杜 浩，湯澤軍，章錦濤，江雙雙，陳 劍

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，南京 210016)

近年來,隨著人們環(huán)境保護(hù)及節(jié)能減排意識的提高，迫切需要輕質(zhì)高強度材料，如鋁合金、鈦合金、鎂合金等來替代傳統(tǒng)材料以達(dá)到零部件結(jié)構(gòu)輕量化的目的[1-3].然而，輕質(zhì)高強度材料的室溫難加工性(塑性低，強度高)是限制其廣泛應(yīng)用的一個主要原因[4-5].針對這一問題，近年來學(xué)者們提出一種新穎的電流輔助成形方法，即在發(fā)生塑性變形的金屬中通入電流，使材料塑性提高、變形抗力下降以及微觀組織改善[6].

國內(nèi)外學(xué)者主要從以下幾個方面研究了電流對金屬材料性能的改善.1)電流提高金屬塑性，降低變形抗力.Roh等人[7]在5052-H32鋁合金單向拉伸過程中通入周期作用的脈沖電流，研究發(fā)現(xiàn)在其研究的電參數(shù)范圍內(nèi)，周期脈沖電流作用下的試樣在發(fā)生頸縮時的延伸率最高增加了320%，且在脈沖電流作用周期內(nèi)拉伸力顯著降低，Roth等[8]在單向拉伸時將周期性脈沖電流通入5754鋁合金試樣中，在標(biāo)距范圍內(nèi)獲得了接近400%的延伸率.解煥陽等人[9]通過對AZ31B鎂合金試樣進(jìn)行等溫單向拉伸試驗以及脈沖電流輔助拉伸試驗，研究了AZ31B鎂合金的電致塑性變形行為，證實了流動應(yīng)力的純電致塑性效應(yīng)，通過比較試樣的微觀組織分析了高溫和脈沖電流作用下流動應(yīng)力減少的機理，結(jié)果證實脈沖電流誘導(dǎo)產(chǎn)生的動態(tài)再結(jié)晶對流動應(yīng)力的減少及塑性的提升起到重要作用.2)電流抑制成形零件的回彈.Green等[10]在變形后的6111鋁合金試件中通入電流后發(fā)現(xiàn)，變形件的回彈量明顯減少，甚至能夠完全消除回彈.而且，解煥陽[11]等人通過電脈沖輔助V彎研究了脈沖電流電參數(shù)對AZ31B鎂合金板料回彈性的影響，結(jié)果表明脈沖電流作用下板料中晶粒的細(xì)化和孿晶數(shù)量的減少是回彈減少的主要原因.3)電流誘導(dǎo)金屬材料的退火及晶粒細(xì)化.Conrad等[12]研究了脈沖電流對冷變形金屬退火組織的影響，研究表明脈沖電流可以促使材料的再結(jié)晶.Maki等提出了一種基于電流焦耳熱效應(yīng)的熱處理新技術(shù)[13]，該方法在6061鋁合金板料中直接通入高密度電流，利用材料自身電阻使其在短時間內(nèi)(2 s內(nèi))被迅速加熱至相變溫度，實現(xiàn)了熱處理的目的，而在如此短的時間內(nèi)，6061鋁合金材料內(nèi)部的晶粒來不及長大，從而達(dá)到細(xì)晶的目的.因此，可將板料脈沖電流處理作為一種有效的細(xì)晶強化熱處理工藝.

目前，科研工作者主要研究了電流對金屬材料性能的改善，但未能較為深入地分析一些合金在電流輔助拉伸中所出現(xiàn)的DSA現(xiàn)象及電流作用時導(dǎo)致材料應(yīng)力降低的因素.為此，本文選用Al-Mg-Si系合金6063T4鋁合金為研究對象，在自行設(shè)計的電流輔助拉伸模具上進(jìn)行6063T4鋁合金脈沖電流輔助拉伸試驗，探討了脈沖電流峰值對6063T4鋁合金力學(xué)性能的影響，研究了脈沖電流輔助拉伸過程中材料的DSA現(xiàn)象及其機理，分析討論了脈沖電流作用時應(yīng)力降產(chǎn)生的原因，并采用掃描電鏡及光學(xué)顯微鏡分別觀察了試樣斷口形貌以及試驗前后材料的顯微組織變化.

1 實 驗

1.1 實驗材料

本實驗所用材料是厚度為2.2 mm的6063T4鋁合金軋制板料，其化學(xué)成分如表1所示.對原始板料進(jìn)行金相制樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，使用Keller試劑(HF∶HCl∶HNO3∶H2O=2∶3∶5∶190)腐蝕50～60 s，用清水清洗后在MR5000高倍金相顯微鏡上對其3個相互垂直的材料平面進(jìn)行顯微組織觀察.得到的金相顯微組織如圖1所示，3個相互垂直的平面內(nèi)的材料具有相同的顯微組織，6063T4鋁合金中主要強化相為Mg2Si，經(jīng)Keller試劑腐蝕后，在顯微組織中呈黑色粒狀物[14](圖1(b)).沿板料軋制方向利用電火花線切割制得實驗所需拉伸試樣，試樣尺寸如圖2所示.

表16063T4鋁合金板料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

Table 1 Chemical composition of the 6063T4 aluminum alloy sheet (wt.%)

MgCuSiFeMnCrNiZnTiAl0.45～0.90.10.2～0.60.350.10.1—0.10.04其余

圖1 6063T4板料的顯微組織

Fig.1 Microstructure of 6063T4 aluminum alloy sheet:(a) the planes investigated in the microstructural analysis; (b) the microstructure of the three orthogonal planes

圖2 拉伸試樣尺寸(單位：mm)

1.2 實驗裝置

圖3為此脈沖電流輔助拉伸的實驗裝置，拉伸試樣通過自行設(shè)計的夾頭安裝固定在微機控制的電子萬能試驗機(型號：UTM5000)上，電子萬能拉伸試驗機的承載能力為50 kN；使用可編程的VIS-200A型脈沖電源及VIB-10KB型變壓器為拉伸過程提供所需的直流脈沖電流，通過紫銅電極對將脈沖電流引入到試樣中，為保證通電拉伸過程中電流與萬能試驗機的絕緣，分別在上下夾頭與試驗機接頭處添加云母紙，并對連接銷表面噴涂絕緣漆進(jìn)行處理.通電拉伸過程中采用K型熱電偶記錄試樣標(biāo)距中間段的溫度變化，拉伸過程中萬能拉伸機上橫梁移動速度為3 mm/min(應(yīng)變速率為10-3).

圖3脈沖電流輔助拉伸實驗裝置示意圖(a)及實驗裝置(b)

Fig.3 The schematic(a) of an experimental set-up for EAT(b)

1.3 實驗方案

為研究脈沖峰值電流密度對6063T4力學(xué)性能的影響，對室溫條件下的試樣進(jìn)行了拉伸測試，分別選取100，120，140 A/mm2的3種不同峰值電流密度的矩形脈沖波進(jìn)行通電拉伸，脈沖電流作用時間為0.5 s，為便于分析通電拉伸中試樣溫升對材料性能的影響，脈沖電流作用時應(yīng)排除前一脈沖電流作用時所產(chǎn)生的溫升影響，因此，兩脈沖電流作用時間間隔要足夠長，通過實驗探索所選用的脈沖周期為30 s(此脈沖周期能夠使得下一脈沖電流作用前試樣溫度基本降為室溫).實驗過程中，當(dāng)萬能拉伸試驗機上橫梁位移達(dá)到3 mm時(材料已進(jìn)入塑性變形階段，所對應(yīng)的真實應(yīng)變?yōu)?.058)進(jìn)行通電拉伸，其示意圖如圖4所示.為保證實驗的可重復(fù)性，針對每組電參數(shù)分別進(jìn)行了5次實驗，取有較好重復(fù)性的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

圖4 試樣拉伸過程中所使用的周期性電脈沖示意圖

Fig.4 A schematic of periodic electropulsing during the tensile displacement of a specimen of EAT

2 結(jié)果與討論

2.1 電流密度對拉伸試樣溫度的影響

采用K型熱電偶在通電過程中對試樣中段溫度進(jìn)行測量，由于本實驗所選擇的脈沖間隔時間較長，在單脈沖電流作用時溫度急劇升高，在脈沖間隔內(nèi)，由于熱量的耗散，試樣溫度趨于室溫，表2呈現(xiàn)的是3種電流密度的脈沖電流作用時的最高溫升,可根據(jù)下式得到理論溫升[15]：

(1)

式(1)中各參數(shù)的物理意義列于表3，通過理論計算得到的溫升如表2所示，3種不同電流密度條件下電能轉(zhuǎn)化為溫升的效率分別為66.27%，62.59%，63.1%，這與文獻(xiàn)[16]所研究的5052鋁合金的通電過程中焦耳熱轉(zhuǎn)化為溫升的效率相似(60%左右).

表2不同電流密度下試樣最高溫升(室溫25℃)

Table 2 Maximum temperature rise of specimen at different electric current (room temperature 25 ℃)

電流密度/(A·mm-2)測量溫度/℃測量溫升ΔTm/℃理論溫升ΔTc/℃10010075113.17120127102162.96140165140221.81

表3 6063T4鋁合金板熱電物理性能參數(shù)

2.2 電流密度對應(yīng)力及應(yīng)變的影響

圖5所示是無電流條件下以及不同峰值電流密度下所獲得的拉斷試樣，圖6為其對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線.

圖5 不同峰值電流密度下所獲得的拉斷試樣

Fig.5 The fracture specimens obtained at different electric current density

圖6 不同峰值電流密度下獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.6 Stress-strain curves obtained at different electric current density

在無脈沖電流的拉伸過程中，流動應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而不斷增加，從而呈現(xiàn)出明顯的加工硬化現(xiàn)象，且在發(fā)生斷裂時的抗拉強度為185 MPa，而應(yīng)變約為0.215 5.對于電流輔助拉伸，在脈沖電流作用板料時，試樣應(yīng)力出現(xiàn)瞬間下降，Roh等[7]稱之為應(yīng)力降，在脈沖間隔內(nèi)應(yīng)力迅速上升，加工硬化現(xiàn)象顯現(xiàn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)獨特的鋸齒狀，由整體應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，與無電流條件下所獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線相比，在電流輔助拉伸階段，通電條件下試樣的流動應(yīng)力下降，且隨著電流密度的增加，下降值更加明顯.在試樣發(fā)生斷裂時，3種不同電流密度下試樣的抗拉強度分別為172, 160，126 MPa，而應(yīng)變量分別為0.240 5，0.259 5，0.266 5.綜上分析可知，6063T4鋁合金電流輔助能夠明顯降低材料流動應(yīng)力，提高材料塑性.

2.3 電流密度對材料動態(tài)應(yīng)變時效的影響

動態(tài)應(yīng)變時效(Dynamic Strain Aging, DSA)是指在一定的溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi)，一些置換類合金以及間隙類合金在塑性變形中所發(fā)生的時效現(xiàn)象[18-19]，具體就是材料塑性變形過程中溶質(zhì)原子和移動位錯相互作用的現(xiàn)象，反映在應(yīng)力曲線中則為應(yīng)力的不穩(wěn)定波動，從而使得曲線呈現(xiàn)一定的鋸齒型，即為PLC(Portevin-Le Chatelier, PLC)效應(yīng)[20].圖7為峰值電流密度為140 A/mm2下獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線，在電流輔助拉伸過程中呈現(xiàn)明顯的動態(tài)應(yīng)變時效現(xiàn)象，對于6063T4鋁合金，強化相主要為金屬間化合物Mg2Si，在電流輔助過程中Mg2Si相會發(fā)生溶解，從而形成游離態(tài)的Mg, Si原子，由于材料發(fā)生塑性變形時內(nèi)部形成大量位錯，游離態(tài)的Mg, Si原子對移動位錯產(chǎn)生瞬時釘軋，當(dāng)應(yīng)力超過游離原子的阻礙時，釘軋效應(yīng)解除，宏觀表現(xiàn)為應(yīng)力下降，這種釘軋及解除釘軋在材料塑性變形過程中循環(huán)往復(fù)，從而出現(xiàn)如圖7所得的在脈沖間隔內(nèi)(應(yīng)力恢復(fù)區(qū)間內(nèi))材料流動應(yīng)力的不穩(wěn)定波動，在材料發(fā)生不穩(wěn)定變形前，隨著脈沖次數(shù)的增加，DSA現(xiàn)象更加明顯，其原因在于隨著脈沖數(shù)的增加，材料內(nèi)Mg2Si相更多地溶解形成游離態(tài)的Mg, Si原子，且材料內(nèi)積累的位錯量增加，溶質(zhì)原子和位錯間的相互作用更加明顯.

圖7峰值電流密度為140A/mm2下獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.7 Stress-strain curves obtained at peak electric current of 140 A/mm2

圖8是不同峰值電流密度下第5次脈沖電流作用后獲得的局部應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看到，隨著峰值電流密度增加，材料DSA現(xiàn)象更加明顯，這是因為較高密度的電流作用于材料時，在相同的應(yīng)變條件下溶解出更多的游離態(tài)Mg, Si原子，其對位錯的釘軋作用更加顯著.

圖8不同峰值電流密度下第5次脈沖電流后局部應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.8 The local of stress-strain curve after fifth electropulsing at different electric current density

2.4 電流密度對應(yīng)力降的影響

這里所指的應(yīng)力降值是脈沖電流作用前后的應(yīng)力差值，其示意圖如圖7所示.在電流輔助拉伸過程中，單個脈沖電流作用時所產(chǎn)生的應(yīng)力降是以下3個因素綜合作用的結(jié)果[21]：1) 溫度誘導(dǎo)所產(chǎn)生的體積膨脹；2)焦耳熱導(dǎo)致的材料軟化；3)脈沖電流的純電致塑性效應(yīng).圖9是本實驗選用的3種電流密度下獲得的應(yīng)力降與真實應(yīng)變之間的關(guān)系.圖9結(jié)果表明,在脈沖電流參數(shù)不變的情況下，隨著應(yīng)變值的增加，應(yīng)力降值基本呈線性增加，且在相同的應(yīng)變條件下，脈沖電流密度越高，則應(yīng)力降值越顯著.通過數(shù)據(jù)點擬合所獲得的應(yīng)力降與應(yīng)變間的線性方程的斜率可以得出隨著電流密度的增大,方程的斜率隨之增大，這表明電流輔助拉伸時應(yīng)力降值在較高的電流密度下表現(xiàn)更加顯著.下面通過定性的方法來分別研究脈沖電流作用時應(yīng)力降的3個誘導(dǎo)因素對應(yīng)力降的貢獻(xiàn).

圖9 不同電流密度下應(yīng)力降與真實應(yīng)變間的關(guān)系

Fig.9 The relationship of stress drop and strain at different electric current

由于本實驗所選擇的電參數(shù)的特點，在相同電流密度下，每個脈沖波單獨作用時導(dǎo)致的溫升基本相同(如表2所示)，且在每個脈沖波作用前試樣溫度接近室溫，因此，引起應(yīng)力降因素中的溫度誘導(dǎo)體積膨脹所產(chǎn)生的熱壓縮應(yīng)力相同，且可通過下式[22]進(jìn)行計算：

(2)

式中：E為材料彈性模量;α為材料熱膨脹系數(shù);ΔTm為材料測量溫升.

為定性分析焦耳熱對所導(dǎo)致的材料軟化對應(yīng)力降的影響，可通過引入含有溫度變量的Johnson-Cook模型[23]進(jìn)行分析，其表達(dá)式為

(3)

上述方程的微分形式為

(4)

若只考慮焦耳熱對應(yīng)力的影響，則上述微分方程則可表示為

(5)

由式(5)可知，在材料應(yīng)變及應(yīng)變速率一定的條件下，隨著溫度的升高，材料流動應(yīng)力的減少值增加，因此，其對應(yīng)力降值的貢獻(xiàn)隨著溫度的升高而增加.

在金屬純電致塑性效應(yīng)的解釋中，研究最為廣泛，接受程度最高的是電子風(fēng)理論[24]，即在拉伸過程中，隨著變形量的增加試樣中積累了大量位錯，材料在繼續(xù)發(fā)生變形的過程中需要協(xié)調(diào)位錯間的流動、克服材料中溶質(zhì)原子及雜質(zhì)原子的釘軋，因此，需要較大的流動應(yīng)力，而直流脈沖電流的通入使得定向移動的自由電子產(chǎn)生促進(jìn)位錯移動的電子風(fēng)力[25-26]，在諸多研究電子風(fēng)力的理論中，Klimov[27]的結(jié)果被認(rèn)為更接近實際情況，其理論計算公式為

(6)

式中:f/l表示施加在單位長度位錯上的力；n為電子密度(單位體積的數(shù)量)；m*為電子有效質(zhì)量；b為柏氏矢量的數(shù)值；vF為費米速度；ve為電子漂移速度，其大小是J/en；vd為位錯速度；e為電子電量，取1.602×10-19C；J為電流密度.

從上述電子風(fēng)力的理論推導(dǎo)可以得出的結(jié)論是當(dāng)電流密度較高且有較大塑性變形時，電子風(fēng)力施加在單位長度位錯上的力越大，自由電子對位錯移動的促進(jìn)作用就愈加顯著，宏觀表現(xiàn)為應(yīng)力降值更加明顯.

2.5 微觀組織及斷口形貌

圖10呈現(xiàn)的是不同電流密度作用下試樣斷口附近的金相顯微組織(避開拉伸試樣頸縮區(qū)域).

圖10 不同電流密度下試樣斷口區(qū)域顯微組織:(a)無電流；(b)100 A/mm2；(c)120 A/mm2；(d)140 A/mm2

Fig.10 Microstructure images near fracture area of fracture specimen at different electric current: (a) No electropulsing; (b) 100 A/mm2; (c) 120 A/mm2; (d) 140 A/mm2

在常溫下，晶粒粗大且呈現(xiàn)等軸狀態(tài)，通過截距法所得的平均晶粒尺寸為116.6 μm(圖10(a)).在電流密度為100和120 A/mm2條件下，其顯微組織與原始組織相比無明顯變化，但當(dāng)電流密度升高到140 A/mm2時，顯微組織中靠近晶界處出現(xiàn)細(xì)化的等軸晶粒(圖10(d)中圓圈區(qū)域所示)，如前文提到的，在此電流密度的通電拉伸過程中，試樣所達(dá)到的最高溫度為165 ℃，其低于6系鋁合金動態(tài)再結(jié)晶溫度(200 ℃左右)[2]，原因在于晶界處晶界能較高且變形過程中大量位錯聚集在晶界處，使得晶界處畸變能升高，同時晶界處富含溶質(zhì)原子，使得晶界處易于形核；而在通電拉伸過程中由于熱激活效應(yīng)及電激活效應(yīng)，原子擴散能力增強，從而降低了試樣再結(jié)晶溫度；由于此脈沖時間作用較短，晶粒來不及長大，因而在顯微組織中晶界交匯處表現(xiàn)出細(xì)化的等軸晶粒.

采用JSM6360LV掃描電子顯微鏡對拉斷試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察，圖11為不同拉伸條件下試樣的斷口形貌.從不同拉伸條件下的試樣宏觀斷口(圖11(a)和(c))可以發(fā)現(xiàn)，斷口主要為韌窩型斷口且在韌窩周圍及部分區(qū)域含有纖維狀撕裂棱(呈亮白色)，表現(xiàn)為韌性斷裂；常規(guī)拉伸斷口則表現(xiàn)出較少且較淺的韌窩，部分區(qū)域表現(xiàn)出暗灰色.隨著脈沖電流的通入，試樣宏觀斷口頸縮嚴(yán)重、斷截面區(qū)域面積減小、纖維區(qū)明顯增大且撕裂棱增多；當(dāng)對比放大倍數(shù)較高的顯微斷口(圖11(b), (d))時可以在韌窩端部觀察到較多的夾雜物、第二相粒子、硬質(zhì)點，其也是韌窩形成的原因，脈沖電流輔助拉伸后得到的掃描斷口處韌窩數(shù)量及深度明顯增加且韌窩周圍撕裂棱更加顯著，斷口分析表現(xiàn)出有較好的塑性，這與脈沖電流輔助拉伸時材料塑性增加數(shù)據(jù)相對應(yīng).

圖11 不同拉伸條件下試樣斷口形貌:(a)、(b)無電流；(c)、(d)電流輔助拉伸

3 結(jié) 論

1)脈沖電流作用于單向拉伸試樣時使得6063T4鋁合金試樣溫度瞬間升高，理論計算表明，3種不同電流密度條件下電能轉(zhuǎn)化為溫升的效率分別為66.27%，62.59%，63.1%.

2)周期性脈沖電流的通入使得應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出獨特的鋸齒狀，隨著電流密度的增加試樣抗拉強度減少，延伸性提高.

3)電流輔助拉伸過程中出現(xiàn)的DSA現(xiàn)象歸因于游離態(tài)的Mg，Si原子對位錯的釘軋效應(yīng)，且隨著電流密度或脈沖數(shù)的增加DSA現(xiàn)象越發(fā)明顯.

4)脈沖電流輔助拉伸過程中應(yīng)力降是溫度誘導(dǎo)所產(chǎn)生的體積膨脹、焦耳熱效應(yīng)、純電致塑性效應(yīng)綜合作用的結(jié)果，在電參數(shù)一定條件下，應(yīng)力降值隨著應(yīng)變值的增加呈線性增加.

5)脈沖電流作用下6063T4鋁合金動態(tài)再結(jié)晶溫度降低，在脈沖電流密度為140 A/mm2，溫度達(dá)到165 ℃時顯微組織中出現(xiàn)細(xì)化晶粒；斷口形貌觀察可以發(fā)現(xiàn)脈沖電流作用后試樣斷口的韌窩數(shù)量以及撕裂棱明顯增多，且韌窩深度加深，這與應(yīng)力應(yīng)變曲線得到的延伸性增加相呼應(yīng).

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