電致塑性效應(yīng)機(jī)制研究及其展望

彭書華，楊俊杰，李 堯

（江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

電致塑性效應(yīng)（electro－plastic effect，簡(jiǎn)稱EP效應(yīng)）是指金屬在塑性變形過(guò)程中，在外加電流或者電場(chǎng)等電刺激下使其塑性提高，變形抗力下降的現(xiàn)象。

1 電致塑性的機(jī)制研究

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并取得了一定的進(jìn)展。現(xiàn)在學(xué)者一致認(rèn)為電致塑性效應(yīng)是一種復(fù)合結(jié)果，是多種物理效應(yīng)共同作用導(dǎo)致的。主要有以下幾個(gè)方面：

1）焦耳熱效應(yīng)。金屬的電阻使溫度升高、金屬軟化。

2）磁壓縮效應(yīng)。電流的磁場(chǎng)使固體等離子體產(chǎn)生壓迫，導(dǎo)致金屬?gòu)较蚴軌狠S向受拉，在高頻脈沖電流作用下，磁壓縮效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力一般很小，對(duì)塑性變形的影響不大。

3）純電塑性效應(yīng)。學(xué)者認(rèn)為電致塑性的實(shí)質(zhì)是大量位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)，高密度脈沖電流提高金屬內(nèi)部原子的運(yùn)動(dòng)能量，改變金屬內(nèi)的位錯(cuò)激活能，加快位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度，打開位錯(cuò)之間的相互纏結(jié)，克服滑移系的障礙，從而提高金屬的塑性［2－3］?？偠灾娭滤苄允瞧齐娮釉鰪?qiáng)了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能力導(dǎo)致的，最先發(fā)現(xiàn)電致塑性效應(yīng)的Troitskii 等也同意這一觀點(diǎn)，認(rèn)為金屬中漂移電子使可動(dòng)位錯(cuò)密度得以提高，或改變位錯(cuò)的分布［4］。對(duì)于漂移電子到底怎樣促進(jìn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，學(xué)者們結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)給出了一些推測(cè)和猜想［5－15］，不過(guò)現(xiàn)在還是缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的研究方法及對(duì)原有數(shù)據(jù)的精確預(yù)測(cè)，因此其微觀機(jī)制的研究基本處于探索階段。

1.1 電子風(fēng)力對(duì)位錯(cuò)的影響

現(xiàn)在這一理論已被普遍接受，同時(shí)也有部分研究表明，電子風(fēng)力對(duì)位錯(cuò)的作用力非常小，甚至有時(shí)電子風(fēng)力幾乎可以忽略不計(jì)，它不足以使金屬材料的塑性有如此大的提高［20］。

1.2 漂移電子提高可動(dòng)位錯(cuò)密度

但是空位對(duì)位錯(cuò)的作用也是有限的，而且位錯(cuò)過(guò)多，晶內(nèi)滑移機(jī)制不易協(xié)調(diào)，會(huì)造成位錯(cuò)塞積和變形應(yīng)力的增大，反而會(huì)抑制塑性變形。

1.3 漂移電子對(duì)堆垛層錯(cuò)能的影響

但是現(xiàn)在堆垛層錯(cuò)能和擴(kuò)散激活能的測(cè)定還只是停留在理論模型階段，具體的測(cè)定方法還有待進(jìn)一步完善，而且測(cè)定結(jié)果的精確度有待進(jìn)一步提高，因此相關(guān)能量的測(cè)定還欠缺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.4 漂移電子對(duì)顯微組織的影響

脈沖電流不僅對(duì)位錯(cuò)有直接的作用，其對(duì)顯微組織和精細(xì)結(jié)構(gòu)的作用也不可忽視。S. D.Prokoshkin 等［26］綜合分析脈沖電流對(duì)Ti－Ni 記憶合金的組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電流加速了再結(jié)晶的過(guò)程，抑制晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，同時(shí)林化強(qiáng)等［27］也發(fā)現(xiàn)脈沖電流促進(jìn)了Ti－6Al－4V 合金組織由等軸α 相和晶間β 相轉(zhuǎn)化為鋸齒狀的α'相，顯微組織明顯得到細(xì)化。晶粒細(xì)化可以提高材料的力學(xué)性能，降低抗拉強(qiáng)度，再結(jié)晶過(guò)程中晶粒的形核、長(zhǎng)大會(huì)影響原晶界和亞晶界，再結(jié)晶動(dòng)力對(duì)原組織造成能量漲落，這些都會(huì)影響位錯(cuò)的分布與運(yùn)動(dòng)，對(duì)電致塑性也有不可忽視的作用。

1.5 電磁場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)的促進(jìn)

研究表明，M. Molotskii［28］從磁場(chǎng)的角度提出以一種新的模型來(lái)解釋電致塑性。他認(rèn)為脈沖電流產(chǎn)生了感應(yīng)磁場(chǎng)，在順磁性區(qū)域晶格對(duì)位錯(cuò)的阻力下降，位錯(cuò)更容易運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)致材料的超塑性。北京理工大學(xué)劉兆龍［29］在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出位錯(cuò)滑移所需克服的阻力佩—納力，其計(jì)算表明磁場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)的作用力大約是電子風(fēng)力的104倍。該一模型成立的條件是，在電磁場(chǎng)下，位錯(cuò)的自由部分長(zhǎng)度增加，且位錯(cuò)的扎定中心為順磁性相［30］。

雖然學(xué)者們對(duì)于電流對(duì)金屬行為的作用機(jī)制已有較為深入的研究和探索，但若單純以某一種理論來(lái)解釋其行為產(chǎn)生的原因，或多或少都存在缺陷，因此還有待進(jìn)一步探索。

2 電致塑性效應(yīng)在工業(yè)中的應(yīng)用

雖然電致塑性的機(jī)制還不甚清楚，但這沒(méi)有影響其應(yīng)用，電致塑性這一現(xiàn)象已經(jīng)在很多領(lǐng)域取得很好的應(yīng)用效果。

電致塑性對(duì)金屬材料的力學(xué)性能研究表明，脈沖電流可以降低金屬變形抗力，增加金屬延伸率，提高金屬的穩(wěn)定流動(dòng)性，改善產(chǎn)品表面質(zhì)量，提高成形件的機(jī)械性能，最關(guān)鍵的是可以改善變形溫度和應(yīng)變速率等變形條件，因此，此現(xiàn)象一被發(fā)現(xiàn)就備受工業(yè)界關(guān)注，并成功地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其應(yīng)用前景很廣闊。

2.1 電致塑性拉拔

電拉拔是在普通的拉拔設(shè)備上增加高密度脈沖電源，一般輸入脈沖電流有3 種方式［31］：在拉拔變形區(qū)、拉拔變形前施加脈沖電流，其中拉拔變形前有兩種方式，分別如圖1 中a，b，c 所示，v表示絲材的運(yùn)動(dòng)方向，I 表示脈沖電流的方向。第一種方式是在拉拔變形區(qū)施加高密度脈沖電流。第二種方式中，把拉絲模本身當(dāng)作了一接觸電極，這樣脈沖電流帶來(lái)的輕微震動(dòng)等副效應(yīng)直接作用在模具上，會(huì)影響拉絲的質(zhì)量，而且拉絲模損耗較大。第三種方式拉絲過(guò)程中完全沒(méi)有電流通過(guò)，這樣電致塑性效應(yīng)不明顯，所以現(xiàn)在一般都選擇第一種電流輸入方式。

圖1 電流輸入方式

與普通拉拔相比，發(fā)現(xiàn)電拉拔所需的拉拔力大幅下降，這是因?yàn)樵诮饘偎苄宰冃螀^(qū)內(nèi)引入瞬時(shí)高能量脈沖電流，原子獲得能量，振動(dòng)能力增強(qiáng)，打開了位錯(cuò)間的纏結(jié)釘扎，降低了變形中的內(nèi)摩擦力。另外，引入的脈沖電流使金屬表面的微粒子產(chǎn)生振動(dòng)，降低模具與絲材的摩擦力。內(nèi)外摩擦力的降低，促進(jìn)絲材的變形，降低拉拔力，減緩絲材加工硬化，省去中間的退火過(guò)程，提高絲材的總拉拔變形量，改善絲材的顯微組織結(jié)構(gòu)和綜合力學(xué)性能［32－36］，因此采用電致塑性拉拔技術(shù)高效、節(jié)能，能獲得良好的產(chǎn)品質(zhì)量，已經(jīng)成為絲材加工中迅速發(fā)展起來(lái)的新型技術(shù)。

2.2 電致塑性軋制

電致塑性軋制使鎂合金、TiNi 形狀記憶合金等難以成形的軋制加工成為可能。與普通軋制相比，電軋制通過(guò)接觸電極裝置和軋輥將引入脈沖電流通過(guò)軋材，電流方向平行于軋材的行進(jìn)方向［36］。清華大學(xué)唐國(guó)翌［37］利用電致塑性軋制AZ31Mg 合金薄板，圖2 表示了普通軋制和不同頻率電軋制后實(shí)驗(yàn)結(jié)果，延伸率有了很大的提高，并且表面質(zhì)量與普通軋制效果相當(dāng)。這是因?yàn)槊}沖電流激活了非基底滑移系統(tǒng)，增強(qiáng)了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，變形區(qū)域晶粒明顯細(xì)化，出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、孿晶晶粒。如此成形工藝簡(jiǎn)化，減少退火工藝，無(wú)需加熱，軋材變形能力大為提高，變形抗力下降，改善顯微組織，軋制后強(qiáng)度高、韌性好［38－40］。因此，電軋制具有很好的研究和產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。

圖2 不同電參數(shù)下的延伸率

3 研究方向

3.1 機(jī)制研究的完善

電致塑性效應(yīng)與脈沖電流的頻率有很大的關(guān)系，一般頻率增大，電致塑性效應(yīng)也隨之增大，高頻電流通過(guò)材料時(shí)，電流通過(guò)金屬表面進(jìn)行傳輸，但是高頻會(huì)導(dǎo)致電流匯聚于金屬表面，伴隨大的發(fā)熱現(xiàn)象，金屬表面和內(nèi)部溫差增大，從而影響電致塑性效應(yīng)。另外過(guò)大的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致金屬整體溫度上升，溫度越高，原子能量越高，熱運(yùn)動(dòng)越激烈，對(duì)位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響越大，因此，在探討電致塑性微觀機(jī)制時(shí)，脈沖電流的宏、微觀熱效應(yīng)的控制是目前的難題，要盡量降低熱效應(yīng)或單獨(dú)就熱效應(yīng)機(jī)制的影響進(jìn)行重點(diǎn)研究。其次，金屬材料對(duì)其機(jī)制也有一定的影響。金屬中添加元素和雜質(zhì)元素會(huì)影響金屬顯微組織，如晶粒大小、原子間隙、原子空位金相結(jié)構(gòu)等，會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)組態(tài)、位錯(cuò)密度等的變化，也會(huì)影響機(jī)制的研究，因此在選擇材料時(shí)，可以選擇不同種類的純金屬，減小外加元素的影響。

3.2 應(yīng)用前景

在電致塑性際工程應(yīng)用過(guò)程中，還有很多技術(shù)需要深入研究和突破。不同的材料的電致塑性電參數(shù)和變形方案都不一樣，對(duì)每一種材料的最佳參數(shù)組合都得進(jìn)行針對(duì)性研究?，F(xiàn)在的電致塑性效應(yīng)一般在低速下才能得到，在應(yīng)用電致塑性進(jìn)行加工時(shí)，低的生產(chǎn)速度不符合現(xiàn)代企業(yè)的理念，提高速度，需要增加電流密度和頻率來(lái)彌補(bǔ)。另外電致塑性加工技術(shù)對(duì)通過(guò)變形材料橫截面的的電流密度有一定的要求，當(dāng)電流密度達(dá)到某一特定值（數(shù)十～數(shù)千A/mm2）時(shí)，材料的成形性能才能有明顯的提高，過(guò)高的電流密度對(duì)電源設(shè)備的提出更高要求，因此高密度脈沖電流設(shè)備的研發(fā)與制造就成了當(dāng)務(wù)之急了。另外，電致塑性具有明顯的方向性，垂直或平行于加工方向還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然電流密度限制了電致塑性效應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，但是對(duì)于漸進(jìn)成形和旋壓成形等成形工藝，由于模具與材料的瞬間接觸面積和加工零件尺寸特別是橫截面積比較小，過(guò)高的電流密度也能達(dá)到，因此電致塑性在微成形技術(shù)中將能得到很好的應(yīng)用，電流密度將不再是阻礙因素。在微成形過(guò)程中，由于零件尺寸很小，應(yīng)變對(duì)屈服應(yīng)力的影響更顯著，隨著應(yīng)變的增加，屈服應(yīng)力提高，變形抗力增大，塑性變形的不均性增大，材料的成形極限下降。同時(shí)，微零件在成形過(guò)程中與模具之間的摩擦極大地影響了其表面質(zhì)量，而且影響很難再用其他工藝修復(fù)。電致塑性可以細(xì)化晶粒、降低材料的變形抗力、提高成形極限、提高材料的塑性等，因此，電致塑性在微成形中具有廣闊的應(yīng)用前景。

對(duì)金屬塑性變形機(jī)制的研究歸根結(jié)底都落于位錯(cuò)的行為，而晶體的對(duì)稱度越低，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，位錯(cuò)的行為越復(fù)雜，給研究帶來(lái)不便?？梢酝ㄟ^(guò)控制初始取向、溫度及應(yīng)變速率等各種對(duì)塑性變形行為有著重要影響的塑性變形加工條件，根據(jù)熱力學(xué)條件對(duì)材料進(jìn)行重結(jié)晶、熱處理等預(yù)處理，改變與塑性變形微觀機(jī)制密切相關(guān)的織構(gòu)的形成及動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶行為，使位錯(cuò)的數(shù)量、形態(tài)等初始狀態(tài)處于一種相對(duì)有利的條件。同時(shí)，基于脈沖電流帶來(lái)的熱效應(yīng)對(duì)晶界、位錯(cuò)和空位等晶體缺陷的影響，在試驗(yàn)過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制溫升，采取適當(dāng)措施排除溫度對(duì)試樣引發(fā)的組織、性能變化。另外，各種滑移機(jī)制之間的競(jìng)爭(zhēng)是決定合金塑性變形行為的關(guān)鍵因素之一，而電流對(duì)不同滑移系統(tǒng)的交互作用會(huì)帶來(lái)不同的位錯(cuò)形態(tài)與結(jié)構(gòu)，并且不同類型的位錯(cuò)在不同晶體結(jié)構(gòu)中會(huì)發(fā)生不一樣的位錯(cuò)反應(yīng)。例如對(duì)于層錯(cuò)能低的擴(kuò)展位錯(cuò)發(fā)生攀移或交滑移的概率越小，越難合成為壓桿位錯(cuò)，因此也會(huì)得出不一樣的機(jī)制推斷。為了避免這些因素的影響，最好單獨(dú)就某一種典型晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。總之，盡管現(xiàn)在電致塑性效應(yīng)機(jī)制尚不明確，在不斷學(xué)習(xí)和總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總會(huì)探明其機(jī)制，擴(kuò)展其應(yīng)用的。

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