基于脉冲电流下位错演化行为的中锰钢塑性失稳抑制机理研究

20250112

制造业

一、技术成熟程度 作为汽车轻量化关键材料的中锰钢，因其高强度、优异的延伸率和相对较低的生产成本而备受关注。然而，中锰钢在塑性变形过程中出现的吕德斯效应（Lüders effect）和PLC效应（Portevin-Le Chatelier effect）一直是制约其产业化应用的关键瓶颈问题。针对这一难题，本项目团队在北京市自然科学基金的资助下，经过深入研究与实践，成功开发出了脉冲电流辅助中锰钢变形过程塑性失稳抑制技术。 实验室环境下，实验数据批次稳定性高，挤压、拉伸等多种变形行为下脉冲电流辅助加工技术均能有效克服中锰钢的塑性失稳现象，削弱吕德斯效应、消除PLC效应，验证了技术的可靠性与可重复性。针对不同成分、规格的中锰钢、铝合金样本测试，结果也呈现出良好的一致性，标志着技术已适配中锰钢、铝合金等多种金属材料。 二、工艺与性能指标参数 （1）脉冲电流参数：为实现最佳的塑性失稳抑制效果，本项目团队经过大量实验，确定了最佳的脉冲电流参数范围。具体来说，脉冲电流的频率为1-200Hz，脉宽为20μs-1ms，占空比为0.02%-5%，峰值电流密度为1-100A/mm??。这套精细参数体系，为工业化应用提供了标准化操作蓝本，企业依此能快速搭建适配生产线，减少了工艺摸索周期。 （2）材料性能指标：经脉冲电流辅助变形的中锰钢，比同等温度下热处理的中锰钢延伸率高。在塑性加工性能上优势突显，能够有效规避产品表面因塑性失稳产生的条带状褶皱、裂纹等缺陷，保障材料表面质量和结构稳定性，提升材料性能均匀性和成品良品率，全面契合汽车轻量化对关键材料高强度、高延伸率的严苛要求。 （3）生产工艺：在生产过程中，本项目团队采用了先进的生产设备和技术手段，确保了脉冲电流辅助变形处理的稳定性和可靠性。同时，还制定了详细的生产工艺流程和操作规范，以确保每一步操作都符合技术要求，从而保证了最终产品的质量和性能。 三、科技成果转化所处阶段 目前，本项目所开发的脉冲电流辅助变形抑制塑性失稳技术已经完成了实验室阶段的研发工作，处于从实验室迈向产业化的关键过渡阶段。 技术的应用场景拓展也在稳步推进中，不仅适用于汽车用中锰钢，对铝合金、不锈钢等多种金属结构材料的塑性失稳现象也具有明显的抑制作用。拓宽了技术受众范围，吸引了更多相关产业关注。不过，距离大规模产业化推广仍需完善部分配套环节，比如：适配大规模生产的脉冲电流设备的优化升级，以契合长时间、高强度生产需求；成本核算体系还需细化，确保新技术融入生产全流程后，企业成本可控，经济效益显著提升。 综上所述，本项目所开发的脉冲电流辅助变形抑制塑性失稳技术已经具备了较高的技术成熟度和良好的应用前景。随着该技术的不断推广和应用，相信将对我国汽车轻量化产业的发展和制造业的转型升级产生积极的推动作用。同时，该技术也符合我国低碳经济的发展需求，为实现“碳达峰和碳中和”目标提供了有效的技术支撑。

当前，工业制造领域在面对材料变形过程中塑性失稳难题时，手段极为匮乏。在此背景下，本团队在北京市自然科学基金对《基于脉冲电流下位错演化行为的中锰钢塑性失稳抑制机理研究》项目的大力资助下，取得了突破性的科研成果——脉冲电流辅助变形过程塑性失稳抑制技术。 针对中锰钢这一广泛应用却深受塑性失稳困扰的关键材料，在其挤压、拉伸等常见变形过程中创新性地引入了脉冲电流辅助加工技术。经大量实验验证，在优选的脉冲电流参数下，该技术展现出了卓越效能：不仅能有效克服中锰钢变形中的塑性失稳现象，还能削弱吕德斯效应、彻底消除PLC效应，使中锰钢的延伸率远超同等温度下的传统热处理水平，塑性加工性能实现质的飞跃。 为共同推动这一前沿技术成果转化落地，对拟合作方在以下方面有着相应的合作需求： 资金方面：希望合作方能够提供百万元的专项成果转化资金，用于金属材料电磁调控装备的构建、现有设备的连接配件采购以及后续研发等关键环节。这笔资金将保障从实验室技术迈向产业化生产的平稳过渡，确保各项工作有序推进。 场地方面：若合作方为企业，需提供面积不低于300平方米的专用生产场地，以安置脉冲电流辅助加工设备及配套设施，场地应具备完善的电力供应、通风散热条件，满足安全生产标准，确保新技术能在适宜的环境中高效实施。对于科研机构合作，应提供不小于150平方米的实验场地，用于开展拓展性研究及小试、中试实验，场地需配备基础的材料分析、性能检测仪器空间。 设备方面：合作方需拥有或愿意购置与脉冲电流技术适配的基础加工设备，如高精度挤压机、拉伸机等，且设备应具备数字化控制功能，以便精准协同脉冲电流参数调控，实现最佳加工效果。 人员方面：企业合作方应配备不少于2名具有材料加工、电气自动化等相关专业背景的技术人员，负责日常生产操作、设备维护以及工艺优化，确保新技术在生产线上顺畅运行。科研机构合作方则需组织一支跨学科团队，与我方团队紧密协作，深挖技术潜力，攻克技术在不同应用场景下的难题。 一方面，期望与钢铁制造企业携手，将脉冲电流辅助变形技术无缝嵌入现有的中锰钢生产加工流水线，革新传统工艺，助力企业大幅提升产品质量，降低废品率，抢占高端钢材市场先机；另一方面，欢迎科研机构加盟，凭借各方优势资源，进一步深挖该技术在其他合金材料领域的拓展应用潜能，联合攻克更多材料学难题，共创产学研用协同发展的新局面。

仅限国内转让

关于脉冲电流抑制中锰钢塑性失稳技术转化的预期效益如下： 经济效益方面： 1）汽车产业成本削减：中锰钢作为汽车轻量化关键材料，因塑性失稳问题限制了其大规模高效应用。本技术攻克该难题，使得中锰钢能稳定用于汽车关键构件。汽车制造商采用中锰钢，得益于其较低生产制造成本，可降低整车原材料加工成本，在竞争激烈的汽车市场，成本优势将转化为价格竞争力，助力车企扩大市场份额，带动营收增长。 2）金属加工产业增值：这项绿色低碳新技术适用于多种金属结构材料，如低碳钢、中锰钢、铝合金等。金属加工企业引入该技术，能减少废品率、提升产品质量以及精密构件良品率，拓展高端精密金属构件业务，提升产品附加值，创造新的利润增长点，每年有望为企业增收上千万元。 3）市场竞争力提升：我国掌握此项国际先进技术，将改变高端汽车用钢依赖进口的局面，国产高性能汽车用钢不仅满足国内需求，还能抢占国际市场份额。 社会效益方面： 1）节能减排助力双碳目标：技术以物理方式显著减少能源消耗与碳排放，在金属加工流程中，可显著降低单位产品能耗。大规模应用后，可削减碳排放，为“碳达峰和碳中和”目标做出实质贡献，契合首都及全国节能减排需求，优化能源结构，改善生态环境。 2）带动就业与人才培养：技术推广促使上下游产业扩容，从新材料研发、金属加工到汽车制造，产业规模扩大将催生专业技术人员的就业岗位。同时，跨学科技术需求刺激高校、科研机构培养材料学与电磁冶金交叉专业人才，为行业持续注入创新活力。 3）提升行业技术水平：本科技成果克服行业技术难题，为金属加工领域提供新思路与通用解决办法，促使国内冶金、汽车制造等行业向绿色、智能方向转型升级。 4）保障产业供应链安全：过去高性能汽车用钢依赖进口，易受国际形势冲击。如今自主研发技术实现国产替代，稳固汽车关键构件材料供应链，保障汽车产业稳定生产，抵御外部风险，为我国制造业自主可控发展筑牢根基。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

一、科技成果来源 作为汽车轻量化关键材料选择之一的中锰钢，因具备较高的强度、优异的延伸率和较低的生产制造成本被国内外学者广泛研究。然而，中锰钢在塑性变形过程中会发生明显的塑性失稳现象，即吕德斯效应(Lüders effect)和PLC效应(Portevin-Le Chatelier effect)。Lüders带与PLC带的形核与传播会在产品表面产生条带状褶皱，恶化材料的表面质量，甚至产生裂纹，减弱材料的结构稳定性，造成材料的过早失效，加工过程中的塑性失稳已成为中锰钢产业化生产的关键限制性环节。因此，在汽车轻量化趋势下，如何改善中锰钢局部塑性失稳现象已成为国际前沿热点课题，也是亟需攻克的技术难题。亟需开发一种能够调控中锰钢组织结构的绿色、高效、原位加工处理新技术，以实现吕德斯效应和PLC效应的同步抑制。 针对中锰钢变形过程塑性失稳难以抑制的问题，在北京市自然科学基金对《基于脉冲电流下位错演化行为的中锰钢塑性失稳抑制机理研究》项目资助下，本团队提出了脉冲电流辅助变形过程塑性失稳抑制技术，对中锰钢在挤压、拉伸变形过程中采用脉冲电流辅助加工技术，可有效克服中锰钢变形过程中的塑性失稳现象。 二、技术原理 在优选的参数下，脉冲电流辅助中锰钢变形过程可以抑制吕德斯效应和PLC效应，相比同等温度下热处理，脉冲电流处理后的中锰钢延伸率更高，具备更好的塑性加工性能。其技术原理在于：在双相TRIP钢变形过程中施加脉冲电流，通过电子与原子的交互作用以及电子风力的作用影响减小了奥氏体中位错密度，促进了铁素体的交叉滑移来改善晶界处应力集中，进而减缓了变形过程中奥氏体向马氏体的转变速率，实现双相TRIP钢的塑性提高。 三、关键性技术指标 针对双相组织为奥氏体和铁素体的TRIP钢种，在变形过程中进行脉冲电流处理，脉冲电流参数为频率1??200Hz，脉宽20μs??1ms，占空比为0.02％??5％，峰值电流密度1??100A/mm2，以解决中锰钢塑性变形过程中Lüders效应和PLC效应的塑性失稳问题。 四、应用前景 低碳钢、不锈钢、TWIP/TRIP钢、AlMg合金、镍基合金、高熵合金等金属结构材料在高温、低温、变形、蠕变、疲劳以及高速冲击等特定服役环境下，尤其是在精密金属构件变形加工过程中，出现塑性不稳定的现象，引起材料表面质量差、性能不均匀的负面影响，采用本项目成果技术来抑制金属材料塑性变形过程中的塑性失稳现象。 面向国家重大需求和行业领域壁垒技术难题，迎合新时代下冶金绿色、智能发展规划潮流，本项目将材料学与电磁冶金学科交叉融合，聚焦电磁场下的汽车关键构件材料变形过程中微观结构演化行为，开发了一种利用脉冲电流辅助汽车轻量化关键材料处理加工的绿色低碳新技术，攻克了塑性失稳约束高性能中锰钢产业化应用的国际性瓶颈问题，脉冲电流抑制中锰钢塑性失稳技术具备了国际先进性。以物理方式实现显著减少能源消耗、碳排放，缩短工艺流程，是一种绿色、高效、节能的电磁调控新技术，在金属加工领域具有良好的生态效益。提出的电辅加工技术为我国在汽车用钢领域的高质量、高性能金属材料精密加工的发展奠定坚实的理论基础、开辟新的技术途径，为高端汽车用钢减量化和低碳发展开创了新路径。该科技成果的推广应用是在“碳达峰和碳中和”目标指导下从输出端抑制碳排放增长的有效方案，符合首都地区节能减排的迫切需要，符合我国低能耗、低污染的生产战略，符合我国低碳经济的发展需求。