6063T4鋁合金脈沖電流輔助拉伸力學性能實驗研究

杜 浩，湯澤軍，章錦濤，江雙雙，陳 劍

(南京航空航天大學 機電學院，南京 210016)

近年來,隨著人們環(huán)境保護及節(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)材料以達到零部件結構輕量化的目的[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)是限制其廣泛應用的一個主要原因[4-5].針對這一問題，近年來學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，證實了流動應力的純電致塑性效應，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力減少的機理，結果證實脈沖電流誘導產(chǎn)生的動態(tài)再結晶對流動應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，結果表明脈沖電流作用下板料中晶粒的細化和孿晶數(shù)量的減少是回彈減少的主要原因.3)電流誘導金屬材料的退火及晶粒細化.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晶.Maki等提出了一種基于電流焦耳熱效應的熱處理新技術[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，從而達到細晶的目的.因此，可將板料脈沖電流處理作為一種有效的細晶強化熱處理工藝.

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)象及電流作用時導致材料應力降低的因素.為此，本文選用Al-Mg-Si系合金6063T4鋁合金為研究對象，在自行設計的電流輔助拉伸模具上進行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力降產(chǎn)生的原因，并采用掃描電鏡及光學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，其化學成分如表1所示.對原始板料進行金相制樣，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鋁合金板料化學成分(質(zhì)量分數(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行處理.通電拉伸過程中采用K型熱電偶記錄試樣標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力學性能的影響，對室溫條件下的試樣進行了拉伸測試，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，當萬能拉伸試驗機上橫梁位移達到3 mm時(材料已進入塑性變形階段，所對應的真實應變?yōu)?.058)進行通電拉伸，其示意圖如圖4所示.為保證實驗的可重復性，針對每組電參數(shù)分別進行了5次實驗，取有較好重復性的幾組數(shù)據(jù)進行分析.

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化為溫升的效率分別為66.27%，62.59%，63.1%，這與文獻[16]所研究的5052鋁合金的通電過程中焦耳熱轉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 電流密度對應力及應變的影響

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為其對應的應力應變曲線.

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力應變曲線

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

在無脈沖電流的拉伸過程中，流動應力隨著應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，試樣應力出現(xiàn)瞬間下降，Roh等[7]稱之為應力降，在脈沖間隔內(nèi)應力迅速上升，加工硬化現(xiàn)象顯現(xiàn)，應力應變曲線呈現(xiàn)獨特的鋸齒狀，由整體應力應變曲線可以看出，與無電流條件下所獲得的應力應變曲線相比，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力，提高材料塑性.

2.3 電流密度對材料動態(tài)應變時效的影響

動態(tài)應變時效(Dynamic Strain Aging, DSA)是指在一定的溫度和應變速率范圍內(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，反映在應力曲線中則為應力的不穩(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[20].圖7為峰值電流密度為140 A/mm2下獲得的應力應變曲線，在電流輔助拉伸過程中呈現(xiàn)明顯的動態(tài)應變時效現(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，當應力超過游離原子的阻礙時，釘軋效應解除，宏觀表現(xiàn)為應力下降，這種釘軋及解除釘軋在材料塑性變形過程中循環(huán)往復，從而出現(xiàn)如圖7所得的在脈沖間隔內(nèi)(應力恢復區(qū)間內(nèi))材料流動應力的不穩(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下獲得的應力應變曲線

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力應變曲線，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力應變曲線

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

2.4 電流密度對應力降的影響

這里所指的應力降值是脈沖電流作用前后的應力差值，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)生的應力降是以下3個因素綜合作用的結果[21]：1) 溫度誘導所產(chǎn)生的體積膨脹；2)焦耳熱導致的材料軟化；3)脈沖電流的純電致塑性效應.圖9是本實驗選用的3種電流密度下獲得的應力降與真實應變之間的關系.圖9結果表明,在脈沖電流參數(shù)不變的情況下，隨著應變值的增加，應力降值基本呈線性增加，且在相同的應變條件下，脈沖電流密度越高，則應力降值越顯著.通過數(shù)據(jù)點擬合所獲得的應力降與應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力降的3個誘導因素對應力降的貢獻.

圖9 不同電流密度下應力降與真實應變間的關系

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，引起應力降因素中的溫度誘導體積膨脹所產(chǎn)生的熱壓縮應力相同，且可通過下式[22]進行計算：

(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致的材料軟化對應力降的影響，可通過引入含有溫度變量的Johnson-Cook模型[23]進行分析，其表達式為

(3)

上述方程的微分形式為

(4)

若只考慮焦耳熱對應力的影響，則上述微分方程則可表示為

(5)

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

在金屬純電致塑性效應的解釋中，研究最為廣泛，接受程度最高的是電子風理論[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)生促進位錯移動的電子風力[25-26]，在諸多研究電子風力的理論中，Klimov[27]的結果被認為更接近實際情況，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.

從上述電子風力的理論推導可以得出的結論是當電流密度較高且有較大塑性變形時，電子風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作用就愈加顯著，宏觀表現(xiàn)為應力降值更加明顯.

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，試樣所達到的最高溫度為165 ℃，其低于6系鋁合金動態(tài)再結晶溫度(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及電激活效應，原子擴散能力增強，從而降低了試樣再結晶溫度；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.

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 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力應變曲線表現(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，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力降是溫度誘導所產(chǎn)生的體積膨脹、焦耳熱效應、純電致塑性效應綜合作用的結果，在電參數(shù)一定條件下，應力降值隨著應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)再結晶溫度降低，在脈沖電流密度為140 A/mm2，溫度達到165 ℃時顯微組織中出現(xiàn)細化晶粒；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，這與應力應變曲線得到的延伸性增加相呼應.

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