直流高密度电脉冲处理试样的温度测量

　　1　电脉冲处理

　　电脉冲处理非晶合金的设备是GM-A型多用直流电脉冲发生器,它所提供的最大输出直流脉冲电压为250 V(峰值),输出脉冲宽度为τp=40μs,输出脉冲频率范围是1.7 Hz~20 Hz。将适当几何尺寸(长度l,宽度w,厚度d)的非晶薄带通过一个铝制卡具接于电脉冲发生器的输出端。电脉冲参数之一———最大电流密度J由下式计算

　　其中,ρe为试样的电阻率,U为脉冲发生器的输出峰值电压,l为试样长度。ρe的取值用标准的四触点法在室温下进行测量计算。脉冲发生器输出电缆及试样卡具的电阻测量值约为0.002Ω,与试样电阻相比甚小,可以忽略不计,但未计及电脉冲处理过程中由于试样温度升高和结构变化可能引起的电阻率的改变。

　　由式(1)可知,通过改变试样长度或调整电脉冲发生器的输出电压即可改变最大电流密度。我们在实验中所使用的J约为比闪光退火[2~4],交流焦耳加热[5],直流焦耳加热[6,7]和PEC[8,9]等研究工作用使用的J均高出1~2个数量级。而且,上述焦耳加热方法中,通电时间Δt多为几十秒或几十毫秒的量级,尽管有时被称为“电脉冲加热(electropulseheating)”,但并非严格意义上的电脉冲,只不过是一个短时大电流,或可称之为单脉冲。而我们在实验中使用的是连续脉冲,每个脉冲宽度为τp=40μs,比上述Δt小3个~6个数量级,从这个意义上来说,我们称之为连续的直流高密度超短电脉冲。

　　2　电脉冲处理过程中试样温度的测量

　　2.1　热电偶测温

　　选用k型(NiCr-NiSi)热电偶,电偶丝的直经为0.07 mm。将热电偶点焊于薄带表面之上,电脉冲过程中,试样温度由数字温度计显示。测量结果表

明,通常条件下,试样可在几秒至十几秒内达到稳定的温度,根据数字温度计的读数显示来确定试样的平均温度。由于电流是脉冲式的,它所产生的焦耳热造成的试样温升在平均温度上存着起伏和涨落。又因热电偶对温度的响应时间大于电脉冲宽度,所以热电偶丝不可能跟踪记录下每个脉冲造成的瞬间温度,但可以捕获其中的部分高温信号,给出最大温度起伏,试样温度随时间的涨落如图1所示。

　　电脉冲处理过程中试样温度测量需要解决的另外一个问题是要明确试样温度是否是均匀的。为此,我们进行了如下的测量,如图2所示,将多支相同的热电偶分别点焊于试样的不同位置,同时测量试样的温度。测量结果表明,沿试样纵向的3支热电偶(图2(a))测得的温度值分别为TⅠ:336℃~374℃,TⅡ:340℃~370℃和TⅢ:342℃~375℃,可以认为,3支热电偶测出的温度完全一致,即沿试样纵向的温度是均匀的,但当热电偶Ⅰ和Ⅲ接近卡具约5 mm处,则测量温度显著降低;沿试样横向的2支热电偶(图2(b)),测得的温度值分别为TⅠ: 340℃~370℃和TⅡ: 335℃~367℃,即试样横向的温度也是均匀的。这表明,除卡具附近(约5 mm),整个试样在电脉冲期间由热电偶测得的温度是空间均匀的。