丁俊豪，李恒,*，邊天軍，馬俊

1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072 2.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 材料成型及控制系,西安 710072

航空、航天等領(lǐng)域高端裝備對(duì)大運(yùn)力、低能耗和長(zhǎng)壽命等需求的日益增加，迫切要求其關(guān)鍵構(gòu)件要同時(shí)從材料和結(jié)構(gòu)上滿足高性能、輕量化和高功效[1]。而鋁合金、鎂合金、鈦合金和高溫合金等輕質(zhì)高強(qiáng)材料的室溫成形性能有限[2]，屬于典型的難變形材料；同時(shí)，大口徑薄壁、高筋薄腹及大型薄壁異形[3]等輕量高效結(jié)構(gòu)均屬于難成形結(jié)構(gòu)。如何提高上述難變形材料難成形結(jié)構(gòu)的成形潛力，實(shí)現(xiàn)其形性一體化協(xié)同制造是當(dāng)前國(guó)際塑性加工領(lǐng)域研究的前沿及難點(diǎn)問(wèn)題。

金屬等材料在加載電流后其成形性能發(fā)生了顯著變化，如塑性提高、變形抗力降低，該現(xiàn)象稱為電塑性效應(yīng)[4](Electroplastic Effect，EPE)。EPE是1963年Troitskii和Likhtman[5]在研究鋅單晶單軸拉伸時(shí)發(fā)現(xiàn)的，電子束沿滑移系方向照射時(shí)，試樣的流變應(yīng)力降低、延伸率增加。隨后，Troitskii[6]和Roh等[7]研究了電流密度、頻率以及能量密度對(duì)材料流變應(yīng)力[8-9]、蠕變[10]、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等材料變形行為的影響。將電塑性效應(yīng)應(yīng)用到傳統(tǒng)塑性加工過(guò)程中的工藝稱為電流輔助成形(Electrically-assisted Forming，EAF)工藝。相比于傳統(tǒng)成形工藝，EAF在增加材料塑性、提高成形極限的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)材料組織性能控制，且該工藝具有加工道次少、生產(chǎn)周期短和設(shè)備使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，電流輔助成形工藝為上述輕質(zhì)高強(qiáng)材料和輕量高效結(jié)構(gòu)的形性一體化成形制造提供了一種極具前景的新途徑。

圖1 電塑性領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量及研究涉及材料(關(guān)鍵詞：electroplastic，數(shù)據(jù)來(lái)源于Web of Science)
Fig.1 Number of papers published in the field of electroplasticity and involved materials (Keyword: electroplastic, data from Web of Science)

如圖1所示，20世紀(jì)60年代以來(lái)，各國(guó)學(xué)者在EPE和EAF方面針對(duì)Al、Mg及Ti等金屬材料開展了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。采用的電流類型有直流電流、直流脈沖和交流脈沖。

EPE機(jī)理研究困難，材料加載電流時(shí)可能發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶及微觀缺陷修復(fù)等組織和性能的復(fù)雜轉(zhuǎn)變。目前，EPE機(jī)理研究方面主要存在焦耳熱效應(yīng)、電子風(fēng)效應(yīng)及磁效應(yīng)3種假說(shuō)，但缺乏可靠精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。電流輔助成形工藝目前主要有電塑性拔絲、軋制和拉深等，其熱、力、電耦合成形過(guò)程物理現(xiàn)象復(fù)雜、影響因素眾多以及成形參數(shù)難以控制，使研發(fā)極具挑戰(zhàn)性。圖1表明，由于對(duì)高性能輕量化復(fù)雜構(gòu)件形性一體化成形制造的迫切需求和電流對(duì)材料成形性能獨(dú)特而顯著的影響以及EPE在金屬塑性加工中的應(yīng)用潛力，2010年以來(lái)，有關(guān)EPE及EAF的研究已成為國(guó)內(nèi)外材料和成形制造領(lǐng)域的一個(gè)前沿和熱點(diǎn)方向。在EPE和EAF方面的研究成果，為發(fā)展先進(jìn)的難變形材料難成形結(jié)構(gòu)精確塑性加工工藝提供了理論指導(dǎo)。

鑒于上述分析，本文分析討論了EPE和EAF的國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)。首先綜述了EPE作用機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究方法的進(jìn)展，然后總結(jié)分析了焦耳熱效應(yīng)、電子風(fēng)效應(yīng)及磁效應(yīng)等EPE作用機(jī)理的研究動(dòng)態(tài)，并從回復(fù)、再結(jié)晶、相變及微觀缺陷修復(fù)等方面探討了電流處理對(duì)材料的組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律和作用機(jī)制，以此分析了機(jī)理研究中存在的不足；在此基礎(chǔ)上，對(duì)EAF工藝方面的最新研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行了綜述，針對(duì)EPE應(yīng)用于難變形材料難成形結(jié)構(gòu)EAF工藝創(chuàng)新發(fā)展的趨勢(shì)，探討了EPE機(jī)理研究尚待解決的科學(xué)問(wèn)題、EPE驅(qū)動(dòng)EAF工藝創(chuàng)新及工業(yè)化應(yīng)用所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 電塑性效應(yīng)研究動(dòng)態(tài)

1.1 電塑性效應(yīng)測(cè)試表征實(shí)驗(yàn)方法

材料在電流輔助加載條件下，其微觀組織及性能演變復(fù)雜，涉及電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)和力場(chǎng)的耦合作用，受到材料本身屬性、電流參數(shù)、溫度及應(yīng)變分布等熱、力、電多種因素影響，電塑性機(jī)理復(fù)雜。因此，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)可靠精確的電塑性效應(yīng)測(cè)試表征實(shí)驗(yàn)方法，是探索電塑性機(jī)理并發(fā)展電流輔助成形工藝的前提。按電流加載方式將實(shí)驗(yàn)分為變形-電流異步加載和變形-電流同步加載兩類，分別討論了在上述兩種加載方式下電流輔助拉伸、壓縮和彎曲等不同條件下的電塑性效應(yīng)研究方法方面的進(jìn)展。

1.1.1 變形-電流異步加載

圖2 脈沖電流輔助拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線
Fig.2 Stress-strain curves of electropulsing assisted tension

異步加載方式下變形和電流處理兩個(gè)過(guò)程分離，首先對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)加載，使其產(chǎn)生一定的塑性變形，再對(duì)試樣做電流處理，采用的電流有恒直流電流和脈沖電流。異步加載涉及電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的耦合作用，主要用于研究電流對(duì)變形后材料組織形態(tài)和性能的影響。Ye等[11]研究了脈沖電流頻率對(duì)冷軋純鈦板力學(xué)性能的影響，材料經(jīng)冷軋后變形儲(chǔ)能升高，在140 A/mm2的脈沖電流處理下發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶，延伸率大幅提高，如圖2所示。圖中CR為冷軋獲得的原始試樣，EPT4、EPT8及EPT10分別表示經(jīng)過(guò)220、300及340 Hz脈沖電流處理后的試樣。

材料塑性變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同形式和不同程度的損傷，如位錯(cuò)、各種尺寸的微裂紋和微孔洞等。加載電流時(shí)能修復(fù)部分材料損傷，采用顯微硬度、電阻及彈性模量等參量可對(duì)材料損傷進(jìn)行表征，以反映電流處理前后材料性能的變化。宋輝[12]對(duì)發(fā)生8%預(yù)變形的TC4鈦板加載5 000 A/mm2的高能脈沖電流，材料中的形變損傷得到部分修復(fù)，總延伸率提高到20%以上。Ye等[13]研究發(fā)現(xiàn)預(yù)變形后的TC4鈦板經(jīng)脈沖電流(185～375 A/mm2)處理后顯微硬度降低、塑性提高。Qiao等[14]采用電阻法對(duì)脈沖電流處理前后 2024 T4鋁合金形變損傷進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)拉伸變形后的鋁合金電阻明顯增加，經(jīng)脈沖電流處理后電阻減小。

1.1.2 變形-電流同步加載

當(dāng)變形與電流同步加載時(shí)，電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)和力場(chǎng)相互耦合，加載不同形式電流時(shí)，材料的變形行為差異顯著。根據(jù)電流作用效果同步加載方式又可分為低頻脈沖電流同步加載和直流或高頻脈沖電流同步加載兩類。

1) 低頻脈沖電流同步加載

圖3 試樣在加載脈沖電流時(shí)典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
Fig.3 Typical engineering stress-strain curves of the samples with application of electropulsing

試樣在單軸拉伸的同時(shí)加載低頻脈沖電流，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)典型的鋸齒狀[7]，如圖3所示，圖中T和B分別為脈沖電流導(dǎo)通段的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻。脈沖電流密度為120 A/mm2，脈沖寬度為0.5 s，脈沖間隔為30 s。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是脈沖電流頻率較低，溫度始終處于非穩(wěn)定狀態(tài)。在每個(gè)脈沖周期內(nèi)，溫度會(huì)先升高再降低，由于熱膨脹導(dǎo)致拉應(yīng)力出現(xiàn)短暫的松弛[15]。Roh等[7]研究了低頻脈沖電流對(duì)鋁合金變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)材料變形抗力降低，延伸率增加，且只有當(dāng)材料發(fā)生一定變形量后，脈沖電流對(duì)材料性能才有明顯的影響。該方式下，由于加載電流時(shí)間較短，整個(gè)變形階段試樣保持較低的溫度，焦耳熱效應(yīng)對(duì)材料的塑性變形行為影響較小。

2) 直流或高頻脈沖電流同步加載

在變形的同時(shí)加載直流或者高頻脈沖電流，該加載方式下等效電流較大，材料焦耳熱效應(yīng)顯著。在整個(gè)變形階段，試樣保持較高溫度，導(dǎo)致材料發(fā)生軟化，使其變形抗力降低，延伸率大幅提高[16]。如圖4所示[17]，其單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和高溫拉伸曲線相似，圖中J為電流密度，Tmax為試樣加載電流時(shí)中心位置的溫度。

圖4 AZ31鎂合金不同電流密度下拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線
Fig.4 Variations of stress-strain curves of AZ31 alloy specimens with various current densities

圖5 試樣經(jīng)脈沖電流處理后的回彈
Fig.5 Springback of the samples with various electropulsing

彈性應(yīng)變是材料內(nèi)部晶格發(fā)生彈性變形引起的，在外界約束去除后發(fā)生彈性回復(fù)。通過(guò)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)可研究電流對(duì)回彈的影響。如圖5所示，隨著電流的能量密度由0.41 J/mm3增加到1.15 J/mm3，試樣的回彈量逐漸減少[18]。Salandro等[19]在304不銹鋼三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)電流處理，回彈量減小了77%。在Al-6111鋁合金薄帶彎曲回彈實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電流密度超過(guò)120 A/mm2時(shí)，回彈完全消除。材料加載電流時(shí)，內(nèi)部組織能迅速獲得大量能量，加劇位錯(cuò)、空位的運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)晶格畸變的消除及彈性應(yīng)變向塑性應(yīng)變的轉(zhuǎn)變。因此，電流的加載使回彈量大幅減小。

圖6 不同壓縮條件下的試樣形貌
Fig.6 Macro morphology of specimens under different compression conditions

圖7 鈦合金不同電流密度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
Fig.7 Titanium stress-strain curves with various current densities

Ross等[20]比較了TC4鈦合金在室溫加載、恒直流加載和等溫?zé)釅嚎s加載下的變形行為，如圖6所示，從左至右依次為室溫加載、等溫?zé)釅嚎s加載和恒直流加載。發(fā)現(xiàn)相對(duì)于室溫加載，等溫?zé)釅嚎s時(shí)材料塑性雖有所提高，但還是明顯低于電流加載下試樣的塑性。Perkins等[21]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)加載的電流密度大于某一閾值時(shí)，才會(huì)具有明顯的電塑性效應(yīng)。圖7為鈦合金壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，當(dāng)電流密度達(dá)到19.7 A/mm2時(shí)，塑性大幅提高，流變應(yīng)力明顯降低。

Salandro等[22]研究了材料電流閾值與阻值之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)電流閾值隨著阻值增加而降低。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能有：① 電阻隨著材料中缺陷數(shù)量增加而提高，電子與缺陷交互作用加強(qiáng)，從而使材料的性能發(fā)生顯著變化；② 電阻增加時(shí)，材料更容易發(fā)熱進(jìn)而軟化。因此，該關(guān)系在一定程度上也反映出焦耳熱效應(yīng)可能是材料產(chǎn)生電塑性的主要因素。

1.1.3 電塑性效應(yīng)分離實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

電塑性效應(yīng)機(jī)理是國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直關(guān)注的問(wèn)題，但由于電流處理時(shí)現(xiàn)象的復(fù)雜性，其機(jī)理尚無(wú)定論。目前，電塑性效應(yīng)機(jī)理主要分為3類：① 焦耳熱效應(yīng)，由焦耳熱導(dǎo)致的材料軟化使其塑性提高；② 電子風(fēng)效應(yīng)，加載電流時(shí)材料中定向移動(dòng)的電子與位錯(cuò)的交互作用使其塑性提高；③ 磁效應(yīng)，加載高頻電流時(shí)激發(fā)出的磁場(chǎng)使材料塑性提高。其中，焦耳熱影響最為顯著，為將焦耳熱和其他影響因素分離研究，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用的方法主要分為2類：

1) 對(duì)比加載電流時(shí)的試樣和傳統(tǒng)加熱條件下等溫試樣的變形行為。由于受溫度測(cè)量精度和加熱速率的限制，該方法不適用于溫度變化劇烈的高能脈沖電流處理。

圖8(a)所示為等溫?zé)崂鞂?shí)驗(yàn)裝置，采用熱電偶及溫度箱對(duì)試樣溫度進(jìn)行采集和調(diào)節(jié)；圖8(b)為脈沖電流輔助拉伸實(shí)驗(yàn)裝置，利用紅外熱像儀及電風(fēng)扇采集和調(diào)節(jié)溫度，圖中VSG和ITIC分別為視頻應(yīng)變測(cè)量?jī)x和紅外熱像儀，TC1、TC2和TC3為3個(gè)熱電偶，F(xiàn)為拉伸力。Xie等[23]采用該裝置研究了DP980高強(qiáng)鋼的電塑性效應(yīng)。

2) 采用風(fēng)冷或液氮使試樣保持較低溫度以排除焦耳熱對(duì)材料的影響，從而研究電塑性效應(yīng)的其他機(jī)制對(duì)材料變形行為的影響規(guī)律。

圖8 等溫拉伸及電流輔助拉伸實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
Fig.8 Schematic of isothermal tensile test and electrically-assisted tensile test

圖9 電流輔助拉伸實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
Fig.9 Schematic of electrically-assisted tensile test

如圖9所示，電流輔助拉伸過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，采用厚度為127 μm的試樣以提高冷卻速度。利用數(shù)字散斑測(cè)量?jī)x及紅外熱像儀采集應(yīng)變和溫度信息[24]。Goldman等[25]將金屬冷卻至4.2 K，材料呈超導(dǎo)狀態(tài)，進(jìn)而研究其力學(xué)性能。

1.2 電塑性效應(yīng)機(jī)理

1.2.1 焦耳熱效應(yīng)

金屬材料在加載電流時(shí)溫度升高，材料發(fā)生軟化，導(dǎo)致變形抗力降低，塑性提高。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)中抑制材料溫升時(shí)，電塑性效應(yīng)均有不同程度的減弱甚至消失[24]。因此，部分觀點(diǎn)認(rèn)為電塑性效應(yīng)產(chǎn)生的原因即為焦耳熱導(dǎo)致的材料軟化。對(duì)于給定材料，加載電流后，溫升可以表示為[26]

(1)

式中：T為溫度變化量；t為時(shí)間；ρe為材料電阻率；It為瞬間電流值；c為材料比熱容；A為試樣截面積；ρ為材料密度。

采用變形與電流同步加載的實(shí)驗(yàn)方法，基于溫度或能量變化對(duì)焦耳熱在電塑性效應(yīng)中的作用進(jìn)行了評(píng)估。Okazaki等[27-29]在金屬絲單向拉伸實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)熱效應(yīng)導(dǎo)致的應(yīng)力下降只占總應(yīng)力下降值的50%～70%。Salandro等[30]將脈沖電流的能量劃分為兩部分，一部分能量用于產(chǎn)生焦耳熱使試樣溫度升高，即熱效應(yīng)，剩余能量轉(zhuǎn)化為使材料塑性提高的非熱效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)輸入相同能量的條件下，預(yù)變形量增加時(shí)，材料的溫升減小，即熱效應(yīng)減弱。變形提高了材料微觀缺陷數(shù)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了電子與缺陷可能存在某種交互作用，該作用可以提高材料塑性，但不產(chǎn)生焦耳熱。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)中減小溫升、抑制焦耳熱產(chǎn)生的情況下，材料沒(méi)有產(chǎn)生顯著的電塑性效應(yīng)。Goldman等[25]將金屬冷卻至4.2 K，材料呈超導(dǎo)狀態(tài)，加載電流時(shí)無(wú)焦耳熱產(chǎn)生，同時(shí)也未發(fā)現(xiàn)電塑性效應(yīng)。Wang等[17]在AZ31鎂合金的電流輔助同步拉伸實(shí)驗(yàn)中，基于熱軟化、溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用以及電子風(fēng)效應(yīng)等建立了流變應(yīng)力模型，圖10[17]比較了各個(gè)因素對(duì)材料應(yīng)力降低的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明焦耳熱是使變形行為發(fā)生變化的主導(dǎo)因素。

對(duì)于電塑性效應(yīng)是否主要為焦耳熱導(dǎo)致的熱軟化尚存在爭(zhēng)議，各種觀點(diǎn)只能解釋部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)果影響很大，其中加載直流或者高頻電流時(shí)，材料溫度較高，其塑性提高主要為焦耳熱導(dǎo)致的熱軟化。當(dāng)加載高能脈沖電流時(shí)，材料在瞬間獲得巨大能量，溫度變化劇烈，材料組織與性能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了較大改變，該情況下不能將電塑性效應(yīng)簡(jiǎn)單地歸結(jié)為焦耳熱導(dǎo)致的熱軟化。

圖10 不同應(yīng)變下熱軟化、溶質(zhì)原子、率硬化和 電子風(fēng)對(duì)材料應(yīng)力降低的影響
Fig.10 Stress drops with various strains due to the effects of thermal softening, solute declustering, rate hardening and electron wind

1.2.2 電子風(fēng)理論

當(dāng)金屬加載電流時(shí)，定向移動(dòng)的電子對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生附加推力，該力稱為電子風(fēng)力[31]，它能提高位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能力，從而提高金屬的塑性，降低變形抗力。Kravchenko[32]通過(guò)理論計(jì)算，表明當(dāng)電子的漂移速度大于位錯(cuò)移動(dòng)速度時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子風(fēng)力。該理論認(rèn)為電子風(fēng)力的大小和定向移動(dòng)的電子以及位錯(cuò)移動(dòng)速度差成正比，單位長(zhǎng)度位錯(cuò)受到的電子風(fēng)力大小可表示為[15]

(2)

式中：f為位錯(cuò)受到的電子風(fēng)力；l為位錯(cuò)線長(zhǎng)度；b為柏氏矢量值；n為單位體積的電子數(shù)量；Δ為材料形變常數(shù)；EF為費(fèi)米能；vF為費(fèi)米速度；ve為電子移動(dòng)速度；vd為位錯(cuò)的移動(dòng)速度。

關(guān)于電子風(fēng)力對(duì)材料的影響主要基于理論計(jì)算和推測(cè)，早期研究工作集中于通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探索電子與位錯(cuò)的相互作用，采用降溫處理減少焦耳熱的產(chǎn)生，利用大功率的高能脈沖電流增強(qiáng)電子與位錯(cuò)之間的交互作用，進(jìn)而探究位錯(cuò)等缺陷的運(yùn)動(dòng)及形態(tài)變化。

Okazaki等[4]在77 K下對(duì)鈦合金進(jìn)行拉伸并加載104A/mm2脈沖電流，試樣溫度僅升高了96 K，但應(yīng)力降低了大約126 MPa，說(shuō)明了電塑性效應(yīng)不全是由焦耳熱導(dǎo)致。劉勃然等[33]研究了1.78×104A/mm2脈沖電流對(duì)冷軋態(tài)2091Al-Li合金中位錯(cuò)的影響，指出脈沖電流能加強(qiáng)空位活動(dòng)，促進(jìn)位錯(cuò)的攀移，位錯(cuò)形態(tài)由平直向蜷線轉(zhuǎn)變，但實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有完全排除溫度對(duì)位錯(cuò)的影響。Garay等[34]采用正電子湮沒(méi)譜學(xué)(PAS)研究了Ni3Ti中缺陷的遷移速率，表明加載10 A/mm2直流電流時(shí)，缺陷的遷移激活能降低了大約24%。該研究為電流促進(jìn)缺陷的運(yùn)動(dòng)提供了直接依據(jù)。

目前，尚無(wú)實(shí)驗(yàn)直接證實(shí)電子風(fēng)力的存在，材料中位錯(cuò)、電子的運(yùn)動(dòng)及電子風(fēng)力表征是電子風(fēng)理論研究的瓶頸問(wèn)題。對(duì)于電子風(fēng)效應(yīng)的理解不能將其簡(jiǎn)單歸結(jié)為電子對(duì)位錯(cuò)的拖拽力，材料塑性的提高可能是電子對(duì)溶質(zhì)原子、異質(zhì)相、空位、層錯(cuò)等作用效果的綜合體現(xiàn)，電子具體以何種方式提高了材料的塑性尚待進(jìn)一步研究。

1.2.3 磁效應(yīng)

磁效應(yīng)指加載電流時(shí)激發(fā)的磁場(chǎng)對(duì)材料性能的影響，主要分為集膚效應(yīng)、磁壓縮效應(yīng)及磁場(chǎng)與位錯(cuò)間的交互作用三方面。

加載高頻電流時(shí)，產(chǎn)生的感生磁場(chǎng)導(dǎo)致電流向材料表面聚集，該現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)，由此導(dǎo)致材料溫度不均勻分布，從而引起熱應(yīng)力的增加及軸向應(yīng)力減小。另外，感生磁場(chǎng)對(duì)試樣產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致軸向拉伸時(shí)應(yīng)力的降低。Okazaki等[4]對(duì)此進(jìn)行了研究，并且給出了磁壓縮應(yīng)力計(jì)算公式為

σ=2υP

(3)

(4)

式中：σ為軸向應(yīng)力降低值；υ為材料的泊松比；P為在半徑a處的磁壓縮應(yīng)力；μ為真空磁導(dǎo)率；I為電流密度；r為圓形導(dǎo)線外徑。按該模型計(jì)算，當(dāng)電流密度為5×103A/mm2時(shí)，由磁壓縮效應(yīng)導(dǎo)致的應(yīng)力降低大約僅占總應(yīng)力降低的0.4%。

金屬材料由彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段時(shí)位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上，Galligan等[35]比較了變化磁場(chǎng)中Cu晶體的彈性變形和塑性變形行為差異。發(fā)現(xiàn)只有在塑性變形階段，磁場(chǎng)的突變才能引起應(yīng)力的降低，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出磁場(chǎng)和位錯(cuò)可能存在某種交互作用，增加了位錯(cuò)的可移動(dòng)性。Molotskii和Fleurov[36]指出位錯(cuò)與釘扎相間的結(jié)合能和兩者間自由基對(duì)中的電子自旋狀態(tài)相關(guān)，磁場(chǎng)通過(guò)改變電子自旋狀態(tài)促進(jìn)位錯(cuò)的脫釘。李桂榮等[37]以鋁基復(fù)合材料作為研究對(duì)象，從量子尺度、電子自旋及自由基對(duì)理論等角度分析磁場(chǎng)下的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，結(jié)果表明位錯(cuò)的位移與磁感應(yīng)強(qiáng)度平方及磁場(chǎng)作用時(shí)間成正比。王宏明等[38]在AZ31鎂合金拉伸實(shí)驗(yàn)中加載強(qiáng)度為3 T的脈沖磁場(chǎng)，使試樣抗拉強(qiáng)度和延伸率分別提高了2.2%和28.7%，且促進(jìn)了再結(jié)晶的發(fā)生。

由于實(shí)驗(yàn)中加載的電流頻率較低及試樣尺寸的限制，集膚效應(yīng)和磁壓縮效應(yīng)對(duì)材料性能的影響很小。雖然已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明外加的強(qiáng)磁場(chǎng)和位錯(cuò)存在相互作用，但電流輔助成形工藝中試樣自身感生的磁場(chǎng)強(qiáng)度很小，對(duì)材料性能的影響可以忽略不計(jì)。

1.3 電流對(duì)材料組織影響研究進(jìn)展

材料微觀組織形態(tài)的調(diào)控對(duì)高性能、輕量化工件的制備具有重要意義[39]，本節(jié)基于電塑性效應(yīng)，對(duì)電流處理過(guò)程中回復(fù)、再結(jié)晶、相變及缺陷修復(fù)等現(xiàn)象的規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了綜述。

1.3.1 電流對(duì)回復(fù)與再結(jié)晶的影響

圖11 脈沖電流對(duì)TA15鈦合金位錯(cuò)形態(tài)的影響
Fig.11 Effect of electropulsing on dislocation of TA15 titanium alloy

金屬材料塑性變形后，一部分能量以缺陷的形式儲(chǔ)存于金屬中，處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)加載電流時(shí)，材料發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶。如圖11所示，冷加工后的TA15鈦合金板材經(jīng)單次高能脈沖電流處理，在極短時(shí)間內(nèi)(800 μs)發(fā)生回復(fù)，組織中位錯(cuò)數(shù)量減小的同時(shí)形成亞晶結(jié)構(gòu)[12]。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)楦吣苊}沖提高了位錯(cuò)及空位的活性，使其迅速滑移、攀移、重排及消減。Liu等[40]研究了脈沖電流對(duì)AZ31鎂合金變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電流降低了加工硬化，促使晶粒向易變形方向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致頸縮前的動(dòng)態(tài)軟化[41]。

當(dāng)電流功率增大時(shí)，材料可能發(fā)生再結(jié)晶。Conrad[42]對(duì)比了冷加工后的銅絲在脈沖電流處理和常規(guī)退火處理時(shí)的再結(jié)晶行為，結(jié)果表明電流大幅加快了再結(jié)晶進(jìn)程，縮短孕育期。由于電流處理過(guò)程中，原子的擴(kuò)散速率增加，再結(jié)晶形核率提高，在適當(dāng)?shù)碾娏鲄?shù)下，再結(jié)晶可促進(jìn)晶粒細(xì)化。Xu等[43]對(duì)熱軋后的2024鋁合金做脈沖電流處理，得到了等軸細(xì)化晶粒，使材料性能得到提高。Song和Wang[44]發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)TiAl合金經(jīng)8×103A/mm2脈沖電流處理，粗大片層組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S組織，晶粒由1 000 μm細(xì)化到30～50 μm。由于脈沖作用時(shí)間短，能量密度高，因此可以認(rèn)為組織處于絕熱狀態(tài)，在瞬間產(chǎn)生高溫(1 316 ℃)使材料發(fā)生相變，進(jìn)而導(dǎo)致晶粒細(xì)化。當(dāng)電流功率過(guò)高，再結(jié)晶后的晶粒會(huì)發(fā)生粗化，如圖12所示，圖中EPT(ElectroPulsing Treatment)為脈沖電流處理。在頻率為220～300 Hz的脈沖電流處理?xiàng)l件下，再結(jié)晶形核率及晶界的遷移速率增加，晶粒細(xì)化程度隨著頻率增加而提高。當(dāng)頻率增加到一定值時(shí)，材料溫度過(guò)高，焦耳熱效應(yīng)占主導(dǎo)地位，造成晶粒粗化[11]。

圖12 脈沖電流頻率對(duì)鈦合金再結(jié)晶的影響
Fig.12 Effect of electropulsing frequency on the recrystallization of titanium alloy

Zhou等[45]對(duì)此提出循環(huán)固態(tài)相變晶粒細(xì)化機(jī)制，如圖13所示，脈沖電流輔助加載條件下具有較快的加熱速度且作用時(shí)間短，γ相在α相晶界處大量形核長(zhǎng)大，在隨后的冷卻過(guò)程中形成細(xì)化的α相。該機(jī)制的實(shí)質(zhì)是在升溫-降溫的兩個(gè)階段發(fā)生兩次形核，由于形核率高，但晶粒生長(zhǎng)時(shí)間短，形成細(xì)化的晶粒。

(5)

(6)

(7)

圖13 晶粒細(xì)化機(jī)制示意圖
Fig.13 Schematic illustration for grain refinement

圖14 銅絲晶粒生長(zhǎng)速率倒數(shù)隨回火時(shí)間的變化
Fig.14 Reciprocal of the grain growth rate vs annealing time for Cu wire

1.3.2 電流對(duì)相變的影響

Ye等[47]對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行脈沖電流處理時(shí)，在較低溫度下發(fā)生了β-Ti向α-Ti的轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)中電流密度為240 A/mm2，溫度為374～546 ℃。如圖15所示，結(jié)果表明脈沖電流處理能增加原子擴(kuò)散速率，降低新相的形核勢(shì)壘[48]，從而加速相變的發(fā)生，圖中ORI為原始試樣，EPT2～EPT11依次為不同脈沖電流參數(shù)處理后的試樣。Li等[49]在SUS304不銹鋼拉伸試驗(yàn)中，加載脈沖電流的同時(shí)進(jìn)行冷卻處理，促進(jìn)馬氏體相變，使不銹鋼強(qiáng)度提高。

圖15 不同脈沖電流參數(shù)處理后試樣的XRD曲線
Fig.15 XRD patterns of various samples after electropulsing treatment

電流處理時(shí)，材料在低于常規(guī)熱處理溫度條件下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，反映了電流處理時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱和常規(guī)熱源的差異。馬炳東[50]對(duì)脈沖電流作用下低電導(dǎo)率相在母相中形核時(shí)的物理場(chǎng)進(jìn)行了模擬，圖16為溫度場(chǎng)分布，Z軸方向?yàn)殡娏骷虞d方向。由于晶核電導(dǎo)率較低，電流通過(guò)球形晶核時(shí)發(fā)生繞流，導(dǎo)致晶核電流密度減小及晶核外圍的基體電流密度增加。基于焦耳熱效應(yīng)，形成了圖16所示的非均勻分布的溫度場(chǎng)，其中晶核中心溫度最低，臨近晶核的外圍基體區(qū)域溫度最高[51]。同常規(guī)熱處理比較，脈沖電流所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)在微觀尺度下分布是不均勻的。

李國(guó)棟[52]對(duì)比了脈沖電流處理和常規(guī)處理下GH4199、GH3625高溫合金的時(shí)效行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈沖電流可促進(jìn)合金的時(shí)效過(guò)程，加速合金中γ′相和M23C6型碳化物析出及長(zhǎng)大，在晶界處呈鏈狀分布，對(duì)晶界有強(qiáng)化作用。Cr、W、Mo是形成晶界M23C6型碳化物的主要合金元素，溶質(zhì)原子的電遷移作用促進(jìn)Cr、W、Mo擴(kuò)散，使其均勻分布，進(jìn)而加速碳化物的析出和長(zhǎng)大。Wu等[53]對(duì)2024鋁合金做脈沖電流處理時(shí)，發(fā)生了回歸現(xiàn)象，相比傳統(tǒng)熱處理方式，脈沖電流回歸溫度更低。Zhan等[54]在對(duì)鋁合金蠕變時(shí)效成形研究中發(fā)現(xiàn)，施加脈沖電流能降低變形激活能，縮短峰值時(shí)效時(shí)間[55]，析出相更加細(xì)小分散，材料的硬度和強(qiáng)度均有所提高[56]。Kim等[57]基于位錯(cuò)密度模型及析出硬化模型建立Al-Mg-Si合金脈沖電流處理下塑性變形的本構(gòu)模型，能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料變形行為。

圖16 脈沖電流作用下低電導(dǎo)率晶核及母相中的 溫度場(chǎng)分布
Fig.16 Temperature field in the low conductivity nuclei and matrix with application of electropulsing

電流處理對(duì)材料的相變影響顯著，由于電子與位錯(cuò)、溶質(zhì)原子及異質(zhì)相等交互作用，使形核勢(shì)壘降低，促進(jìn)相轉(zhuǎn)變。深入研究電流處理時(shí)相變機(jī)制及控制因素，并將其定量描述，對(duì)材料組織調(diào)控具有重大指導(dǎo)意義。

1.3.3 電流對(duì)微觀缺陷的修復(fù)作用

材料中異質(zhì)相、缺陷和裂紋等導(dǎo)致電場(chǎng)分布的不均勻，加載大功率脈沖電流時(shí)，該類位置會(huì)形成局部高溫，產(chǎn)生熱膨脹或者局部再結(jié)晶，使缺陷愈合。如圖17所示，Song和Wang[58]在TC4鈦合金板材拉伸實(shí)驗(yàn)中，加載5×103A/mm2大功率單次脈沖時(shí)裂紋發(fā)生了一定程度的愈合。Conrad等[59-60]在多晶Cu和α-Ti的疲勞試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)施加脈沖電流能提高疲勞性能，降低沿晶斷裂的傾向。

加載電流時(shí)，定向移動(dòng)的電子通過(guò)有缺陷的晶格點(diǎn)陣時(shí)，原子的振動(dòng)頻率和能量增加，導(dǎo)致缺陷處溫度更高，相當(dāng)于材料中形成了數(shù)量眾多、尺寸微小的“熱核”，這些“熱核”和基體溫度平均值則是宏觀測(cè)量溫度[22]。相比于傳統(tǒng)加熱方式，焦耳熱效應(yīng)在微觀尺度上對(duì)組織中的缺陷具有“靶向效應(yīng)”，促進(jìn)位錯(cuò)等缺陷的移動(dòng)，減小應(yīng)力集中，同時(shí)溫度升高后，原子的擴(kuò)散能力提高，“熱核”處由于熱膨脹對(duì)裂紋施加壓應(yīng)力，使其閉合填充，達(dá)到裂紋愈合的效果[61]，愈合機(jī)制如圖18所示。

圖17 脈沖電流處理對(duì)鈦合金中微裂紋的影響
Fig.17 Effect of elecropulsing treatment on the microcracks of titanium alloy

圖18 微觀缺陷修復(fù)示意圖
Fig.18 Schematic illustration for defect healing

該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為提高材料成形潛力提供了思路，首先采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)材料的形變損傷進(jìn)行定量表征，獲得不同電流參數(shù)、不同變形狀態(tài)和缺陷修復(fù)程度之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，在不同的變形階段進(jìn)行脈沖電流處理，使材料始終保持較好的變形狀態(tài)。

電流處理對(duì)材料的微觀組織形態(tài)及力學(xué)性能有顯著影響，且具有易于調(diào)節(jié)、加載電流時(shí)零件免于拆卸以及節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。因此，電流處理在某些方面可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)熱處理的不足，甚至有望作為一種新型原位熱處理工藝。

1.4 機(jī)理研究存在的問(wèn)題

鑒于上述分析，電塑性效應(yīng)機(jī)理研究尚存兩方面問(wèn)題：① 電塑性效應(yīng)是否為焦耳熱導(dǎo)致的熱軟化的爭(zhēng)議。如表1所示，實(shí)驗(yàn)中采用降溫、冷卻及與傳統(tǒng)熱處理對(duì)比等方法，得到的結(jié)果有較大差異。② 電子風(fēng)效應(yīng)和磁效應(yīng)缺乏可靠精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。當(dāng)前研究主要采用理論計(jì)算或?qū)﹄娏魈幚砗笪诲e(cuò)及空位等缺陷的數(shù)量及形態(tài)的分析推測(cè)電子風(fēng)和磁效應(yīng)的存在。

導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論觀點(diǎn)差異的主要原因包括：① 脈沖電流種類的差異可能會(huì)引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同，如使用直流或高頻脈沖電流會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱，該情況下焦耳熱效應(yīng)更加顯著；對(duì)于瞬間高能脈沖電流加載條件下，電子風(fēng)效應(yīng)和磁效應(yīng)可能更加顯著；② 分離焦耳熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法難以從本質(zhì)上消除焦耳熱。焦耳熱是電子與晶格點(diǎn)陣作用導(dǎo)致的發(fā)熱現(xiàn)象，采用液氮或者對(duì)流降溫并不能抑制焦耳熱的產(chǎn)生；由于金屬材料中組織的差異導(dǎo)致電場(chǎng)的差異從而引起溫度場(chǎng)的不均勻分布，某些微觀區(qū)域的溫度可能遠(yuǎn)高于宏觀溫度。

針對(duì)以上問(wèn)題，電塑性效應(yīng)機(jī)理研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法可望從以下方面改進(jìn)：

1) 精確量化熱效應(yīng)：基于焦耳熱產(chǎn)生的機(jī)理，針對(duì)微觀組織中電場(chǎng)和溫度場(chǎng)的不均勻性對(duì)材料性能的影響開展研究。提高溫度測(cè)量系統(tǒng)精度，采用其它熱源設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，精確定量評(píng)估脈沖電流加載條件下溫度變化對(duì)材料性能的影響。

2) 完善表征方法：將實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合，精確測(cè)量電磁場(chǎng)條件下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受驅(qū)動(dòng)力的大小，發(fā)展電磁場(chǎng)加載環(huán)境下電子風(fēng)效應(yīng)和磁效應(yīng)的原位表征方法。

表1 電塑性效應(yīng)機(jī)理的3種假說(shuō)Table 1 Three hypotheses of the mechanism of electroplasticity

2 電流輔助塑性成形發(fā)展動(dòng)態(tài)

將電塑性效應(yīng)應(yīng)用于塑性加工工藝，可望大幅提高材料的成形極限和成形質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)難變形材料難成形結(jié)構(gòu)形性一體化制造的極具應(yīng)用潛力的技術(shù)。上述有關(guān)加載電流時(shí)材料的組織和力學(xué)性能轉(zhuǎn)變規(guī)律及其機(jī)制的分析，為實(shí)現(xiàn)電塑性效應(yīng)驅(qū)動(dòng)成形技術(shù)創(chuàng)新提供了理論依據(jù)。

根據(jù)電流與變形加載順序，電流輔助成形工藝的發(fā)展主要分為兩個(gè)方向：① 電流與變形同步加載，提高材料成形性能，即成形的同時(shí)加載電流，以減小材料變形抗力、提高塑性及改善工件與模具的摩擦狀態(tài)，同時(shí)對(duì)微觀組織進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)成形成性一體化制造。② 電流與變形異步加載，以恢復(fù)材料的變形能力，即在成形中的某一道次或成形結(jié)束后，加載電流用于消除殘余應(yīng)力、減小回彈、損傷修復(fù)及組織形態(tài)調(diào)控，以提高零件的綜合性能。目前，電流輔助成形工藝絕大多數(shù)為電流與變形同步加載方式，本節(jié)將從電塑性拔絲、軋制及拉深等工藝及其存在的問(wèn)題對(duì)電流輔助成形工藝進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2.1 電塑性拔絲

電塑性拔絲是在傳統(tǒng)拔絲過(guò)程中加載電流，提高材料成形性能的工藝。電塑性拔絲工藝可以減少甚至避免常規(guī)工藝中的軟化退火、酸洗等工序，大幅度提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，是一種高效、綠色節(jié)約型制造技術(shù)。圖19為電塑性拔絲裝置示意圖[63]，電極位于絲材變形區(qū)的兩端。

圖19 電塑性拔絲示意圖
Fig.19 Schematic of electric-assisted drawing process

自20世紀(jì)90年代開始，清華大學(xué)唐國(guó)翌等[64]率先研究不銹鋼電塑性拔絲。實(shí)驗(yàn)表明，電塑性拔制相比于普通拔絲工藝，其拔制力降低了20%～30%。拔制力的降低主要有兩方面原因：一方面即材料的電塑性，加載脈沖電流時(shí)促進(jìn)了位錯(cuò)的滑移及纏結(jié)位錯(cuò)的消減分離，使材料塑性提高，拔制力降低；另一方面脈沖電流的加載降低了摩擦系數(shù)，拔制過(guò)程中溫度的升高使絲材與模具間發(fā)生黏著及焊合[65]，同時(shí)由于溫升產(chǎn)生的熱電勢(shì)，導(dǎo)致金屬表面聚集電荷，使摩擦系數(shù)增加。脈沖電流的加載能改變金屬表面硬度及減少接觸面上電荷的聚集，使摩擦系數(shù)降減小，拔制力降低[66]。隨后，學(xué)者對(duì)銅絲[67]、鋼絲[68]和TC4鈦合金絲材[69]電塑性拉拔進(jìn)行了研究，表明電流的加載顯著降低了硬化速率，生產(chǎn)的絲材表面光滑、無(wú)劃傷、竹節(jié)和毛刺等缺陷。

在實(shí)際生產(chǎn)中，需要采用潤(rùn)滑、冷卻、降低拔制速度及減徑量等方法控制絲材形變導(dǎo)致的溫度升高。因此，在電塑性拔絲工藝中，在保證絲材具有較好電塑性的前提下，盡量降低焦耳熱的產(chǎn)生，即采用脈沖寬度小、頻率低的脈沖電源。李大龍和于恩林[70]基于實(shí)驗(yàn)研究給出了脈沖寬度及最低脈沖頻率確定方法，即電塑性拔絲過(guò)程中，任意一段絲材通過(guò)變形區(qū)時(shí)至少經(jīng)歷一個(gè)電脈沖。

2.2 電塑性軋制

電塑性軋制是在軋制過(guò)程中引入電流，利用電塑性效應(yīng)，改善材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高材料軋制性能的工藝，圖20為電塑性軋制示意圖[63]。兩個(gè)軋輥連接電極，在板材的塑性變形區(qū)引入電流，電塑性軋制可大幅提高壓下量，縮減軋制道次，減小生產(chǎn)周期。

圖20 電塑性軋制示意圖
Fig.20 Schematic of electric-assisted rolling process

唐國(guó)翌等[71-72]對(duì)鎂合金電塑性軋制工藝進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在AZ31鎂合金軋制過(guò)程中加載205 A/mm2、700 Hz脈沖電流時(shí)，軋制力大約下降了8%，延伸率從2.5%提高到6.5%，同時(shí)鎂合金在較低的溫度下(473 K)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，提高了工件的綜合性能。鎂、鈦等合金由于其低對(duì)稱性的HCP晶體結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力應(yīng)變瞬態(tài)不均勻性的耦合作用，變形后晶粒取向發(fā)生很大的變化，極大的影響了材料的成形及服役性能[73]。葉肖鑫[74]研究發(fā)現(xiàn)脈沖電流處理能顯著降低冷軋TC4鈦合金板材力學(xué)性能的各向異性。Lu等[75]對(duì)薄帶超導(dǎo)材料Bi-2223/Ag進(jìn)行了電塑性軋制，脈沖電流提高了變形的均勻性，促進(jìn)Bi-2222相向Bi-2223相的轉(zhuǎn)變。Stolyarov[76]利用電塑性軋制將TiNi形狀記憶合金的極限應(yīng)變由0.59提高到1.91。

電塑性軋制能顯著提高材料的成形極限及成形質(zhì)量，但由于軋制過(guò)程板材和軋輥接觸面多且面積較大，增加了設(shè)備的絕緣難度。另外，電流通過(guò)軋輥加載到工件上，軋輥溫度升高，對(duì)其剛度以及壽命有很大影響。因此，電塑性軋制設(shè)備中的電流加載方式還需優(yōu)化。

2.3 電塑性拉深

圖21(a)為電塑性拉深示意圖[63]，拉深過(guò)程中對(duì)整個(gè)工件進(jìn)行電流加載，AZ31鎂合金的電塑性拉深研究表明材料在較低的溫度下發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，變形抗力降低，材料塑性提高。圖21(b)為Xie等[77]設(shè)計(jì)的電塑性拉深裝置示意圖，圖中F為加載力，相比圖21(a)，該裝置只在變形劇烈的拐角處加載脈沖電流，電流作用區(qū)域減小促進(jìn)材料均勻流動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，變形溫度提高，極限拉深深度明顯增加，在相同的變形溫度下，極限拉深深度隨著電流強(qiáng)度或頻率的升高而增加。

圖21 電塑性拉深示意圖
Fig.21 Schematic of the electric-assisted deep drawing process

2.4 電塑性攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是由英國(guó)焊接研究所于1991年研發(fā)，具有效率高、低能耗特點(diǎn)，尤其適用于不同種金屬材料之間的焊接[78]。將電塑性效應(yīng)應(yīng)用到焊接過(guò)程，可以大幅提高焊接速度及連接強(qiáng)度。Long和Khanna[79]利用有限元模擬研究了電流加載條件下的攪拌摩擦焊的焊接過(guò)程，攪拌頭的磨損降低，焊接速度可達(dá)到普通攪拌摩擦焊的兩倍。Potluri等[80]在6061鋁合金焊接過(guò)程中加載直流電，如圖22所示。攪拌力降低了大約59%，攪拌深度大幅提高。

圖22 電塑性攪拌摩擦焊示意圖
Fig.22 Schematic of the electric-assisted friction stir welding process

2.5 電塑性微成形

微塑性成形采用沖裁、彎曲、擠壓等工藝，成形各種精密輔助零部件，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空電子和微機(jī)械等領(lǐng)域。當(dāng)坯料幾何尺寸減小時(shí)，產(chǎn)生“尺寸效應(yīng)”，如材料的非均勻性增加，流動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)性增大[81]，成形過(guò)程零件中與模具之間的摩擦使表面質(zhì)量降低。將電塑性效應(yīng)和微成形相結(jié)合，能顯著提高材料成形能力及成形零件的質(zhì)量。Mai等[82]基于建模仿真及工藝實(shí)驗(yàn)研究了奧氏體不銹鋼電輔助壓印工藝，提出電流輔助成形工藝的熱、電、力多場(chǎng)耦合仿真分析方法。在加載10 A/mm2的直流電流時(shí)，同等壓力下，壓印深度最大提高了41%。Wang等[83]在AZ31鎂合金微拉伸實(shí)驗(yàn)中，比較了室溫、加熱和電流處理下的“霍爾佩奇效應(yīng)”，如圖23所示，發(fā)現(xiàn)電流能減弱微塑性成形時(shí)的“尺寸效應(yīng)”，圖中RT為室溫實(shí)驗(yàn)條件，EA為電流輔助條件，T為溫度，Tmax為最高溫度，J為電流密度。

圖23 不同條件下的霍爾佩奇效應(yīng)比較
Fig.23 Comparison of Hall-Petch relationships under various conditions

2.6 板料電塑性漸進(jìn)成形

板料漸進(jìn)成形技術(shù)是一種柔性無(wú)模成形技術(shù)，通過(guò)對(duì)板料逐步加工，以成形的累積得到最終的零件。Fan等[84-85]在鎂合金、低碳鋼等板材漸進(jìn)成形過(guò)程中加載電流，大幅提高了材料的成形極限以及表面質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖24所示。將電塑性效應(yīng)用到板料漸進(jìn)成形工藝中有以下優(yōu)勢(shì)：① 成形過(guò)程中，接觸面和變形區(qū)較小，具有節(jié)能高效特點(diǎn)，且電流作用區(qū)和變形區(qū)近似重合；② 成形過(guò)程中由于缺乏足夠的支撐，板料容易產(chǎn)生回彈，且加工過(guò)程中，在較小的變形區(qū)域存在很大的摩擦力，基于電塑性效應(yīng)，電流的加載能有效地減小回彈及改善模具與板料間的摩擦狀態(tài)，從而提高零件的成形質(zhì)量。

圖24 電流輔助漸進(jìn)成形技術(shù)
Fig.24 Principle of electric incremental forming

2.7 電流輔助蠕變時(shí)效成形

蠕變時(shí)效成形是在一定溫度和載荷作用下，利用金屬的蠕變特性，將成形和成性同步進(jìn)行的一種先進(jìn)成形技術(shù)[86]。將電流與蠕變時(shí)效成形相結(jié)合，基于電流對(duì)原子的擴(kuò)散及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用規(guī)律及機(jī)制，通過(guò)對(duì)電流參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)蠕變時(shí)效組織及性能的準(zhǔn)確調(diào)控。

Liu等[55]研究了低密度脈沖電流輔助加載條件下的2219鋁合金時(shí)效行為，脈沖電流的加載使峰值時(shí)效時(shí)間縮短了大約44%，同時(shí)鋁合金的硬度及延伸率均有所提高。實(shí)驗(yàn)中采用的電流密度為0.15～0.35 A/mm2。武偉超[56]研究了脈沖電流處理對(duì)鋁合金應(yīng)力松弛的影響，表明應(yīng)力松弛程度隨脈沖頻率和電流密度的提高而增加。因此，電流輔助加載可望縮短蠕變時(shí)效成形的工藝周期及提高工件的成形精度。

2.8 電流輔助成形的局限性

電塑性在拔絲、軋制及微成型等工藝中得到了較好的應(yīng)用，大幅提高材料的成形極限及成形質(zhì)量。然而，對(duì)于尺寸較大的工件需要采用更大功率的電源以滿足電流密度閾值條件。因此，在大功率電源受限條件下，電流輔助成形工藝更適用于變形區(qū)小、模具與零件接觸面小的加工過(guò)程。

3 展望及挑戰(zhàn)

當(dāng)前航空、航天、汽車及能源等領(lǐng)域高端裝備的快速發(fā)展，迫切要求構(gòu)件成形制造朝著高性能、輕量化、高精度、高效率、綠色化和智能化的方向發(fā)展。電塑性相關(guān)機(jī)理的研究是創(chuàng)新發(fā)展電流輔助成形工藝的前提和基礎(chǔ)。將電塑性效應(yīng)有效利用于傳統(tǒng)塑性加工可望大幅提升難變形材料難成形結(jié)構(gòu)的成形潛力。電流輔助成形工藝具有成形力低、加工道次少、生產(chǎn)效率高和易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化及智能化等優(yōu)勢(shì)，已成為實(shí)現(xiàn)精確成形制造的極具前景的先進(jìn)技術(shù)。

然而，電塑性及電流輔助成形過(guò)程復(fù)雜，諸多復(fù)雜性使機(jī)理及工藝的研究極具挑戰(zhàn)性，主要體現(xiàn)在：多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜性，如電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)及力場(chǎng)；物理現(xiàn)象的復(fù)雜性，如再結(jié)晶、相變及微觀缺陷演變、修復(fù)等；工藝參數(shù)眾多且復(fù)雜，如溫度、電流密度、頻率、力學(xué)加載速率、材料熱物參數(shù)等。尤其在加工形狀復(fù)雜構(gòu)件時(shí)，材料、幾何和接觸面三重非線性相互耦合，導(dǎo)致加工過(guò)程中工件的電流密度分布復(fù)雜多變，而電流密度的時(shí)變不均勻分布繼而又對(duì)塑性變形和微觀組織演變產(chǎn)生影響，導(dǎo)致變形過(guò)程難以控制。電塑性及其電流輔助成形工藝方向尚待解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要包括：

1) 機(jī)理的定量表征和分析

發(fā)展不均勻分布溫度場(chǎng)的高精度測(cè)量方法，準(zhǔn)確定量揭示焦耳熱效應(yīng)的作用機(jī)制；研究電磁場(chǎng)加載下位錯(cuò)等缺陷的原位測(cè)試表征方法；探明電塑性效應(yīng)發(fā)生機(jī)制，建立電參數(shù)與組織形態(tài)及性能之間的定量化關(guān)系。

2) 多場(chǎng)耦合多尺度宏微觀建模

實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，建立電流加載下熱、電、磁、力多場(chǎng)耦合模型；分析電流參數(shù)、溫度及載荷等因素對(duì)工件成形及微觀組織變化的影響規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的預(yù)測(cè)和控制。

3) 電流加載方式優(yōu)化

材料在不同變形量的拉伸、壓縮等狀態(tài)下的電塑性不同，而成形過(guò)程中工件的電流密度分布卻又復(fù)雜多變，如何實(shí)施電流加載以及何時(shí)加載需要深入研究以實(shí)現(xiàn)電流密度分布控制；特別是，塑性加工過(guò)程中，工件的形變、移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)等增加了電流穩(wěn)定加載及控制的困難，迫切需要優(yōu)化設(shè)計(jì)合適的加電裝置以保證電極與工件良好的接觸，同時(shí)保證高效、節(jié)能及高可靠性。

4 結(jié) 論

在對(duì)電塑性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究方法及焦耳熱效應(yīng)、電子風(fēng)效應(yīng)及磁效應(yīng)等機(jī)理研究進(jìn)展論述的基礎(chǔ)上，綜述了電流處理對(duì)材料微觀組織和性能的影響規(guī)律，進(jìn)一步分析了電塑性拔絲、軋制及微成形等電流輔助成形工藝研究發(fā)展動(dòng)態(tài)，探討了電塑性機(jī)理研究及電流輔助成形工藝尚待解決的科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)。主要結(jié)論如下：

1) 電塑性效應(yīng)可望大幅提高材料成形潛力，電流輔助成形工藝驅(qū)動(dòng)難變形材料難成形結(jié)構(gòu)成形成性一體化制造是當(dāng)前塑性加工領(lǐng)域前沿、熱電及難點(diǎn)問(wèn)題。

2) 電塑性效應(yīng)主要機(jī)制包括焦耳熱效應(yīng)、電子風(fēng)效應(yīng)及磁效應(yīng)等，但缺乏可靠精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)，電流作用下材料變形、組織及性能轉(zhuǎn)變規(guī)律和機(jī)制尚不明確。

3) 目前已發(fā)展了電塑性拔絲、軋制、拉伸及微成形等電流輔助成形先進(jìn)工藝，但在電流加載方式優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)電流分布有效控制方面尚待深入研究。

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