電流對金屬合金力學(xué)性能的影響及機(jī)理研究.pdf

1、在金屬材料的塑性成形過程中通入電流，能夠顯著地提高金屬材料的延伸率，降低流動應(yīng)力。根據(jù)這一特點(diǎn)，開發(fā)出的電輔助成形技術(shù)以高效節(jié)能的特點(diǎn)逐漸受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視，具有廣闊的發(fā)展前景。電流對金屬材料性能的影響主要由兩方面要素引起:一方面是電流產(chǎn)生的焦耳熱影響材料的熱力學(xué)性能;另一方面則是電流本身在不考慮溫度作用的情況下亦能夠引起材料應(yīng)力下降和伸長率提高。后者被稱為純電致塑性效應(yīng)，對該方向的研究在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)存在爭議，部分學(xué)者認(rèn)為并沒有電致

2、塑性效應(yīng)的存在，僅僅是溫度本身的作用引起材料力學(xué)性能發(fā)生改變。
　　為了更加深入地研究電流對金屬材料的影響，本文建立了一套新型電輔助拉伸測試系統(tǒng)，提出了一種新的對比試驗(yàn)方法，研究電流對金屬材料的焦耳熱效應(yīng)和純電致塑性效應(yīng)的影響。本文完成的主要研究工作包括:
　　(1)設(shè)計(jì)開展了連續(xù)電流作用下的電輔助拉伸試驗(yàn)，研究了電流密度、晶粒尺寸和流動應(yīng)力之間的影響關(guān)系。和相同溫度下的熱輔助拉伸試驗(yàn)結(jié)果相比，電流誘導(dǎo)下的金屬材料產(chǎn)生更低的

3、應(yīng)力，并且流動應(yīng)力隨著電流密度的增加而進(jìn)一步降低。通過對不同晶粒尺寸的銅合金進(jìn)行對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸越小，流動應(yīng)力越高，電流引起的流動應(yīng)力幅值下降越大;對于鋁合金的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著電流密度的增加，通電引起的應(yīng)變率敏感指數(shù)值由負(fù)值變?yōu)檎挡⒊掷m(xù)上升，并且電流引起的應(yīng)變率敏感指數(shù)值顯著高于溫度引起的指數(shù)值。同時(shí)，將電流對鋁合金塑性失穩(wěn)效應(yīng)(PLC效應(yīng))的影響和相同溫度下的應(yīng)力曲線比較，可以得出電流有助于消除鋁合金的鋸齒流變的結(jié)論。

4、>　　(2)設(shè)計(jì)開展了脈沖電流作用下的電輔助拉伸試驗(yàn)，研究了相同溫度峰值下不同脈沖電流密度和流動應(yīng)力之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，脈沖電流產(chǎn)生的峰值溫度引起銅合金產(chǎn)生應(yīng)力回復(fù);當(dāng)峰值溫度高于600℃時(shí)，應(yīng)力回復(fù)值與初始屈服應(yīng)力值接近。鋁合金的試驗(yàn)結(jié)果揭示，在產(chǎn)生相同溫度的條件下，隨著脈沖電流密度的增加，雖然最大應(yīng)力值不會產(chǎn)生較大波動，但是脈沖電流會引起瞬時(shí)應(yīng)力幅值將下降，并且伸長率顯著增加。這說明了電流對金屬材料有額外的作用。
　　(

5、3)建立了電輔助成形中適用于多種材料的熱效應(yīng)模型?？紤]連續(xù)電流作用的焦耳熱效應(yīng)，建立與材料熔點(diǎn)相關(guān)的熱軟化參數(shù)和歸一化電流密度之間的關(guān)系。根據(jù)適用于多種材料的熱軟化模型，得到不同材料的電流密度敏感系數(shù)，并有效解釋了金屬材料成形中的電流密度閾值。此外，建立了脈沖電流中金屬材料應(yīng)力幅值瞬時(shí)下降的預(yù)測模型，綜合考慮電流產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)和材料本身的應(yīng)變強(qiáng)化作用，模擬整個(gè)拉伸區(qū)間的應(yīng)力幅值下降，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。
　　(4)揭示了金屬材料在連

6、續(xù)電流和脈沖電流中的微觀組織演變規(guī)律，包括晶粒尺寸、晶界效應(yīng)、動態(tài)再結(jié)晶和空洞長大等。高電流密度下的連續(xù)電流拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，晶界區(qū)域出現(xiàn)空洞和熔融現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由電流產(chǎn)生的不均勻焦耳熱和應(yīng)變誘導(dǎo)的晶界熔化產(chǎn)生。銅合金在拉伸過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，并在斷裂區(qū)域出現(xiàn)疑似等軸鑄態(tài)組織和粗大樹枝態(tài)組織。此外，電流有助于抑制鋁合金鋸齒流變的產(chǎn)生，是由電流在沉積物附近團(tuán)聚并促進(jìn)沉積物的擴(kuò)散引起的。
　　(5)最后，本文提出了一種基于新型表面