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第5 9 卷第2 期 20 07 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N O ．2 M a v20 07 镁合金丝材的电致塑性拉拔研究 田昊洋，唐国翌，丁飞，徐卓辉，姜雁斌 清华大学深圳研究生院新材料研究所，深圳 5 18 0 5 5 摘要在常规拔丝工艺上利用自行研制的电子拉丝机，进行电致塑性加工镁合金丝材的试验，并对电致塑性拉拔后镁合金 丝材的微观组织进行系统分析。结果表明，在镁合金的拔制过程中引入适当的高能脉冲电流后，拔制应力出现较大幅度的降低， 降幅可达1 5 ％～2 5 ％，材料的塑性也得到了显著提高，与常规拔丝工艺相比。具有可取消或减少退火次数，提高生产效率，节省能 源，降低生产成本的优点。 关键词金属材料；镁合金丝材；电致塑性；拔制；微观结构 中图分类号T G 3 5 6 ．4 7 T G l 4 6 ．2 2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 2 0 0 1 0 0 4 高强高韧的镁合金丝可做为焊接材料、纤维增 强构件、眼镜架、特殊弹簧部件、航空零部件等应用， 具有极好的市场应用前景。然而，镁属于密排六方 结构金属，在常温下进行塑性成形很难，成品率很 低。目前，镁合金丝材的生产还没有成熟的工艺方 法，国内外对镁合金丝材的研究甚少，因此开发一种 能够生产出高强高韧的镁合金丝材拉拔工艺具有非 常重要的工程实际意义。 在拉丝加工的同时在拉丝模两端引入高能脉冲 电流，使脉冲电流作用于镁合金丝的变形区域。在 其产生的电致塑性作用下，使材料的变形能力提 高[ 1 “] 。通过选择合理的试验参数来研究变形镁 合金电致塑性拔丝工艺，并与常规拉拔进行比较，分 析脉冲电流在镁合金电致塑性拉拔过程中的作用， 并由材料的微观组织来解释材料性能改变的原理。 1实验方法 选取直径为中1 ．8 8 r a m 的退火态A Z 3 1 镁合金 丝材作为研究对象，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L 7J 。将部分退火态 镁合金丝材进行冷拉拔，另外部分在拉拔过程中导 入高能脉冲电流进行处理，拉伸速度为3 m ／m i n ，设 备如图1 所示。 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。 图1 实验设备图 F i g ．1 S c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fe l e c t r o p [ a s t i c d r a w i n g 图l 中加入电脉冲进行拉拔时对两个电极间的 镁合金丝材施加的电压为l l O V ，高能电脉冲的脉宽 为6 0 肚s ，加电处理区域长度约为3 0 0 m m ，通过改变 脉冲频率研究镁合金丝材电致塑性效应。拉丝膜置 于加电区域中心处，使用变压器油进行循环冷却。 在拉拔过程中加入力学传感器测试冷拉和电致塑性 拉拔的拔制力。 通过C M T 5 1 0 5 万能拉伸试验机对各道次拉拔 的丝材样品进行力学性能测试，并对拉伸断口进行 分析，根据力学性能选择最佳频率。采用B X 5 1 光 学显微镜对冷拉态和电致塑性拉拔态的丝材金相样 品进行显微组织分析，采用日立S 一4 7 0 0 场发射扫描 电子显微镜分析了断口形貌。 2 试验结果及讨论 2 ．1电致塑性拉拔对丝材力学性能的影响 原始直径夺1 ．8 8 m m 的镁合金丝材的拔制过程， 对不加电的常规拔制，由直径中1 ．8 8 m m 经2 个道次 万方数据 第2 期 田吴洋等镁合金丝材的电致塑性拉拔研究 的拔制拔到直径孛1 ．7 2 r a m 后，拉丝机一启动，即出 现断丝现象，使拔制无法继续下去，这表明镁合金丝 拔制时产生了明显的加工硬化。对于引入高能脉冲 电流的电致塑性拔丝，在同样的拔制条件下，可以连 续进行6 个道次拔制到直径夺1 ．4 2 r a m ，而无需中闯 退火处理。 初始退火态镁合金丝材的强度和延伸率分别为 2 7 0 M P a 和1 7 ％。丝材的电脉冲拉拔采取恒定拉拔 速度、电压和脉宽，为选择相应的最佳频率，在拉拔 过程的第一道次夺1 ．8 8 m m - - 螂1 ．7 9 m m ，研究了不同 频率作用下丝材力学性能的变化，结果如表1 所示。 山 兰 毯 嘲 捌 蝠 表1 不同频率作用下拉拔的A z 3 1 B 试样的力学性能 T a b l e1M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA Z 31Bw i r e b yd i f f e r e n tf r e q u e n c y 表1 结果表明，在该条件下1 5 0 H z 的频率时， 镁合金丝材综合力学性能最佳。在脉冲电流作用下 每道次选取最优频率参数进行处理得到的力学性能 测量结果见图2 。 图2 不同方式处理后A Z 3 1 B 试样的力学性能 F i g ．2 M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA Z 3 1 Bw i r eb yd i f f e r e n tt r e a t m e n t A Z 3 1 镁合金丝在不施加脉冲电流时，经过两道均匀，力学性能的测试也表明，材料的塑性也得到了 次拉拔以后就无法再继续拉拔下去，说明该丝材随一定程度的提高。 着变形程度的增加，强度上升，塑性下降即产生了明 显的加工硬化现象。而施加脉冲电流以后，同样的 丝材可以连续进行6 道拉拔，说明A Z 3 1 镁合金丝 在施加合理的脉冲电流以后，可以大大提高其塑性 变形能力，改善其加工性能。此种方法可省去镁合 金丝材常规拉拔的中间退火过程，提高生产效率，节 省能源，降低生产成本，有着很好的工程意义。 2 ．2 电致塑性拉拔对拔制力的影响 A Z 3 1 镁合金丝材在第一道次夺1 ．8 8 r a m 一 夺1 ．7 9 r a m 的拉拔中，常规拉拔和加入电脉冲拉拔两 种情况下的拔制力的变化如图3 所示 电脉冲频率 2 5 0 H z 。可见，在高能脉冲电流的作用下，拔制力 出现明显的降低，降低的幅度在1 5 ％～2 5 ％之间。 2 ．3 电致塑性拉拔对丝材微观组织的影响 对于第一道次中1 ．8 8 m m 一巾1 ．7 9 r a m 拉拔后，冷 拉态和电致塑性拉拔态的镁合金丝材的拉伸端口形 貌如图4 所示。 从图4 可看出，断口形貌受脉冲电流的影响也 是很明显的，当拉拔过程中加入适当的脉冲电流对 镁合金丝材进行作用时，材料断口的韧窝变得小而 常规j陵拔 二～“ ．加。 ”。0v 由] 电拉拔 图3 拔制力比较 F i g ．3 D i f f e r e n c eo fd r a w i n gf o r c e 脉冲电流产生的电子风对位错可产生推动力， 可使位错与亚晶界相互作用而加速原子的扩散，促 进位错攀移并加快向大角度晶界转变，位错回复速 度加快导致再结晶的速度加快，因此脉冲电流可提 高再结晶形核率。脉冲电流可降低再结晶形核界面 两边的能量差，而再结晶晶粒的长大过程取决于晶 粒界面的角度和界面两边的能量差，因此脉冲电流 可降低再结晶晶粒长大速度1 8 』。 万方数据 1 2有色金属第5 9 卷 变形过程中，孪生切变量一般都远小f 滑移变形量， 因此孪生本身对金属塑性变形的直接贡献并不大， 但孪生的作用在于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 就可获得较大的变形[ i 2 ] 。在常规拉拔过程中，基体 中容易发生大量的孪生，随变形的进行孪生会更多， a 一冷拉拔； b 一电致塑性拉拔 孪晶会相互碰撞，孪晶的尺寸会减小，此时晶格发生 图4A Z 3 1 丝材断口形貌 严重的畸变，如图5 a 所示。由于镁合金缺少易启 F i g 4 F r a c t u r em o d a l i t yo fA Z 3 1w i r e 动的滑移系，层错能较低且晶界扩散能力相对较高， 镁合金在外力作用下发生塑性变形时，滑移是 所以在拉拔过程中加入电脉冲进行处理时，这一过 一种重要机制。 0 0 0 1 晶面是镁合金中原子排列最 程是一种非平衡的过程，可促进动态再结晶进行。 紧密的基面，因此这是镁合金中最基本的滑移面。 镁合金丝材经过拉丝膜的时候，由于大量的塑性变 在室温下，产生基面{ 0 0 0 1 } 1 1 2 0 滑移的临界切应 形造成其晶体结构发生严重的畸变，为再结晶的发 力要比棱柱滑移面的临界切应力低一个数量级，因 生提供了有利条件，在合理参数的脉冲电流的作用 此只有基面产生滑移[ 9 ．1 1 1 。滑移的本质是位错的 下，在晶界、亚晶界及孪晶界处首先形核[ 12 i ，在这些 运动，镁合金丝材在常规拉拔过程中，材料内部位错 晶格严重畸变的高能位区域产生大量的晶核[ 13 | ，加 运动的速率会大幅度增加，在形变过程中位错密度 之脉冲电流可促进形核并抑制再结晶晶粒长大，从 也随应变增加而增殖。位错的运动和增殖会使位错 而获得了细小的再结晶晶粒组织。由图5 b 可见， 在变形过程中很快互相缠结、钉扎以及受晶界的阻 引入合理参数的脉冲电流加工后的镁合金丝材组织 碍而终止运动。所以导致镁合金丝材变形难以继 中同时存在大尺寸晶粒和小尺寸晶粒。在大尺寸晶 续。当加入脉冲电流时，由于脉冲电流的作用，当滑 粒中依然存在着很多孪晶，表明大晶粒中滑移和孪 移受阻时，位错可以通过交滑移运动，并且由于焦耳 生是变形的主要机制，而小晶粒晶界的滑动、移动和 热效应和非热效应的耦合作用，使原子振动能量进 转动协调了变形，使变形可以顺利继续进行，由于晶 一步急剧增加，位错的攀移加速，所以引入电脉冲处 粒细小，增加了可以滑动的晶界表面积，从而使小晶 理使镁合金丝材在拉拔过程中更容易发生塑性变 粒通过晶粒间晶界的滑动协助大晶粒变形[ ，引，这两 形，使拉拔应力降低。 种机制共同作用提高了镁合金的变形能力。 3结论 在拔制过程中引入脉冲电流对镁合金丝材进行 电致塑性拉拔，其抗拉强度降低，延伸率升高，塑性 得到了显著的提高。引入脉冲电流进行处理可显著 降低拔制应力，降幅可达1 5 ％～2 5 ％，材料的加工 。 一冷拉拔； b 一电致塑性拉拔 性能得到明显改善。拔制过程加入脉冲电流可使镁 图5 不同处理条件下A Z 3 1 B 丝材的显微组织 合金丝材发生动态再结晶，促进晶核形成并抑制再 F i g ．5 M i c r o s t r u c t u r eo fA Z 3 1 Bw i r eb yd i f f e r e n tt r e a g m e n t结晶晶粒的长大，这些小晶粒对晶界滑动发挥了重 对于镁合金来说，由于h c p 结构滑移系少，孪生 要作用，它可以协调大尺寸晶粒的变形，从而提高了 就在其塑性变形中起着重要的作用。由于金属塑性镁合金材料的塑性变形能力。 参考文献 [ 1 ] 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 6 9 ． [ 2 3C o n r a dH ，S p r e c h e rAF ；C a oWD ，e ta 1 ．E l e c t r o p l ／l s t i c i t y t h ee f f e c to fe l e c t r i c i t yo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e t a l s [ J ] ． J O M ，1 9 9 0 ，4 2 9 2 8 3 3 ． [ 3 ] S p r e c h e rAF ．M a 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 ee l e c t r o p l a s t i ce f f e c ti nm e t a l s [ J j ．A c t aM e t a l t u r g i c a ，1 9 8 6 ， 3 4 7 1 1 4 5 一1 1 6 2 ． [ 4 ] 董晓华，李尧．金属的电致塑性和电致超塑性效应[ J ] ．湖北工学院学报，1 9 9 6 ，1 1 4 1 6 ． 万方数据 第2 期 田吴洋等镁合金丝材的电致塑性拉拔研究1 3 [ 5 ] 郑明新，张人佶，朱永华，等．电塑性效应及其应用[ J ] ．中国机械工程，1 9 9 7 ，8 5 9 1 9 4 ． [ 6 ] T A N GG u o y i ，Z H E N GM i n g x i n ，Z H UY o n g h u a ，e ta 1 ．T h eA p p l i c a t i o no ft h eE l e c t r op l a s t i cT e c h n i q u ei nt h eC o l dd r a w i n g [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，8 4 2 6 8 2 7 0 ． [ 7 ] 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 ． [ 8 ] 刘志义，刘冰，邓小铁，等．脉冲电流对2 0 9 1 铝锂合金再结晶动力学的影响[ J ] ．中国有色金晨学报，2 0 0 0 ，I O 6 8 3 8 8 4 0 ． [ 9 ] [ 1 0 [ 1 1 [ 1 2 [ 1 3 [ 1 4 陈振华，夏伟军，严红革，等．镁合金材料的塑性变形理论及其技术[ J ] ．化工进展，2 0 0 4 ，2 3 2 1 2 7 1 3 5 ． 潘金生，全健民，田民波．材料科学基础[ M ] ．北京清华大学出版社，1 9 9 8 1 5 0 1 5 1 ． 陈振华，严红革，陈吉华，等．镁合金[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 2 1 0 ． 陈振华．变形镁合金[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 5 5 1 ． 张星，张宝红，张治民，等．变形参数对A Z 3 1 镁合金组织性能的影响[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 4 ， 4 7 ～1 1 ． 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 ． R e s e a r c ho nE l e e t r o p l a s t i cD r a w i n go fM g - a l l o yW i r 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 ，X UZ h u o h u i ，J I A N GY a h b i n 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 ee x p e r i m e n t so ne l e c t r o p l a s t i ct r e a t i n go fM g ．．a l l o yw i r ea r ec o n d u c t e db yt r a d i t i o n a lc o l d ．．d r a w i n gt e c h ．． n o l o g yw i t hs e l f d e s i g n e de l e c t r o d r a w i n gm a c h i n e ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h et r e a t e dM g a l l o yw i r ei ss y s t e m i c a l l ya n a l y z e d 。T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed r a w i n gd e f o r m a t i o ns t r e s so ft h eM g a l l o yw i r ei sr e m a r k a b l yd e c r e a s e db yaf a c t o ro f1 5 ％- 2 5 ％w i t hu s eo fh i g he n e r g yp u l s ee l e c t r i cc u r r e n t ．a n dt h ep l a s t i c i t yo ft h em a t e r i a l si so b v i o u s l yi m p r o v e d ．C o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a lc o l dd r a w i n g ，t h ee l e c t r o d r a w i n gt e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e so fc a n c e l l i n ga n n e a lt r e a t m e n to rd e c r e a s i n gt h et i m e s ，i m p r o v i n gw o r k i n ge f f i c i e n c y ，r e d u c i n ge n e r g y e o n s u m p t i o na n dp r o d u c t i o nC O S t ． 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 ；e l e c t r o p l a s t i c ；w i r e d r a w i n g ；m i c r o s t r u c t u r e 上接第9 页，C o n t i n u e df r o mP ．9 P r e p a r a t i o na n dP e r f o r m a n c eo fN e wT y p eA l ／M 9 2 S iC o m p o s i t eM a t e r i a l Z H O U Q i l 一，Z A N GS h u - 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