武汉理工大学华林教授团队在Progress in Materials Science上发表综述论文

近期，武汉理工大学华林教授团队与澳大利亚伊迪斯科文大学（Edith Cowan University）张来昌教授合作，在国际学术期刊Progress in Materials Science（IF=33.6）上发表综述论文“Electromagnetic treatment enhancing performance of metal materials: A review，153（2025）101488”，这是华林教授团队在总结近二十年研究成果基础上，首次对电磁处理方向内涵、研究思路和国内外研究进展进行详细评述和展望。该论文以武汉理工大学为第一完成单位和第一通讯单位，谢乐春教授和孙洪鑫博士生为共同第一作者，华林教授和张来昌教授为共同通讯作者。

金属材料因其优异的性能，在建筑、交通、医疗设备等众多工业和技术领域发挥着不可替代的作用。金属材料的力学性能（如强度、韧性、硬度等）和物理性能（如导电性、导热性等）与其微观结构密切相关。微结构通常包括晶粒尺寸、晶界、相组成、缺陷、再结晶、织构等，这些微结构特征都会影响金属材料的性能。通过控制和优化微结构，可以显著提升金属材料的整体性能。

热处理是优化金属材料性能最常见的处理方法。然而，对于大尺寸或复杂形状构件，热处理过程均匀性是一个重要考量。在热处理过程中，材料可能因热应力发生变形，从而导致损伤缺陷和高应变区域，缺陷修复和局部高应变区的均匀化具有挑战性。此外，热处理在某些实际工况下也面临挑战。因此，寻求节能高效的处理方法来优化金属材料微结构并完善热处理不足具有重要意义。

作为一种高效清洁的处理技术，电磁处理（包括电场处理、磁场处理以及电磁场的耦合处理）具有高传输速率和能量通量密度的特点，能够将能量传递至金属材料的原子尺度，从而影响其微结构和力学性能。电磁处理技术已在汽车制造、医疗设备、能源工业、机械制造、精密部件、半导体和造船等重要领域得到应用。电磁处理是材料科学与工程、机械工程领域的研究热点。然而，电磁处理作用机制十分复杂，目前仍缺乏系统性的文献对其进行全面综述。尽管过去几十年在金属材料电磁处理方面取得了重大进展，但仍缺少涵盖机理、微观结构、性能、加工工艺等多方面的综述文章。因此，对电磁处理在金属材料微结构调控和性能提升方面的影响机制、微结构变化、性能对比和实际应用进行总结分析，对该领域发展具有非常重要意义。

本文首先研究了电磁场与金属材料相互作用潜在机制，包括热效应和非热效应；其次，探讨了电磁场对金属微观结构多方面的影响，如晶粒尺寸、相组成、位错密度和缺陷修复等；此外，分析了电磁处理对金属性能的影响，包括抗拉强度、疲劳抗力、耐磨性能、冲击韧性、耐腐蚀性等；最后，揭示了电磁处理技术在优化金属材料工业应用方面的巨大潜力，并指出面临的挑战和未来研究方向。

电磁处理的特征包括电磁处理的能量生成与传递、靶向性、极端时空尺度特性、缺陷修复等，如图1。电磁处理的作用机制主要包括热效应和非热效应：热效应主要指焦耳热效应和热应力效应；非热效应则包括一系列不依赖材料加热的物理现象，如电子风效应，集肤效应，磁致振动效应，磁畴演变，磁致伸缩效应，电子自旋，位错脱钉等，如图2。

图1 电磁处理的特征

图2 电磁处理的潜在机制

电磁处理能够诱导金属材料微观结构的多维演变，包括晶粒尺寸与晶界变化、相变与相组成演化、缺陷演变、再结晶行为、织构演变以及应力应变分布等。作为一种非接触式外场调控手段，电磁场可在不改变构件尺寸的前提下高效、环保地调控金属材料的微观结构与力学性能。研究表明，电磁场作用可改变液态金属形核条件，同时通过电磁搅拌效应实现晶粒细化。电磁场的方向与相对磁导率对晶粒生长和织构演变具有显著影响。特定取向晶粒在电磁场作用下会呈现择优生长特性。钉扎障碍与位错产生的自由基对在电磁场作用下可从S态转变为T态，从而提升位错运动能力并增强材料塑性。电磁场对晶粒生长的调控呈现双重效应：动态电磁场在某些条件下促进晶粒长大，而在其他条件下则抑制晶粒生长。此外，电磁场可促进位错胞或亚晶界形成，其诱导的结构松弛效应能促使自由体积空位湮灭，为缺陷修复提供形核与扩展条件。电磁处理能够有效修复材料内部孔隙并降低孔隙率，消除材料内部缺陷，大幅延长构件服役寿命，如图3。多种金属材料经电磁处理后孔隙直径显著减小，材料孔隙率也呈现明显下降趋势。微观结构改善对材料性能提升具有重要影响。

图3 电磁处理前后孔隙直径和孔隙率变化

电磁处理对金属材料力学性能具有显著影响。对于非铁磁性材料（如钛合金、铝合金、镁合金和铜合金），通常采用电流处理来优化其性能。相比之下，对于铁磁性材料（如铁合金和镍基合金），磁场处理在性能优化方面更为有效。电流密度、磁场强度、磁场方向和处理持续时间是通过电磁处理影响金属材料性能的主要因素。

磁场通过稳定位错、缓解残余应力和改变晶界形态来提高金属材料的疲劳抗力。短期的高强度磁场可迅速消除表面残余应力，而长时间的处理可能会导致应力重新分布。不同方向磁场对材料性能的影响各不相同。对于具有磁各向异性的材料，磁场方向会诱导晶粒沿特定结晶轴择优取向，实现更为显著的性能优化。磁性材料应优先使磁畴与应力释放方向一致。非磁性材料则需要利用磁场方向来诱导晶粒取向优化。

耐磨性的提高归因于更细小碳化物的形成、更低的摩擦系数以及自润滑膜的产生。过高的电流密度可能会导致粘着磨损，破坏氧化膜的稳定性。当磁场方向垂直于摩擦表面时，它会促进氧化层的致密化，减少磨粒磨损。当磁场平行于摩擦方向时，会加剧磨屑的横向扩散，导致形成多孔氧化膜。

耐腐蚀性的改善源于晶粒细化、电化学效应的减弱以及致密钝化膜的形成。低强度磁场可以抑制点蚀，使腐蚀产物层更加致密。相反，高强度磁场可能会加速钝化膜的破坏并加剧腐蚀。短期的电磁处理有助于稳定钝化膜，迅速消除表面残余应力，并抑制腐蚀裂纹的萌生。非磁性材料在磁场中可能会由于电化学活性增加而加速腐蚀。这些机制的协同作用全面优化了金属材料的强度、韧性和耐久性。电磁处理前后拉伸性能、疲劳寿命、耐磨性能、冲击韧性以及抗腐蚀性能的变化如图4-图8所示。

图4 电磁处理前后金属材料拉伸性能变化

图5 电磁处理前后金属材料疲劳寿命变化

图6 电磁处理前后金属材料耐磨性能变化

图7 电磁处理前后金属材料抗冲击韧性变化

图8电磁处理前后金属材料抗腐蚀性能变化

电磁处理提升金属材料性能的优势，也体现在材料制备、成形和加工过程中。在材料制备方面，电磁场辅助烧结技术可利用电磁场加热并促进粉末材料致密化。在材料加工方面，电磁处理技术已成功拓展至切削、磨削、钻孔、焊接、烧结、涂层、塑性成形等多种工艺，如图9。在材料成形方面，电磁成形技术在保持成形精度的同时可以大幅提高成形极限，如图10。此外，电磁处理在增材制造中的应用可改善熔池内的流动行为和传热过程，可提升冶金质量与凝固微结构的控制，减少传统增材制造过程中常见的诸如气孔、裂纹和元素偏析等缺陷。它还能有效地降低残余应力，提高残余应力分布均匀性，如图11。电磁处理技术已在材料制备、材料加工、材料成形、增材制造等领域实现应用。

图9 电磁处理在材料加工中的应用

图10 电磁处理提高成形极限和最大减薄率

图11 电磁处理前后残余应力变化以及电磁处理对增材制造零部件残余应力的影响

作为材料加工和性能优化领域的前沿方向，电磁处理表现出广泛的应用前景。该技术的发展有望为材料加工和制造带来革命性影响，提供更高效、经济且环保的解决方案。随着对电磁场与金属材料之间相互作用及关系的深入理解，电磁处理技术有望在提高材料塑性、增强力学性能以及实现精密加工等方面发挥更为重要的作用。特别是在运载装备制造、医疗器械、精密工程等领域，电磁处理技术都具有巨大的应用潜力。未来，通过进一步的创新和研发，电磁处理有望能够实现更高效、更环保的加工技术，同时为新材料的开发和现有材料性能的提升提供更多新途径。

该研究工作得到国家重点研发计划项目，国家自然科学基金等项目支持。

文章引用：L. Xie, H. Sun, Y. Wen, L. Hua *, L.-C. Zhang *, Electromagnetic treatment enhancing performance of metal materials: A review，Prog. Mater. Sci. 153（2025）101488.

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101488