是通过引入异质形核核心以提高形核率，从而达到非均匀形核提高形核率以细化晶粒的目的；在物理细化晶粒的方法中，通过机械振动的办法破碎枝晶是用破碎的游离枝晶来作为新的优质形核核心形核，以此来提高形核核心数、细化凝固组织^[9]。

在1980年左右，科学家们在研究改善金属凝固组织的方法中使用了电流技术。米斯拉^[23]对三元共晶Pb-15%Sb-7%Sn合金与亚共晶Pb-10%Sb-3%Sn合金的凝固过程施加直流电与脉冲电流。凝固组织在直流电与脉冲电流的作用下，第二相分布的均匀性皆有所提高，并且对第二相的细化都十分有效。在直流电的作用下，亚共晶Pb-10%Sb-3%Sn合金的凝固组织基本无第二相生成，共晶组织发生了细化。日本研究者中田^[24]等人在Sn合金的凝固过程中施加电脉冲后发现，组织形态为枝晶态的凝固组织转变为球状晶，而且随电容电压的提高球状晶的数量会增加。李建明等人^[25、26]在Sn-40%Pb合金凝固过程中分别通入2.6KV与30KV的两种脉冲电流同样也得到了相似的结果，并且他们发现，共晶的生长方向与电流的方向一致。康拉德^[27]等人的研究发现证实了脉冲电流可以降低金属凝固过程中的过冷度，并能降低共晶组织的晶粒度达到一个数量级，而且电流密度越大越有利于减小凝固组织的晶粒度。李杰^[28-30]等人发现，在凝固过程中当温度高于熔点时施加脉冲电流没有晶粒细化效果，最佳的细化效果是在晶粒形核阶段施加脉冲电流，并且其效果与凝固过程全程施加脉冲电流的细化效果相近，而当电脉冲施加于晶粒长大阶段，会发生柱状晶向等轴晶的转变过程。此外，电脉冲还可以改善铸件缺陷。张福成^[31、32]等人自制了快速充电高频率高能量密度电脉冲发生装置，其放电峰值为80kA，最高充电电压可达到50KV。在利用该设备对铁基合金的凝固过程实施处理时，他们发现合金的凝固组织晶粒细化程度可达到0.6~8，达到纳米晶的水平，这也进一步证明了在凝固点附近是电脉冲处理的最佳温度。

电脉冲在凝固过程中对组织的细化作用在很多合金中都得到证实，但是其中的机理却一直都没有被完全揭示出来。A.K.Misra认为在金属凝固过程中电脉冲的细化机理主要是由于电迁移效应导致固液界面处溶质浓度增加，固液界面的稳定性降低。J.P.Nakada和H.Conard等人认为脉冲电流细化晶粒的原因是脉冲电流碎断树枝晶，即熔体在高强度脉冲电流所产生的磁致收缩下被施加了切应力，这迫使树枝晶破碎或产生部分枝晶重熔成为游离枝晶的现象。大多数学者更认可电脉冲作用下凝固组织细化是枝晶断裂机理所导致的。訾炳涛^[33-35]等人在具有较高熔化温度的LY12合金接通脉冲电流达到凝固组织细化的实验结论的基础上，认为是由于电效应与磁效应的综合作用导致了最终组织细化的结果。在凝固过程中，电磁对熔体产生了收缩切应力、搅拌切应力和冲击力的综合作用力，致使树枝晶发生断裂并最终成为游离晶，提高了组织中形核核心的数量；同时脉冲电流又能抑制晶粒长大，从而达到细化组织的目的。鄂红春等人^[36]认为，凝固过程中的组织细化机制是电脉冲的电效应与磁效应之间相互竞争的结果。在不同区域里电效应与磁效应起主导地位的因素不同。当电磁力较小时，形核核心的数量主要受电流作用影响，当形核核心的数量较小时，电磁力相对较大，致使枝晶碎断，从而产生组织细化的效果，M.Nakada和H.Conard等研究者认为凝固组织受脉冲电流作用后晶粒尺寸减小的主要原因是受电脉冲影响，由于过冷度增加，致使形核核心数目增加^[9]。周本镰和秦荣山^[37]等人根据在凝固过程中施加电脉冲作用下组织形核与晶粒尺寸，并有效的利用了经典热力学知识与连续介质电动力学理论，最终分析得出在凝固过程中电脉冲细化组织晶粒的原因是由于在电脉冲作用下凝固形核势垒降低，从而导致了电脉冲处理下形核核心数目的提高。

1.2.3电脉冲改善金属固态组织与性能

电脉冲在改善固态金属组织中具有广泛的应用，其中包括电脉冲改善金属间化合物的形成与生长，电脉冲影响固态析出相的形状与分布，电脉冲有利于非晶合金的晶化，影响经冷加工变形后的金属再结晶与晶粒长大过程^[2]。其中，电脉冲细化固态金属材料组织的作用最受科学家们的关注。郭敬东等人研究了在电脉冲作用下黄铜（H62）以及α超硬铝固态组织的改变。发现粗晶Cu-Zn合金经电脉冲处理后发生α相超细化β’却不受影响的现象^[38]。电脉冲处理低碳钢也会发生组织超细化，并发现会有纳米晶形成^[39、40]。电脉冲处理α超硬铝可形成纳米级α-Al相^[41]。赵宇光^[42、43]等人用过电脉冲处理冷轧硼钢，发现马氏体板条的大小可从400减小到150，马氏体的减小使得冷轧硼钢的抗拉强度超过2GPa，同时发现在组织中也有局部纳米晶形成。德尔维尔^[4]等研究者对0.1mm拉拔Ni-Ti丝进行电脉冲处理，他们发现脉冲电流退火工艺的最佳参数为125W/12ms，并发现通过这个参数获得的最优再结晶晶粒为尺寸为25-50nm的纳米晶，。杜^[44]等人用电脉冲处理Cu-Zn合金表面，表面形成的组织晶粒大小为20nm，但随着深度的增加，晶粒大小会逐渐变大。他们^[45]又用电脉冲处理进行了等径角挤压的AZ31镁合金，并将等径角挤压后获得的组织作为对照组进行对比，虽然两组获得的组织平均晶粒尺寸相近，但是经电脉冲处理后的试样塑性更好，综合性能也更优。清华大学的唐国翌等人进行了电脉冲对冷轧AZ31^[46-48]、AZ91^[3、59-52]、AZ61^[53]镁合金组织的影响研究。电脉冲处理冷轧AZ31镁合金后发生组织细化。试样的强度稍稍下降，但是由于变形组织的回复和再结晶，塑性大大增加。他们发现这与传统的热处理相比，电脉冲有抑制β-Mg17Al12相析出的作用。在电脉冲的热效应与点效应的共同作用下，电脉冲有提高再结晶形核率与原子扩散速率的理论基础上，他们提出了电脉冲导致快速再结晶机制。用电脉冲处理冷轧后晶粒尺寸平均为45的AZ91镁合金后，发现再结晶晶粒大小会随着脉冲电流频率的升高而逐渐减小，在获得了3的最佳晶粒尺寸后随着脉冲频率的继续增加晶粒尺寸也会逐渐增加。他们认为，电子与原子之间的相互作用所产生的热效应与点效应的耦合时电脉冲导致冷轧镁合金产生快速再结晶现象，这些效应能加快原子的扩散，并提高位错迁移速率和亚晶粒的生长速率，从而提高了再结晶速率。由于电脉冲对热力学形核势垒有降低的效果，并能提高原子扩散速率，电脉冲能成功的对β-Mg17Al12相造成溶解温度的减小并提高溶解速率。他们进一步在电脉冲的热与非热效应耦合的基础上，建立了连续使用脉冲电流对镁合金带材进行处理的温度场模型，并用模型分析了电脉冲作用下对β-Mg17Al12相溶解的热力学与动力学。