電致塑性效應機制研究及其展望

彭書華，楊俊杰，李 堯

（江漢大學 機電與建筑工程學院，湖北 武漢 430056）

0 引言

電致塑性效應（electro－plastic effect，簡稱EP效應）是指金屬在塑性變形過程中，在外加電流或者電場等電刺激下使其塑性提高，變形抗力下降的現象。

1 電致塑性的機制研究

近年來，國內外學者對這一領域進行了進一步研究，并取得了一定的進展。現在學者一致認為電致塑性效應是一種復合結果，是多種物理效應共同作用導致的。主要有以下幾個方面：

1）焦耳熱效應。金屬的電阻使溫度升高、金屬軟化。

2）磁壓縮效應。電流的磁場使固體等離子體產生壓迫，導致金屬徑向受壓軸向受拉，在高頻脈沖電流作用下，磁壓縮效應產生的應力一般很小，對塑性變形的影響不大。

3）純電塑性效應。學者認為電致塑性的實質是大量位錯的產生和運動，高密度脈沖電流提高金屬內部原子的運動能量，改變金屬內的位錯激活能，加快位錯的運動速度，打開位錯之間的相互纏結，克服滑移系的障礙，從而提高金屬的塑性［2－3］。總而言之，電致塑性是漂移電子增強了位錯的運動能力導致的，最先發現電致塑性效應的Troitskii 等也同意這一觀點，認為金屬中漂移電子使可動位錯密度得以提高，或改變位錯的分布［4］。對于漂移電子到底怎樣促進位錯的運動，學者們結合前人的經驗給出了一些推測和猜想［5－15］，不過現在還是缺乏實驗數據和相應的研究方法及對原有數據的精確預測，因此其微觀機制的研究基本處于探索階段。

1.1 電子風力對位錯的影響

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

1.2 漂移電子提高可動位錯密度

但是空位對位錯的作用也是有限的，而且位錯過多，晶內滑移機制不易協調，會造成位錯塞積和變形應力的增大，反而會抑制塑性變形。

1.3 漂移電子對堆垛層錯能的影響

但是現在堆垛層錯能和擴散激活能的測定還只是停留在理論模型階段，具體的測定方法還有待進一步完善，而且測定結果的精確度有待進一步提高，因此相關能量的測定還欠缺實驗數據依據。

1.4 漂移電子對顯微組織的影響

脈沖電流不僅對位錯有直接的作用，其對顯微組織和精細結構的作用也不可忽視。S. D.Prokoshkin 等［26］綜合分析脈沖電流對Ti－Ni 記憶合金的組織與性能的影響，發現脈沖電流加速了再結晶的過程，抑制晶粒長大，細化晶粒，同時林化強等［27］也發現脈沖電流促進了Ti－6Al－4V 合金組織由等軸α 相和晶間β 相轉化為鋸齒狀的α'相，顯微組織明顯得到細化。晶粒細化可以提高材料的力學性能，降低抗拉強度，再結晶過程中晶粒的形核、長大會影響原晶界和亞晶界，再結晶動力對原組織造成能量漲落，這些都會影響位錯的分布與運動，對電致塑性也有不可忽視的作用。

1.5 電磁場對位錯的促進

研究表明，M. Molotskii［28］從磁場的角度提出以一種新的模型來解釋電致塑性。他認為脈沖電流產生了感應磁場，在順磁性區域晶格對位錯的阻力下降，位錯更容易運動，因此導致材料的超塑性。北京理工大學劉兆龍［29］在此基礎上，推導出位錯滑移所需克服的阻力佩—納力，其計算表明磁場對位錯的作用力大約是電子風力的104倍。該一模型成立的條件是，在電磁場下，位錯的自由部分長度增加，且位錯的扎定中心為順磁性相［30］。

雖然學者們對于電流對金屬行為的作用機制已有較為深入的研究和探索，但若單純以某一種理論來解釋其行為產生的原因，或多或少都存在缺陷，因此還有待進一步探索。

2 電致塑性效應在工業中的應用

雖然電致塑性的機制還不甚清楚，但這沒有影響其應用，電致塑性這一現象已經在很多領域取得很好的應用效果。

電致塑性對金屬材料的力學性能研究表明，脈沖電流可以降低金屬變形抗力，增加金屬延伸率，提高金屬的穩定流動性，改善產品表面質量，提高成形件的機械性能，最關鍵的是可以改善變形溫度和應變速率等變形條件，因此，此現象一被發現就備受工業界關注，并成功地應用于工業生產中，其應用前景很廣闊。

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、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表示絲材的運動方向，I 表示脈沖電流的方向。第一種方式是在拉拔變形區施加高密度脈沖電流。第二種方式中，把拉絲模本身當作了一接觸電極，這樣脈沖電流帶來的輕微震動等副效應直接作用在模具上，會影響拉絲的質量，而且拉絲模損耗較大。第三種方式拉絲過程中完全沒有電流通過，這樣電致塑性效應不明顯，所以現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，發現電拉拔所需的拉拔力大幅下降，這是因為在金屬塑性變形區內引入瞬時高能量脈沖電流，原子獲得能量，振動能力增強，打開了位錯間的纏結釘扎，降低了變形中的內摩擦力。另外，引入的脈沖電流使金屬表面的微粒子產生振動，降低模具與絲材的摩擦力。內外摩擦力的降低，促進絲材的變形，降低拉拔力，減緩絲材加工硬化，省去中間的退火過程，提高絲材的總拉拔變形量，改善絲材的顯微組織結構和綜合力學性能［32－36］，因此采用電致塑性拉拔技術高效、節能，能獲得良好的產品質量，已經成為絲材加工中迅速發展起來的新型技術。

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，電軋制通過接觸電極裝置和軋輥將引入脈沖電流通過軋材，電流方向平行于軋材的行進方向［36］。清華大學唐國翌［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驗結果，延伸率有了很大的提高，并且表面質量與普通軋制效果相當。這是因為脈沖電流激活了非基底滑移系統，增強了位錯的運動，變形區域晶粒明顯細化，出現動態再結晶、孿晶晶粒。如此成形工藝簡化，減少退火工藝，無需加熱，軋材變形能力大為提高，變形抗力下降，改善顯微組織，軋制后強度高、韌性好［38－40］。因此，電軋制具有很好的研究和產業化價值。

圖2 不同電參數下的延伸率

3 研究方向

3.1 機制研究的完善

電致塑性效應與脈沖電流的頻率有很大的關系，一般頻率增大，電致塑性效應也隨之增大，高頻電流通過材料時，電流通過金屬表面進行傳輸，但是高頻會導致電流匯聚于金屬表面，伴隨大的發熱現象，金屬表面和內部溫差增大，從而影響電致塑性效應。另外過大的熱效應會導致金屬整體溫度上升，溫度越高，原子能量越高，熱運動越激烈，對位錯線運動產生的影響越大，因此，在探討電致塑性微觀機制時，脈沖電流的宏、微觀熱效應的控制是目前的難題，要盡量降低熱效應或單獨就熱效應機制的影響進行重點研究。其次，金屬材料對其機制也有一定的影響。金屬中添加元素和雜質元素會影響金屬顯微組織，如晶粒大小、原子間隙、原子空位金相結構等，會導致位錯組態、位錯密度等的變化，也會影響機制的研究，因此在選擇材料時，可以選擇不同種類的純金屬，減小外加元素的影響。

3.2 應用前景

在電致塑性際工程應用過程中，還有很多技術需要深入研究和突破。不同的材料的電致塑性電參數和變形方案都不一樣，對每一種材料的最佳參數組合都得進行針對性研究。現在的電致塑性效應一般在低速下才能得到，在應用電致塑性進行加工時，低的生產速度不符合現代企業的理念，提高速度，需要增加電流密度和頻率來彌補。另外電致塑性加工技術對通過變形材料橫截面的的電流密度有一定的要求，當電流密度達到某一特定值（數十～數千A/mm2）時，材料的成形性能才能有明顯的提高，過高的電流密度對電源設備的提出更高要求，因此高密度脈沖電流設備的研發與制造就成了當務之急了。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一步研究。

4 結語

雖然電流密度限制了電致塑性效應在實際生產中的應用，但是對于漸進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，過高的電流密度也能達到，因此電致塑性在微成形技術中將能得到很好的應用，電流密度將不再是阻礙因素。在微成形過程中，由于零件尺寸很小，應變對屈服應力的影響更顯著，隨著應變的增加，屈服應力提高，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，微零件在成形過程中與模具之間的摩擦極大地影響了其表面質量，而且影響很難再用其他工藝修復。電致塑性可以細化晶粒、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用前景。

對金屬塑性變形機制的研究歸根結底都落于位錯的行為，而晶體的對稱度越低，結構越復雜，位錯的行為越復雜，給研究帶來不便。可以通過控制初始取向、溫度及應變速率等各種對塑性變形行為有著重要影響的塑性變形加工條件，根據熱力學條件對材料進行重結晶、熱處理等預處理，改變與塑性變形微觀機制密切相關的織構的形成及動態回復與再結晶行為，使位錯的數量、形態等初始狀態處于一種相對有利的條件。同時，基于脈沖電流帶來的熱效應對晶界、位錯和空位等晶體缺陷的影響，在試驗過程中，必須嚴格控制溫升，采取適當措施排除溫度對試樣引發的組織、性能變化。另外，各種滑移機制之間的競爭是決定合金塑性變形行為的關鍵因素之一，而電流對不同滑移系統的交互作用會帶來不同的位錯形態與結構，并且不同類型的位錯在不同晶體結構中會發生不一樣的位錯反應。例如對于層錯能低的擴展位錯發生攀移或交滑移的概率越小，越難合成為壓桿位錯，因此也會得出不一樣的機制推斷。為了避免這些因素的影響，最好單獨就某一種典型晶體結構進行深入研究。總之，盡管現在電致塑性效應機制尚不明確，在不斷學習和總結前人經驗的基礎上，總會探明其機制，擴展其應用的。

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