脈沖電流處理對H62雙相黃銅升溫相變變體演變的影響

李冬雪

(揚州市職業大學 江蘇 揚州 225009)

1 引言

迄今，關于馬氏體相變或擴散型相變變體選擇的研究已經有很多報道，但這些研究主要集中在對于冷卻過程中的變體選擇，如Cu-Zn合金的到相的相轉變過程，由于傳統熱處理工藝加熱速度和冷卻速度受限，關于升溫過程中相變變體選擇的研究一直處于空白，尤其關于升溫相變組織中晶體學信息對材料性能的影響的研究未有報道。

高密度脈沖電流處理作為一種非平衡處理手段，具有快速加熱、快速冷卻的特點，在短時間之內產生或者與外界交換高密度能量，使一些在平衡狀態下很難實現的過程得以實現。因此，本實驗擬借助高密度脈沖電流處理研究H62雙相黃銅在升溫相變過程中的變體演變。

2 實驗方法與組織結構表征

實驗材料：選用厚度為1.5 mm的商業H62黃銅板材作為實驗的初始材料，其化學成分為Cu 62wt%、Zn 38wt%。

掃描電鏡（SEM）形貌觀察與EBSD分析：JEM-7001F場發射掃描電子顯微鏡，主要用于材料表面形貌觀測，能譜分析、微觀取向的測定與分析等。為了便于比較，對樣品的SEM分析所選區域均選定為樣品的側面中心區域。

3 實驗結果

3.1 脈沖電流密度對變體微觀形貌的影響

根據焦耳熱和Cu-Zn合金二元平衡相圖的分析，樣品經脈沖電流密度為jmax=17.6 kA mm-2和jmax=18.5 kA mm-2處理后，樣品有效區溫度達到fcc結構的α相和bcc結構的β相的相轉變點。在458 ℃時，存在β→β′的有序無序轉變，一般認為這個有序無序轉變不影響新生成的相的織構及其在基體中的含量，因此本文中的相轉變過程主要針對α相與β相之間的擴散型相變。

圖1給出不同電流處理條件下樣品中β相從α相中形核析出的演變規律。從圖1觀察可知，脈沖電流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2時，大量形狀不規則的β相沿著α相的晶界和晶內開始形核且隨機分布。在脈沖電流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2處理的樣品中可觀察到，α相晶粒細化的同時，形核初期在α相晶內形成的β相幾乎觀察不到，β相沿著α相的晶界分布。另外，通過比較不同電流密度下的晶粒尺寸，結果發現隨著電流密度的增大，β相晶粒明顯長大。因此，脈沖電流對于第二相晶粒形核和長大有顯著影響。

圖1 ECP處理后樣品的顯微組織

通過比較分析大量SEM-EBSD形貌圖，發現不同電流密度下，脈沖電流處理之后β相主要有三種形核和長大方式，分別是：

（1）晶內形核：主要在孿晶界、亞晶界和滑移帶等晶內缺陷密集處形核，這些區域能量較高易于形核；

（2）晶界形核：在兩個晶粒的界面同樣是易于形核的高儲能區域；

（3）界隅長大：三相鄰晶粒的三晶交界處發生α→β相變。

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對于常規的熱處理方式，β相的形成主要存在于晶界和三晶交界處，因而認為在常規的熱處理制度之下，α→β相變的相變織構主要來源于晶界和三晶交界處形核的β相，而脈沖電流處理極大的提高了α→β相變形核速率，結果發現β相在α相晶內形核作為一種很重要的形核方式存在。因此，脈沖電流處理對β相形核和長大具有較大的影響，后續脈沖電流對α→β相變過程β相取向和變體選擇的研究具有深遠的意義。

為了進一步分析β相從α相晶內形核取向的演變，圖2給出了圖1中不同電流處理條件下β相的EBSD取向分布圖。其中，灰色區域對應fcc的Cu(α相)，彩色區域對應bcc的CuZn(β相)。觀察分析可知，不同電流處理條件下在晶界和晶內形核的β相以及沿著晶界生長的β相取向各異。

圖2 不同電流密度下β相的取向分布

3.2 脈沖電流密度對變體取向的影響

為了進一步分析脈沖電流密度對析出相微觀取向的影響，以深入研究脈沖電流處理對H62黃銅升溫相變形核過程的影響，對不同脈沖電流密度的樣品進行了EBSD測試及分析。

由于掃描電鏡下觀察到的在α相晶界和晶內生成和晶界的β相尺寸小，為了更清晰客觀準確地反應樣品的微觀組織和取向信息，所以在EBSD的信號采集時采用的1000倍的方法倍數，步長為0.08 μm。以確保生成的β相更好的被識別。

圖3(a)為脈沖電流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2樣品的Phase map，從圖中我們可以觀察到大量細小的相彌散分布于α相的晶界和晶內，另外初始存在的團聚在晶界處的粗大相形狀變的不規則。圖3(b)為脈沖電流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2樣品的β相{110}晶面的極圖。分析結果表明，受初始存在大量相的影響<110>取向為主要的相分布取向。

圖3 jmax=17.6 kA mm-2樣品β相取向

圖4(a)為脈沖電流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2樣品的Phase map，在圖中可以觀察到，大量的β相沿著晶界形核長大尺寸相較于jmax=17.6 kA mm-2的樣品已經明顯長大，并且大量晶內形核的β相的生長對α相起到碎化作用，使得α相晶粒尺寸減小。前人實驗結果中由于實驗條件所限，相變的升溫過程難以觀察到，研究多側重于降溫過程中相變過程。他們認為，α相的細化是因為降溫過程中α相沿著β相的晶界析出，以及隨后的快速冷卻來不及長大所致，但是缺乏β相本身對α相晶粒細化的作用方面的研究。而從本實驗結果中可以明顯觀察到升溫過程中β相在α相晶內形核長大，對α相的晶粒細化起到一定作用。

圖4 jmax=18.5 kA mm-2樣品β相取向

圖4(b)為脈沖電流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2樣品β相{110}晶面的極圖。比較圖3(b)和圖4(b)兩張極圖中相取向演變可知，在電流密度較低時，由于形核不完全，大量細小相沿晶內晶界析出，但是初始大塊β相沿晶界分布，且β相取向主要受大塊晶粒取向的影響主要呈<110>取向分布；隨著脈沖電流密度的增加，初始大塊β相完全消失，且主要沿<111>取向分布。

3 分析與討論

式中：

j(t)—t時刻脈沖電流的電流密度

ρ—合金的電阻率

td—脈沖持續時間

cp—合金的比熱容

d—合金的密度

當脈沖電流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2和jmax=18.5 kA mm-2時，試樣有效區溫升分別達到699 ℃和770 ℃，結合相圖可知，脈沖電流處理誘導α→β相變發生。按照相圖分析可知，在脈沖電流加熱過程中，部分α相轉變成β相，然后在脈沖電流冷卻過程中，部分α相轉變成的高溫β相再次轉換成室溫的α相。

當電流進入金屬導體時，電流具有促進高導電相形成抑制低導電相形成的特點。因此，脈沖電流對固態相變的作用與母相形成新相晶核后兩相的電導率不同有關。若不計較電子在界面處的散射作用，或者這種作用相對比較弱的情況下，在母相中形成具有更高導電相的新相后，整個體系的電流分布會由于導電率不同而發生變化。

對于H62雙相黃銅來說，在脈沖電流處理的過程中發生α→β相變的溫度區間內，（σα=σ0）＜（σβ=σ1），通過相關公式計算，可知能量差ΔWe＜0，這說明當體系中電流通過時，形成具有臨界半徑的晶胚所需克服的熱力學勢壘Wc下降，所以試樣β相的形核率由于脈沖電流的作用而得到提高，ΔWe與jx2(t)成正比，即β相的形核率隨著電流密度的增大而顯著提高。換句話說，脈沖電流作用下具有促進高導電相β相更容易析出。并且這種形核勢壘的降低不僅使在α相的晶界等能量聚集處形核率提升，更使得β相在α相晶內形核得以實現，這在常規熱處理制度中是難以實現得。并且這種晶內形核的方式，使得β相的快速形核長大對α相起到碎化的作用，α相晶粒得以細化。由于脈沖電流處理前試樣原材料完全相同，原始樣品中所含的α相和β相的含量相同，因此認為脈沖電流處理之后，β相含量的差異是脈沖電流處理之后的結果。

通過統計計算，不同脈沖電流處理條件下，脈沖電流密度峰值為jmax=17.6 kA mm-2時，α相含量占比83.3%，β相占比16.7%，jmax=18.5 kA mm-2，樣品中α相含量占比52.7%，β相的含量占比47.3%。隨著脈沖電流密度的增大，我們觀察到β相的含量明顯增大。

上述分析可知，隨著電流密度的增大，α相中析出的β相含量增多，這可以歸結為電流處理有利于高導電相的形核，但是截至目前，關于脈沖電流對升溫相變過程中高電導相β相的形核長大機制研究甚少，尤其β相的形核長大對α相晶粒細化的影響幾乎沒有報道。

對于相變過程，發現的相變過程的初期階段，往往遵循著一定的有理位相關系K-S關系fcc{111}//bcc{110}，fcc<110>//bcc<111>。眾所周知，對于服從有理位向關系的母晶與子晶，由于晶體對稱性，有多種彼此獨立的可能晶面及可能晶向的對應關系存在，即存在所謂變體。

就理想情況而言，從α相母晶中按照K-S關系生成的24種變體應當服從隨機分布，即24種變體等可能出現。然而如圖3以及圖4示，對于所選取的α相晶粒，其新生成的β相晶粒的取向并不是隨機的，而是存在一定擇優性，表明在ECP處理過程中發生的α→β相變中存在變體選擇。

另外，從圖3(b)和4(b)的比較中可以看出，隨著脈沖電流密度的增大，β相的取向呈現更加規律的趨勢，這種現象也預示著隨著脈沖電流密度的增大，變體選擇有著更加明顯的傾向性。

4 結論

通過研究電流密度對析出相微觀結構和變體演變的影響，結果發現：

第一，脈沖電流具有促進β相形核的作用，隨著脈沖電流密度的增大β相含量明顯升高，尤其，結合高密度脈沖電流處理具有高的冷卻速率，脈沖電流處理可以將高溫非平衡態保留到室溫，為研究高溫相變過程提供了可能。

第二，對于所選取的α相晶粒，其新生成的β相晶粒的取向并不是隨機的，而是存在一定擇優性，表明在ECP處理過程中發生的α→β相變中存在變體選擇。