高能电脉冲处理对镁合金丝材性能的影响.pdf

第6 0 卷第4 期 2008 年11 月 有色金属 N o r l [ e r r o L l sM e t a l s V 0 1 ．6 0 ，N o ．4 N o v e m b e r20 08 高能电脉冲处理对镁合金丝材性能的影响 田昊洋，唐国翌，丁 飞 清华大学深圳研究生院新材料研究所，广东深圳5 1 8 0 5 5 摘要研究通过高能电脉冲对加工硬化的A Z 3 1 镁合金丝材进行在线处理，分析高能电脉冲作用下A Z 3 1 丝材力学性能、 断口形貌及微观组织的变化机理，并与传统退火处理工艺进行了比较。结果表明，电脉冲处理后丝材的综合力学性能相对常规退 火处理工艺有了较大的提高，处理后组织中出现大量微米和贬微米级的超细晶粒。 关键词金属材料；镁合金丝材；高能电脉；超细晶；力学性能；断口形貌；微观结构 中图分类号T G l 4 6 ．2 2 ；T G I l 3 ．1 2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 4 0 0 0 1 0 4 高强高韧的镁合金丝可应用于焊接材料、纤维 增强构件、眼镜架、特殊弹簧部件、航空零部件等方 面，具有极好的市场应用前景。然而，镁合金的塑性 变形能力差，材料的成品率低，因而其加工是有待突 破的难题。 高能电脉冲在材料加工中越来越受到重视，与 传统工艺相比，脉冲电流在金属材料组织结构转变 与性能改善方面有显著影响。目前国内外的一些学 者对应用高能电脉冲处理金属材料已经有了一定研 究[ 1 - 2 | ，采用高能电脉冲对钢丝，铜丝，镁合金带材 处理都取得了显著的成效，然而对镁合金丝材进行 处理的研究还未见报道。引入高能电脉冲的处理方 式对加工硬化的镁合金丝材进行在线处理，处理后 的镁合金丝材的综合性能得到大幅度提高，并观察 和分析了电脉冲处理对材料组织和性能的影响。 1实验方法 选取直径为争1 ．8 8 m m 的退火态A Z 3 1 镁合金 丝材，成分见表l 。将退火态镁合金丝材二道次冷 拔至牵1 ．7 2 m m 出现严重的加工硬化，将部分加工硬 化的A Z 3 1 丝材通过高能电脉冲进行无模走丝的在 线处理，其余加工硬化的A Z 3 1 丝材通过最优退火 工艺在箱式电阻炉中进行退火处理【3 】，采用的退火 工艺为加热至3 0 0 ℃，保温1 h ，随炉冷却至室温。 表1A Z 3 1 镁合金的化学成分 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fA Z 3 1m a g n e s i u m 歪奎丝堑 坚兰 鱼 垒竺生坠 含量2 ．5 - 3 ．50 ．6 ～1 ．40 ．1 5 - 0 ．50 ．0 5 0 ．1 00 ．0 0 50 ．0 0 5 余量 如图1 所示，对在两个电极间连续运动的镁合 金丝材施加电压为1 1 0 V ，脉冲的宽度为6 0 肛s 的高 能电脉冲，加电处理区域长度为3 0 0 m m ，走丝速度 采用4 m ／m i n ，通过改变脉冲频率来获得最优的力 学性能。试验采用循环油冷却方式。 等轴拉伸试验在C M T 5 1 0 5 拉伸机上进行，采 收稿日期2 0 0 6 1 1 1 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 5 7 1 0 4 8 作者简介田吴洋 1 9 7 9 一 ，男。哈尔滨市人。硕士，主要从事镁合 金电致塑性等方面的研究。 联系人唐国翌 1 9 5 4 一 ，男。辽宁昌图县人。教授，博士生导师， 主要从事金属材料电致塑性加工技术及相变储能材料 等方面的研究。 用日立S 一4 7 0 0 场发射扫描电子显微镜分析一了断 口形貌，显微组织通过B X 5 1 光学显微镜和H I R O X 数字式三维视频显微进行观察。 图l 试验装置示意 F i g ．1 S c h e m eo ft e s ta p p a r a t u s 万方数据 2有色金属第6 0 卷 2 试验结果和分析 2 ．1 高能电脉冲在线处理对A Z 3 1 丝材力学性能 的影响 对出现严重加工硬化而无法继续拉拔的A Z 3 l 丝材 抗拉强度3 5 0 M P a ，延伸率4 ％ 进行电阻炉退 火及高能电脉冲在线处理。选取最优退火工艺得到 的丝材抗拉强度为2 7 0 M P a ，延伸率1 7 ％。高能电 脉冲在线处理在不同频率处理下丝材的力学性能如 表2 及图2 所示。 表2电脉冲在线处理后A Z 3 1 丝材 的强度和延伸率 T a b l e2T e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fA Z 3 1w i r e t r e a t e db yh i g h d e n s i t ye l e e t r o p u l s i n g 结果表明，对于加工硬化的A Z 3 1 镁合金丝材， 逐渐提高电脉冲频率进行处理时，丝材抗拉强度先 下降后升高，延伸率先升高后下降，选择最优的电脉 冲参数 4 8 0 H z 进行在线处理时，丝材的抗拉强度、 延伸率较最优炉退火工艺处理分别提高7 ％和 3 5 ％。 X J1 5 02 1 02 5 I Ⅻm3 5 4 ‘X l4 ．5 05 0 05 , 5 06 0 0 F r e n q u e n c y H z 图2强度及延伸率与频率的关系 F i g ．2 C u r v e so ft e n s i l es t r e n g t ha n d e l o n g a t i o nw i t hf r e q u e n c y 2 ．2 高能电脉冲在线处理对A Z 3 1 丝材断口形貌 的影响 对于加工硬化的A Z 3 1 丝材而言，拉伸断裂处 未发生明显的颈缩现象。其断口形貌既有解理台阶 又存在细小撕裂棱及韧窝，拉伸断口主要为脆性断 裂，见图3 a 。而经其他不同方式处理后的丝材均 发生较明显的颈缩现象M - 6 J ，最优性能退火处理后 丝材断口形貌中韧窝数量明显增多且分布较均匀， 材料韧性明显升高，见图3 b 。而经最优参数的电 脉冲处理后，韧窝直径相对退火处理变得更小，见图 3 c ，韧性断裂所占比例增加。力学性能的测试也 表明，经适当的脉冲电流处理后，材料的塑性相对炉 退火处理得到了提高。 a 一加工硬化； b 一退火； c 一4 8 0 H z 电脉冲处理 图3A Z 3 1 丝材断口形貌 F i g ．3 F r a c t u r em o d eo fA Z 3 1w i r e 2 ．3 高能电脉冲在线处理对A Z 3 1 丝材微观组织 的影响及机理探究 A Z 3 1 丝材在冷拉拔过程中发生塑性变形时，材 料内部位错运动的速率会大幅度增加，在形变过程 中位错密度也随应变增加而增殖。位错的运动和增 殖会使位错在变形过程中很快互相缠结、钉扎以及 受晶界的阻碍而终止运动。所以导致镁合金丝材变 形难以继续，而孪生就在其塑性变形中起着重要的 作用，它可以调整晶体的取向并释放应力集中，激发 进一步滑移，使滑移和孪生交替进行，这样就可获得 相对较大的变形[ 7 - 9J 。在经过多道次冷拉拔后， A Z 3 1 丝材产生严重加工硬化，基体中发生了大量的 孪生，此时晶格发生严重的畸变，如图4 a 所示。 大量的塑性变形造成晶体结构发生的严重的畸变为 再结晶的发生提供了有利条件，在脉冲电流的作用 下，由于焦耳热效应和非热效应的耦合作用，使原子 枣，lloIl舀co面 万方数据 第4 期田吴洋等高能电脉冲处理对镁合金丝材性能的影响3 振动能量迸一步急剧增加，位错的攀移加速，孪晶相 互碰撞尺寸减小，并且在晶界、亚晶界及孪晶界处首 先形核，如图4 b 所示。随着脉冲频率的增加，在 这些晶格严重畸变的高能位区域产生了大量的晶 核，并且孪晶边界相互交割形成晶界亚晶界，最终发 展成新的再结晶晶粒【1 0 _ 1 2 J ，此时再结晶完全发生， 加之脉冲电流可促进形核并抑制再结晶晶粒长大， 因此组织中出现了大量细小的再结晶晶粒，如图4 c 所示。随着脉冲频率的进一步增加，由于焦耳热 效应的影响使处理的温度升高，再结晶晶粒长大，组 织中同时存在大尺寸晶粒和小尺寸晶粒，如图4 d 所示。 a 一J j Ⅱ- r 硬化； b 一4 0 0 H z 处理； c 一4 8 0 H z 处理； d 一5 7 0 H z 处理； e 一退火； f 一4 8 0 H z x 4 2 0 0 图4A Z 3 1 镁合金丝材的显微组织 F i g ．4M i c r o s t r u c t u r eo fA Z 31w i r e 通过最优参数进行炉退火的A Z 3 1 丝材的显微 组织中形成尺寸大小和分布较稳定的等轴晶，晶粒 尺寸在几个到十几个微米，见图4 e ，而在最优电 参数条件下处理 4 8 0 H z 得道的丝材再结晶晶粒尺 寸更为细小，组织中出现了大量晶粒尺寸在1 肛m 以 下的小晶粒，见图4 f 。细小的晶粒组织能够使材 料在受力时有较好的协调变形能力，使材料获得优 异的综合力学性能。而且电脉冲处理较炉退火处理 节省能源，提高了生产率。 A Z 3 1 丝材经大变性量冷拉后发生了严重的加 工硬化，材料在再结晶过程中，形核主要集中在变形 带以及晶界亚晶界处，再结晶形核的动力来自于材 料在冷变形过程中储存的能量。发现高能电脉冲促 进了材料再结晶过程，使得形核速率大大加快，同时 降低了晶核的长大速率。 再结晶晶粒的长大速率由变形储能决定。新核 长大速率G 可由式 1 给出D 3 ] ，其中K R 一位错湮 灭二次动力学常数；K G 一晶界迁移常数；t 一退火 时间；△F o 为t 0 时的驱动力。 G 一1 K G - 1 A F o 一1 K R t A 1 H ．C o n a r d 【1 4 ] 指出，在电脉冲作用下，G 随K R ／ K G 的增大而减少，K R 越大，施加电脉冲时位错湮 灭对加强位错攀移的影响越重要。 位错向亚晶界的攀移速率表示为单位时间的位 错攀移量如式 2 所示，歹是原子的总扩散系数，Q 是原子的体积，b 是柏氏矢量。j 可以表述为J 五 L ，其中五与热效应有关，L 与非热效应有关。L 可以近似的表示为式 3 E 1 5 ．1 引，其中D f 为晶格常 数，k 是玻尔兹曼常数；N ，为单位体积晶格中原子 的个数；J 。为峰值电流密度；T 是绝对温度；K 。相 关的电子定向运动的系数；I D 为电阻率；汤’为单位 体积晶格中有效电量i 括号中的第一部分，与电子 的定向运动相关，第二部分表示在脉冲条件下空位 的扩散。由 3 式可知，与常规热处理相比，电脉冲 处理的原子扩散系数．i 增大，因此可以使得空位在 较低温度下扩散。从而促进再结晶形核L l7 l 。 d n 。／d t J Q 乃 2 』。 K 。∞。 H 印乃。J 。 ／k T 3 万方数据 4有 色金属 第6 0 卷 3结论 1 采用最优参数的高能电脉冲处理加工硬化 的A Z 3 1 丝材，其抗拉强度为2 9 0 M P a ，延伸率为 2 3 ％，丝材的抗拉强度、延伸率较最优炉退火工艺分 别提高7 ％和3 5 ％。 参考文献 2 高能电脉冲处理后，A Z 3 1 丝材得到的再结 晶晶粒尺寸细小，部分小晶粒达到1 弘m 以下，细小 的晶粒使丝材的力学性能明显提高。 3 脉冲电流处理能够提高A Z 3 1 丝材的形核 率，同时抑制再结晶晶粒的长大，使组织性能优化。 [ I ] 沈以赴，郭晓檎，张坤，等．脉冲电流对金属材料的作用及其研究进展材[ J ] ．材料科学与工程，1 9 9 8 ，1 6 3 4 7 ． [ 2 ] 唐国翌，郑明新，朱永华，等．奥氏体不锈钢丝的电塑性拔制[ J ] ．金属制品，1 9 9 7 ，2 3 1 8 6 9 1 ． [ 3 ] 傅定发，许芳艳，夏伟军，等．退火工艺对轧制A Z 3 1 镁合金组织和性能的影响[ J ] ．湘潭大学自然科学学报，2 0 0 5 ，2 7 4 5 8 6 1 ． 【4 ] P o l e m e a rIJ ．M a g n e s i u ma l l o y sa n da p p l i c a t i o n s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 4 ，1 0 1 I 一1 6 ． [ 5 ] 崔约贤，王长利．金属断1 2 1 分析[ M ] ．哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 8 3 4 4 0 ． [ 6 ] 高洪涛，吴国华，丁文江．镁合金疲劳性能的研究现状[ J ] ．铸造技术，2 0 0 3 ，2 4 4 2 6 6 2 6 8 ． [ 7 ] 陈振华严红革，陈吉华．镁合金[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 8 8 8 9 ． [ 8 ] 陈振华．变形镁合金[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 5 2 0 2 2 0 5 ． [ 9 ] 余琨，黎文献，王日初．镁合金塑性变形机制[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 5 ，1 5 7 1 0 8 1 1 0 8 6 ． [ 1 0 ] 刘志义，邓小铁，王引真．脉冲电流对2 0 9 1 铝锂合金再结晶动力学的影响[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 0 ，1 0 6 8 3 8 8 4 0 ． [ 1 1 ] 张娅，马春江，卢晨．变形镁合金的塑性变形机制与动态再结晶[ J ] ．轻合金加工技术，2 0 0 3 ，3 1 7 3 5 3 9 ． [ 1 2 ] 凌云，黄光胜，范永革，等．变形A Z 3 1 镁合金的晶粒细化[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 3 ，1 3 6 5 9 4 5 9 8 ． [ 1 3 ] C o r t r a dH ，G u oZ ，S p r e c h e rAF ．E f f e c to fe l e c t r i cc u r r e n to nt h er e c r y s t a l l i z a t i o no fc o p p e r [ J ] ．S c r i p t aM e t a l l ，1 9 9 0 ，2 4 3 5 9 3 6 2 ． [ 1 4 ] C o n r a dH ，S p r e e h e rAF ．T h ee l e c t r o p l a s t i ee f f e c ti nm e t a l s [ M ] ／／N a b a r r oF RN ．D i s l o c a t i o ni nS o l i d s ．N e wY o r k E l s e v i e r S c i e n c e ，1 9 8 9 4 3 ，4 9 7 ． [ 1 5 ] S p r e c h e rAF ，M a m n n a nSL ，C o n r a dH ．O nt h em e c h a n i s m sf o rt h ed e c t r o p l a s t i ee f f e c ti nm e t a l s [ J 】．A e t aM e t a l l ，1 9 8 6 ， 3 4 1 1 4 5 1 1 5 2 ． [ 1 6 ] S c h a f f e r ，, ．s a x e l l a ，A m o l o v i c h ，e ta 1 ．T h eS c i e n c ea n dD e s i g no fE n g i n e e r i n gM a t e r i a l [ M ] ．2 n de d n ．B e i j i n g ，C h i n a H i g h e r E d u c a t i o nP r e s s ，2 0 0 3 5 4 8 5 7 0 ． [ 1 7 ] A d iB u l s a r aR ，G a m m a i t o n i L ．T u n i n gi nt on o i s e [ J ] ．P h y s i c sT o d a y ，1 9 9 6 ，3 3 9 4 5 ． E f f e c to fH i g h d e n s i t yE l e c t r o p u l s eT r e a t m e n to nM a g n e s i u mW i r eP e r f o r m a n c e T I A NH a o - y a n g ，T A N GG u o - y i ，D I N GF e i A d v a n c e dM a t e r i a l sI n s t i t u t e ，G r a d u a t eS c h o o la tS h e n z h e n ，T s i n g h u aU n i v e r s i t y ，S h e n z h e n5 1 8 0 5 5 ，G u a n g d o n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ew o r k - h a r d e n e dm a g n e s i u mw i r eo n l i n et r e a t m e n tp r o c e s sw i t hh i g h d e n s i t ye l e c t r o p u l s ei si n v e s t i g a t e d ． T h ei n f l u e n c e so fe l e c t r o p u l s ep r o c e s s i n go nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f r a c t u r em o d ea n dt h em e c h a n i s mo fm i c r o s t r u c t u r ev a r i a t i o no ft h eh a r d e n e dA Z 31w i r ea r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a l t r e a t m e n t s 。t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ei m p r o v e de n o r m o u s l yo ft h ew o r k h a r d e n e dm a g n e s i u mw i r et r e a t e d w i t hh i g h d e n s i t ye l e c t r o p u l s e ，a n dag r e a td e a l o fs u p e r f i n eg r a i n so fm i c r oa n ds u b m i c r os c a l ea p p e a ri nt h em i c r o s t r u c t u r e K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；m a g n e s i u mw i r e ；h i g h d e n s i t ye l e c t r o p u l s e ；s u p e r f i n eg r a i n ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；f r a c t u r em o d e ；m i c r o s t r u c t u r e 万方数据