（机械设计及理论专业论文）电塑性效应对金属流动应力的影响机理及实验研究.pdf

摘要 摘要 在金属压力加工中 利用电塑性效应可降低金属变形抗力 增加金属 成型极限 改善产品表面质量 同时 电塑性效应的产生能使金属中残余 应力显著下降 可以被用来作为一种消除局部应力 提高工件质量的新工 艺 目前 人们对电塑性效应的机理还不十分清楚 电塑性加工过程的理 论计算更是该技术推广的瓶颈 因此 研究电塑性效应机理和其工艺参数 的计算方法具有十分重要的意义 本文介绍了国内外电塑性效应的研究历史及现状 通过分析单脉冲电 流对金属流动应力的影响 推导7 单脉冲电流作用下金属漉动应力的计算 公式 得出了电塑性效应对金属流动应力的作用本质是电流对金属应变速 率产生了影响这一论断 为研究电流对金属流动应力影响提供了理论依 据 本文自行研制了电塑性实验用脉冲电流发生器 该发生器用5 5 5 时基 集成电路和达林顿管来控制电路的导通与截止 产生脉冲电流 满足了电 塑性效应实验中对脉冲电流强度 频率和脉宽的要求 为了验证计算结果 的正确性 进行了铜丝的电塑性拉伸实验研究 得出了电塑性效应发生 时 电流密度 温度 应交程度和应变速度对金属流动应力下降值的影响 规律 关键词电塑性效应 热激活 位错 脉冲电流 流动应力 燕山大学工学硕士学位论文 e l e c t r o p l a s t i ce f f e c tc a nb ee m p l o y e dt oi n c r e a s em e t a lf o r m i n gl i m i t r e d u c ed e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ea n di m p r o v es u r f a c e q u a l i t y o fp r o d u c t e l e c t r o p l a s t i cf o r m i n gc a na l s ob eu s e da san e wt e 虻l m o l o g yt oe l i m i n a t el o c a l s t l s sa n di m p r o v ep r o d u c tp e r f o r m a n c e s i n c ei n t e r n a lr e s i d u a ls t r e s sd e c r e a s e s s i g n i f i c a n t l yw h e ne l e e t r o p l a s t i ce f f e c te x i s t i n g a tp r e s e n t t h em e c h a n i s mo f e l e c l x o p l a s t i ee f f e c ti s s od e a rb yf a r a n dt h e o r ya n a l y s i so fe l e c t r o p l a s t i c f o r m i n gp r o c e s sh a sb e c o m eab o t t l e n e c ko ft h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o p l a s t i c f o r m i n gt e c h n o l o g y i ti s t h e r e f o r e o fg r e a ti m p o r t a n c et op e r f o r mr e s e a r c ho n t h em e c h a n i s mo f e l e c t r o p l a s t i ce f f e c ta n dc o m p u t a t i o nm e t h o d s i nt h i sw o r k t b e o r i c a lr e v i e wa n du p d a t e dp r o g r e s so nt h er e s e a r c ho f e l e c t r o p l a s t i ce f f e c ti sp r e s e n t e d b yi n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c eo fs i n g l ep u l s e c u r r e n to nm a t e r i a lf l o ws t r e s s f o r m u l a t i o n so ff l o ws t r e s sc a l c u l a t i o nu n d e r u n i a x i a lt e n s i o nw i t hp u l s ec u r r e n ta p p l i e da r ed e d u c e dt h e r e a r e r a n di ts h o w s t h a tt h ef l o ws t r e s sr e d u c t i o nr e s u l t sf r o mt h ee f f e c to fc u r r e n t0 ns t r a i nr a t e t h e s et h e o r i e sa l ee x p e c t e dt o p r o v i d e af o u n d a t i o nf o ri n v e s t i g a t i n gt h e i n f l u e n c eo fc u r r e n to nm e t a lf l o ws 仃e s s a p u l s eg e n e r a t o rw a sd e v e l o p e d f o rt h ee l e c t r o p l a s t i ce f f e c tt e s t i nw h i c h 5 5 5t i m eb a s ei n t e g r a t e dc i r c u i ta n dd a r l i n g t o nt r a n s i s t o ra r eu s e dt og e n e r a t e p u l s ec u r r e n t a n dc o n t r o lt h ec i r c u i tc o n d u c t i o na n dc u t o f f t h eg e n e r a t o ri s c a p a b l eo fm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fp u l s ec u r r e n td e n s i t y f r e q u e n c ya n d p u l s ew i d t h a tl a s t t ov a l i d a t et h ec a l c u l a t e dr e s u l t s e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n t e n s i l et e s t so fc o p p e rw i r ew a sc a r r i e do u t a n dt h ei n f l u e n c e so fc u r r e n td e n s i t y t e m p e r a t u r e s t r a i na n ds t r a i nr a t eo nm a t e r i a lf l o ws u e s sd u r i n gf o r m i n gp r o c e s s c o m p a n i e d w i t he l e c t r o p l a s t i ce f f e c th a v eb e e nd e t e r m i n e d q u a n t i t a t i v e l y k e y w o r de l e c t r o p l a s t i ce f f e c t t h e r m a la c t i v a t i o n d i s l o c a t i o n p u l s ec u r r e n t f l o ws t r e s s n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 电塑性效应 e l e c t r o p l a s t i ce f f e c t 是指在电 电子照射 电场 电流 等电刺激 的作用下所导致的金属在塑性变形过程中塑性增加的现象 目前 比较普遍的观点认为电鳖性效应是由于电流或电场降低材料的 变形抗力 提高其应变速率和延伸率以及抑止空洞长大的结果 并认为这 些现象的产生与电流或电场作用于原子迁移和位错运动有关 即高能电流 或电场与材料中的位镄产生了交互作用 使位错获得额外的能量 这样就 会有更多的位错可以摆脱缠结和钉扎 从而提高了材料塑性变形的能力 但是 迄今为止电塑性作用的基本特性还不十分清楚 甚至金属在不 同条件下表现出的电塑性效应是否说明相同的基本过程 也不能肯定 目 前 国内对电塑性效应的研究还刚刚起步 相关研究报道不多 且集中于 对电塑性拔丝实际生产过程和电致超塑性的研究 国外的研究成果也很有 限 存在许多不确定甚至互相矛盾的结论有待进一步证实 关于电塑性效 应的研究 一直存在以下三个主要问题 电流 电场对材料作用的本质 电流 电场在材料中产生电塑性效应的机理 电塑性效应中各塑性相关量 变形抗力 可延伸率等 的理论计算方法 已有研究结果表明 利用电塑性效应可降低金属的变形抗力 大幅度 增加材料的成型极限 延长模具寿命 改善产品表面质量 提高成材率 同时 电塑性效应的产生使得金属中残余应力显著下降 可以被用来作为 一种消除局部应力 防止变形和提高工件质量的新工艺 因此电塑性效应 有望在轧制 辊压 冷拔等塑性加工过程中得到广泛的应用 1 2 电塑性效应研究的发展历史及现状 1 2 1 电塑性效应的发现 金属中的电迁移 e l e c u o m i g r a t i o n 或电传输 e l e c t r o t r a n s p o r t 现象 最早可阻追溯到1 8 6 1 年m g e r a d i n 的工作i i m g e r a d i n 最先在铅 锡和汞 燕山大学工学硕士学位论文 钠熔融合金中观察到了原子在电流作用下的运动现象 v b f i s k 和 h b h u n t i n g t o n 分别在1 9 5 9 年和1 9 6 1 年提出了电子风驱动力的概念 2 奠 定了电迁移理论的基础 此后 科学家们才开始系统地研究电流对材料性 能的影响 电塑性效应最初是在1 9 6 3 年由前苏联学者t r o i t s k i i 和l i c h t m a n 做表面 活化剂研究时发现的聊 他们在单向拉伸直径为lm m 长度为1 6m m 的锌 单晶体实验中发现 当加速电子沿晶体滑移系 0 0 0 1 方向照射时 锌 试样的应变硬化率降低 极限伸长量增大 塑性显著提高 此后 t r o i t s k i i 和l i c h t m a u 又作了一系列研究电流对金属变形和延伸 性能影响的重要实验 4 l 图1 l 为锌单晶体在液氮温度下轴向拉伸时变形抗 力的变化曲线 整个实验中 拉伸速度为o 0 1m n v m i n 每隔2 5 秒向试样 中通入电流密度为o 5 i 5 x 1 0 3a r a m 2 和脉冲宽度约为1 0 4 秒的脉冲电流 实验曲线包括弹性变形区 三次拉伸区 a 区 和三次停拉区 b 区 实 验试样没有明显的加热现象 由图l l 可以看出 高密度的脉冲电流对弹性 变形区无影响 曲线平滑 对应力松弛区 b 区 也无影响 曲线也较为 平滑 影响完全发生在塑性变形区 a 区 主要表现为变形抗力在每个脉 冲作用时产生突然的跃变 而且电压 或电流密度 越高载荷的跃变也越 大 由于载荷跃变总是朝着降低的方向进行 所以脉冲电流降低了锌单晶 体的变形抗力 提高了锌单晶体的塑性变形能力 这就是最初的由脉冲电 流导致的电塑性效应实验 t 图1 1 锌单晶体在液氨温度下拉伸载荷变化 f i g 1 1t e n s i l el o a dv a r i a t i o no f az i n cc r y s t a la tl i q u i dn i t r o g e nt e m p e r a t u r e 2 第1 章绪论 t r o i t s k i i 在发现金属单晶体的电塑性效应后又对z n c d p b s n 和i n 等多晶体的带电拉伸傲了进一步的研究工作 5 1 实验结果表明 这些多晶体 和其单晶体一样 在拉伸状态下对其施加脉冲电流时 也会出现拉伸力下 降的现象 而且在其它条件相同时 其拉伸力的下降值和单晶体的大致相 同 1 2 2电塑性效应的研究现状 自从1 9 6 3 年电塑性效应被发现以后 前苏联学者对此进行了大量的 比较有系统的研究工作 并于1 9 9 0 年成立了 强化材料加工过程的电工艺 协会以推广电塑性技术的应用 在俄罗斯 电塑性效应已被航空航天局应 用于金属钛的实际生产加工中 6j 因其具体生产过程及工艺仍属国家机密 而鲜为人知 1 9 7 8 年 美国学者也开始了这一领域的研究工作 北卡罗莱 纳州立大学h a n sc o n r a d 教授等研究人员系统地研究了单个脉冲电流对单 向拉仲状态下金属流动应力的影响 为电塑性效应机理的研究奠定了理论 基础 7 1 我国在这一领域研究是从二十世纪九十年代开始的 并且主要集中于 电致超塑性的研究 东北大学的刘志义等人重点研究了脉冲电流对2 0 9 1 铝 锂合金超塑性效应的影响1 8 l 湖北工学院的李尧等人以z n 2 2 a 1 和7 4 7 5 铝合金为材料 分别研究了外加电场和电流对其超塑性的影响1 9 西北工业 大学的李淼全对l y l 2 c z 铝在强电场下的超塑性进行了研究 lo 东北大学 的刘勃然 赖祖涵等人研究了脉冲电流对拉伸状态下冷轧态2 0 9 1 a 1 一l i 合金 超塑性形变的影响 l 这些研究结果表明在电的作用下 这些金属可在相 对较低的温度下 以较大的应变速率实现超塑性变形 并发现一定密度的 电流能增加材料的延伸率 降低流动应力 研究认为 这一现象的产生是 由于电流或电场的存在影响了金属中空穴的产生和迁移 抑止了空洞的长 大 同时电子的定向漂移对位错的滑移也产生了某种促进作用 三蛱大学 的候东芳等人系统地研究了脉冲电流对拉伸状态下7 4 7 5 a 1 合金内位错形念 的影响i 控l 通过透射电镜观察发现晶内位错呈顺电子流动方向排列 并且 认为这种位错形态的产生源于脉冲电流引起的电子风对位错段产生的电子 燕山大学工学硕士学位论文 风力 促进了位错的运动 这为电塑性的电子风理论提供了实验依据 石 油大学的李世春在对z n s a i 共晶合金轧制板材在电场下拉伸的实验中发现 一种反常的电塑性效应1 1 3 即电场的存在提高了z n 5 a l 共晶合金的变形抗 力 降低了应变速率和延伸率 他认为这一现象是由于电场在试样表面产 生感应电荷 感应电荷产生表面空洞 从而影响塑性变形过程 1 9 9 5 年清 华大学在国家自然科学基金资助下开展了电塑性效应工程应用的系统研 究 现己在电塑性加工用高密度脉冲电源设备的研制和电塑性拔丝的工程 应用方面取得了新的进展 1 4 1 2 0 0 4 年马鞍山市玉龙金属制品集团公司与清 华大学合作的 碳结钢丝和不锈钢丝电塑性拉拔生产实验研究 项目的签 订 为电塑性实际生产应用开创了新的局面 1 3电流对材料性能的影响 电流特别是脉冲电流的塑性效应 普遍反映在与变形有关的各种物理 过程中 现有的实验结果表明 电流对材料的流动应力 延伸率 应力松 弛 蠕变 裂纹和疲劳 以及带电加工后的材料性质等均会产生影响 1 3 1电流对材料应力松弛的影响 t r o i t s k i i 等人在研究中发现 j 在7 sk 的温度下 当峰值电流密度为 4 0 0a i m m 2 脉冲宽度为6 5 鄙 频率为1 0 0h z 的电流脉冲施加到z n p b 和c d 的晶体上时 它们的应力松弛速度比不加电时明显加快 并且当应力 松弛前的应力值越大 加电和不加电时应力松弛速度差异也就越明显 实 验结果还表明 当所加电滚与拉伸方向相反时 应力松弛的速度会有更大 的增加 对试样施加不同脉宽和频率电流的研究表明 当电流的脉冲宽度 加大时 试样的应力松弛速度会加快 而电流反向后 当电流的脉冲宽度 或两个脉冲之闻的时间加大时 应力松弛的速度加大的现象会变褥不明显 1 3 2电流对材料蠕变的影晌 t r o i t s k i i 在7 8k 的温度下用峰值电流密度为2 0 0 2 5 0a m m 2 脉冲宽 度3 0 2 4 0g s 频率为1 0 0h z 的电流脉冲对锌的晶体进行蠕变实验i i 实 验中发现 蠕变速度的增加幅度随着脉冲宽度的增加而增加 当脉冲宽度 4 第1 章绪论 增大到1 1 0 1 5 0l a s 时达到最大值 直流脉冲电流明显提高了材料的蠕变速 度 而对于能产生相同热量的交流电 蠕变速度的增加相对来说要小得多 t r o i t s k i i 还用峰值电流密度为1 5 0 3 0 0 a n u n 2 频率为2 6 0 0 h z 的电 流脉冲研究了电流频率对蠕变的影响 结果表明在7 8k 的温度下 z n 和 z n c d 合金的蠕变率随着所加电流的电流频率的增加而增加 频率为2 1 0 0 h z 时这一现象最为明显 1 3 3 电流对材料疲劳的影响 t r o i t s k i i 研究发现 1 6 高密度直流脉冲能使处在交变负载下的锌晶体的 屈服应力提高3 3 且屈服应力的变化量随着晶体的位向的不同而不同 实验中使用的是密度为1 0 3a r a m 2 脉宽为1 0 0 郴 频率为0 2h z 的脉冲电 流 试样处于7 8 k 的温度环境中 对处于循环应力作用下的多晶体铜施加电流密度为1 0 4 a r a m 2 脉冲宽 度为1 0 0 岬 频率为2h z 的脉冲电流可使其疲劳寿命加大和8 倍 此外 实验中还发现在电流作用下试样发生塑性变形时产生的滑移带的线密度增 大 同时平均宽度减小 通过透射电镜对试样的分析表明 试样的晶界和 晶体内部的位错密度在加电之后变小 与此同时 试样中的晶间断裂和穿 晶断裂之比在加电之后也有所减小 1 3 4 电流对材料裂纹的影响 o o l o v i n f i n k e l 和s l e t k o v 研究了电流对裂纹增殖的影响 他们在实 验中使用了电流密度1 0 3a r a m 2 脉宽为1 0 0 岬的直流脉冲电流 材料为 拉伸状态下的硅铁板 他们发现 裂纹的生长与电流密度和通电开始时刻t 有关 当电流密度为1 0 3a r n m 2 且 2 0 0 邶 r 0g s 时 起始裂纹不可能长 大 这段时间是阻止裂纹长大的最佳时间 当在裂纹产生之前 f 1 0 0 螂 通以电流 就不会出现裂纹扩展被 阻碍的现象 通过实验还发现 能够阻碍裂纹扩展的脉冲电流密度 的适 用范围为0 2 x 1 0 3a r a m 2 j 4 1 0 3a r a m 2 不在这个范围的电流都不能阻 碍裂纹的长大 伴随这个现象最显著的特征是位于被阻碍的裂纹尖端有一 5 燕山大学工学硕士学位论文 个火口 即一个椭圆形的洞 主轴沿着裂纹长大的方向 火口的大小与脉 冲电流参数有关 从l o 岬至1 0 0 弘s 不等 火口的边缘有熔化的痕迹 表 明裂纹尖端的温度曾经升高到1 5 0 0 1 3 5电塑性效应极性的研究 c o n r a d 等研究了施加电流后锌晶体中的位错运动情况 1 8 向试样中通 入电流密度为7 5 0 0a m m 2 脉宽为2 0 0 邮的脉冲电流 观察试样 1 1 2 2 方向的位错运动 结果发现 无论电子运动的方向与位错运动 的方向相同或相反 都能增加位错运动的速度 而且增加的幅度与电流密 度成正比关系 电子运动的方向与位错运动方向相同时位错运动速度的增 加较相反时更加明显 另一个有关电子对位错影响的实验如图1 2 所示 直径为2 0 m m 的铜 球和钨球被夹在两块平行的平板之间 通入5 3 0 a 的电流 轻微地旌加压 力使球和平板之间发生变形 由于变形量很小 板与球之间的接触区域的 半径约为5 1 0 3m m 所以在这一区域可得到很大的电流密度 由对称结构 可知在两个接触区域位错运动的方向是相反的 而电子运动即电流的方向 是相同的 这将导致这两个区域位错运动的速度不一样 变形量出现差异 但是对于不同金属 其变形结果并不相同 如图i 3 所示 电流使得铜的正 极接触面积大于负极 而钨则正好相反 图1 2 电塑性极性实验结构示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o p l a s t i c p o l a r i t yt e s t 6 萋i 皂2 馨i o 螽4 2 05l o1 52 02 53 0 电流强度 a 图1 3 接触面积差与电流强度的关系 f i g 1 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n c eo f c o n t a c ta 嗍a n dc u r r e n ti n t e n s i t y 第1 章绪论 极性效应在实际丝材拉拔生产中同样存在f 嘲 拉拔力变化具有明显的 方向性 如图1 4 所示 图中箭头方向为拔丝方向 由上 下曲线的比较 可见 电流方向与丝材运动方向相同时 拉拔力的下降十分明显 电塑性 效应较大 当它们的方向相反时拉拔力下降较小 电塑性效应减弱 图i 4 电拉拔生产中的极性效应 f i g 1 4p o l a r i t ye f f e c ti nd r a w i n gp r o c e s sw i t hd e c l r i c i t ya p p l i e d 1 4电塑性效应在工业生产中的应用 t 电塑性效应发现不久 在研究电流导致的塑性效应的同时 就开始了 电塑性加工技术的应用研究 最先的应用是在金属的拔丝工艺方面 即电 塑性拔丝 简称电拔丝 电拔丝实验表明刚 与普通拔丝比较 它不仅简 化钢丝的生产过程 并且还改善了钢丝的质量 提高了其综合机械性能 适用的电参数范围为 电流密度 0 1 3 1 0 3 a n u n 2 脉冲宽度3 0 1 0 0l l s 脉冲频率1 0 1 0 0k h z 与普通拔丝相比 电拔丝的特点是在拔丝模前后主 要是金属丝的变形区内接入脉冲电流 已试验过的丝材有铜丝 钢丝和不 锈钢丝等 其拔丝速度和单次拔缩率均比相应的同道次下的普通拔丝工艺 高得多 此外 试验结果还证明 电拔丝生产的铜丝机械性能较好 与普 通拔丝相比 屈服强度提高了5 8 塑性提高了6 8 电塑性加工技术在钢丝生产上已取得了近于实用的成果 2 0 8 m n 2 s i 低合金钢丝由巾5 5 衄拔至耷1 9 9 蚴 当拔制速度为2 3 8r i d s 时 普通拔丝 需经过十5 5 一似 6 一巾3 9 3 一巾3 4 一耷3 0 一怛 6 4 一怛 3 一巾1 9 9n l n l 七道拔制 工序 而引入适当范围的脉冲电流后 在相同的拉拔速度下 只需由5 5 一 2 9 一巾3 2 9 一巾2 7 5 一牵2 3 9 一巾1 9 9 m m 五道拔制工序 节约了两道工序 7 燕山大学工学硕士学位论文 该材料的盘条钢从巾6 5m m 拔至中1 6i n t o 时 普通拔丝经四道工序拔至m 4 0 m m 以后 必须进行退火才能继续拔制 但采用脉冲电流拔制时 经过三道 工序拔至 0 m m 后 可不遇火一直拔至巾1 6 l n l 电拔丝因降低了变形应 力 可提高每道拔丝工序的变形量和变形速度 减少拔丝道次和减 免中 间退火 从而提高钢丝的生产效率 另外 在c r 2 0 n i 8 0 合金的电拔丝过程 中 因电拔丝时材料塑性较高 所以可简化合金的拔丝生产过程 例如 它的普通拔丝过程是似 o 一巾3 6 3 叫b 3 1 3 一夺2 6 5 一巾2 2 4m i l l 拔丝速度是 1 7 9m s 而电拔丝过程为 0 一由3 3 7 一怛 7 4 一怛 2 4 m i l l 拔丝速度达到了 3r o d s 电拔丝使得拔丝工序减少 拔丝速度提高 对镍铬不锈钢丝1 2 c r l s n i l 0 t i 钢电拔丝实验结果表明l z 2 1 拔丝力随电 流密度的提高而降低 以脉冲电流的效果为最好 随着拔丝速度的提高 在保证同样拔丝力降低值的条件下 所需电流强度的增加较小 单道拔丝 后的钢丝的强度和弹性随电流密度的增大而缓慢下降 但塑性提高较快 随变形程度的增大 强度提高 塑性下降 普通拔丝的强度始终比电拔丝 的高 且电拔丝的强度呈直线变化 符合于霍尔一佩奇关系 而电拔丝的 塑性始终比普通拔丝的高 这里 最重要的差别还在于钢中 相 即马氏 体相 含量的不同 电流的作用使钢中 相含量由6 0 7 0 降至6 7 此 结果具有重要实际意义 普通拔丝的中间拔制不希望q 相含量高 因为会 造成硬化 必须用中间退火来消除 电拔丝大大降低钢中q 相的含量 故 没有进行中间退火的必要 电塑性技术在难成型或低塑性材料的辊压加工中也得到了应用让m 将 直流脉冲电流 6 0h z 通过一对滚轮导入辊压加工中的丝材 其方向垂直 于丝的前进方向 在电流密度为1 0 2 1 0 4a r a m 2 的条件下 可将直径为 0 1 加 5 咖的金属丝 钨丝 镭丝 钛合金丝等 辊压成厚度为微米级的 薄丝带 辊压时采用压缩空气冷却 辊压变形区的平均温度不高 免除了 一般辊压工艺中要求的高温和真空等条件 因此成型工艺大大简化 此外 电辊压生产的薄丝带质量好 无裂缝 前苏联学者k m k i i i m o b 等人对难 成型的f e c o 一2 v 合金采用电辊压成型工艺 将直径为2n a r n 的合金丝直 接辊压成微米级厚度的薄带 丽不必进行常规工艺所需要的中间退火 矗 第1 章绪论 1 5 对电塑性效应的解释 发现金属的电塑性效应后 前苏联学者t r o i t s k i i 采用电子风 e l e c t r o n w i n d 的概念来解释电塑性效应 1 6 l 他认为当电流通过正在进行塑性变形 的金属时 漂流电子可以对金属中的位错施加力的作用 这种力被称为电 子风力 它帮助位错越过前进中的障碍 从而提高了金属的塑性 降低了 金属的变形抗力 但后来的研究表明r h 电流尤其是近年研究最多的高密度短脉宽的脉冲 电流所造成的塑性效应 实际上是一种复合效应 是多种物理效应共同作 用的结果 其中主要的有 1 焦耳热效应由于电阻的存在导致温度升高而使金属软化 2 磁压缩效应 由于电流的磁场对固体等离子体产生压迫而使金属 受径向压力并导致受轴向拉力 3 集肤效应当高频电流通过导体时 电流主要通过金属的表面进行 传输的现象 这会使得导体表面与内部产生温度差 4 纯电塑性效应即电子和位错之间的相互作用 又称为电子塑性效 应 e l e c t r o p l a s t i c i t y 1 5 1 焦耳热效应对金属流动应力的影响 电流在通过导体时不可避免的会产生焦耳热 这些热量会导致材料产 生热膨胀和热软化 对于拉伸过程而言 热膨胀会减小拉伸力 但实验表明 当单晶体 锌进行压缩变形时 通电也会使变形抗力减小 材料膨胀时压缩变形应该 更难进行 如果焦耳热产生的热膨胀效应是产生电塑性效应的主要因素 则带电加工时 压缩变形抗力会因热膨胀效应而加大 同样 如果电塑性 效应是热膨胀所引起的 在电拉伸实验中也不会出现拉伸力的降低值随电 流流动方向而变化的情况 这说明除了焦耳热产生的热膨胀还有其它的因 素影响着电塑性加工时的变形抗力 材料温度的升高使得材料软化 而导致其屈服应力下降 然而 实验 表明洲 当在试样上施加脉冲宽度为1 0 0 坤脉冲峰值电流密度为5 0 0a r a m 2 燕山大学工学硕士学位论文 的电流脉冲时 在液氮中拉伸试样的温度只上升0 4 当脉冲峰值电流密 度加大为2 0 0 0a r a m 2 后 试样的温度也只有3 8 c 的交化 相同的条件在 室温下拉伸时 试样的温度也最多只有1 2 1 6 的变化 因此 在实验中 焦耳热也不会对材料的变形抗力产生明显的影响 1 5 2 磁压缩效应对金属流动应力的影响 由于电流的磁场对固体等离子体产生压迫而使金属受径向压力 因而 在电塑性拉伸实验中 有一部分拉伸力的减少可能是这种磁压缩效应引起 的 通过电磁有质力的计算表明 在丝材拉伸过程中 磁致伸缩效应对拉 应力的影响很小 例如 铁丝电拉伸试验中 当电流密度为6 0 0 0 a r a m 2 时 达到磁饱和 磁压缩应力仅为3 5 x 1 0 6m p a 相对于电塑性流动应力的降低 值要小得多 1 5 3 集肤效应对金属流动应力的影响 电流的集肤效应也有可能对拉伸力造成影响 文献 2 5 1 的实验中 在试 样内部和试样的表面放置热电偶来测量由于电流在试样内部和试样表面分 布不均而产生的温度差 结果表明 在液氮中拉伸时 即使电流密度很高 时 试样内部和其表面温差也不会超过0 3 另外 在试样的径向放置热 电偶测量时 试样的中间和两端看不出明显的温差 这说明实验过程中电 流的集肤效应不会对金属流动应力产生明显的影响 1 5 4 纯电塑性效应对金属流动应力的影晌 从以上的分析可以看出 焦耳热效应 磁压缩效应和集肤效应都不会 对拉伸力产生明显的影响 因而电子与位错之间的相互作用即纯电塑性效 应才是引起金属流动应力下降的主要原因 对于纯电塑性效应机理的研究 俄 美学者已经做了大量的工作 但 问题仍处在探索之中 金属塑性变形的微观机理表明 2 6 塑性变形的实质 是由于大量位错的产生和运动 由于位错的运动和相互间的作用 在塑性 变形过程中 将产生位错的缠结和位错与第二相及晶体缺陷等反应 从而 阻碍了位错的运动 产生加工硬化 使塑性变形难于继续 而高密度的脉 协 第1 章绪论 冲电流的引入可使材料内部原子运动的能量升高 改变金属中位错滑移所 需的激活能 加快运动位错的速度 帮助它们克服其滑移面上的障碍 因 而可以极大地提高金属的塑性 1 6 课题来源 研究内容及意义 本课题来源于河北省教育厅博士基金项且 电塑性加工原理在金属线 材拉拔生产中应用 课题研究的主要内容有 1 本文在对电塑性效应的基础理论问题进行大量的分析与研究的基 础上 建立金属流动应力与电流密度的关系式 得出脉冲电流对金属流动 应力产生影响的本质 为电塑性加工工艺参数的确定提供理论依据 2 自行研制电塑性实验用脉冲电流发生器 该脉冲电流发生器可以调 节输出脉冲电流的密度 频率及脉宽 满足电塑性效应实验及加工过程对 电参数的要求 3 利用自行研制的脉冲电流发生器 对电塑性拉伸过程中试样流动应 力的变化规律进行实验研究 并将实验值与理论计算值进行对比分析 另外 使用a n s y s 有限元软件对电拉伸过程中的电热进行模拟分析 为定量研究电塑性效应中的热效应提供方法 大量研究结果表明利用电塑性效应可降低金属变形抗力 增加金属成 型极限 改善产品表面质量 电塑性加工技术还可用于各种导电类材料的 加工过程及消除残余应力的处理过程 该项技术已经在航空航天领域的材 料加工中取得了很好的实际应用效果 目前 人们对电塑性效应的机理还 不十分清楚 电塑性j j n t 过程的理论计算更是该技术推广的瓶颈 因此 本课题的研究内容不仅具有重要的理论意义 而且为电塑性效应的工程应 用提供了实际参考价值 l l 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章电塑性效应对金属流动应力的影响 及其机理研究 2 1引言 在金属压力加工过程中电塑性效应主要体现为电流对金属流动应力和 延伸率的影响 其中流动应力是确定金属压力加工工序的重要指标 因此 研究带电加工过程中金属流动应力的变化规律 特别是拉伸状态下 单脉 冲电流对金属流动应力的影响 是研究电塑性效应基础理论的根源所在 金属塑性变形的微观机理表明 塑性变形的实质是由于大量位错的产 生和运动 电塑性效应的产生必然与电流对位错的作用密切相关 从位错 滑移的热涨落解脱观点看 2 7 电塑性效应本质上是一种熟激活过程 在电 流的作用下 位错克服障碍所需的热涨落比无电流时小得多 在这里位错 热涨落解脱之后 位错滑移的惯性解脱机制也可能接着发挥作用 位错在 滑移过程中受到漂移电子的牵引力作用加速运动 直至碰到下一个障碍 这种电流帮助位错克服障碍 加速电子运动的作用导致了金属变形过程中 塑性的提高 本章通过研究单脉冲电流对拉伸状态下金属流动应力的影响 提出了 一种考虑金属内局部应力场对位错滑移平均速率影响时 电塑性效应中应 力与应变速率之间的关系式 并由此给出了单脉冲电流作用下金属拉伸时 流动应力值的计算方法 2 2 塑性变形的热激活理论 晶体中的原予 以它的平衡位置为中心 不断地作不规则的热运动 晶体中的位错也是这样 即使在不受外力作用时 它们也不是静止的 而 是沿着滑移面作不规则的振动 位错线被杂质原子钉扎的点可以认为是相 对固定的点 即振动的节点 温度越高 振动的振幅也越大 振动能越高 当这种振动能大于钉扎能时 位错线便可以在热振动的帮助下越过障碍进 第2 章电塑性效应对金属流动应力的影响及其机理的研究 行滑移 这就是热激活塑性变形的基本理论 2 引 引起晶体塑性变形的主要因素是外力 即外力推动位错产生塑性变形 塑性变形在液氮温度 4k 下还能进行 表明位错的滑移不一定依靠热激 活过程 但热激活过程对塑性变形是有影响的 这可以从试验结果中看出 拉伸试验中的屈服应力和流动应力是随温度和变形速率变化而变化的 蠕 变试验中的应变是随时间而变化的 这种效应在高温变形中特别突出 在 低温变形中同样存在 这类现象证实了位错越过障碍的热激活过程 即位 错可以借助热起伏越过障碍而进行滑移 在位错的滑移面上不规则地分布着许多障碍 位错的滑移必须越过障 碍来进行 设 日为位错线越过障碍的激活能 通常 h 是位错线实际所受 应力 即有效应力d 的函数 由于晶体中原子不断地作不规则的热运动 引起位错线的布朗运动 即位错线沿其滑移面作不规则的振动 按照能量 均分定律 运动的每个自由度具有 i 2 k t 的能量 七为波尔兹曼常数 r 为 绝对温度 所以位错的振动能就等于其平均势能和平均动能的叠加为灯 在温度丁下 热激活产生能量a h 的几率由玻耳兹曼 b o l t z m a n n 因子 e x p 一址 k t 决定 设位错线的振动的固有频率为 依据玻耳兹曼定律 在单位时间内位错线依靠热激活越过障碍的次数等于v oe x p 出 1 k t 假 定位错线在越过一个障碍后所扫过的面积为a 即激活面积 沿位错线障 碍间距为 则位错线在障碍间不规则跃进的平均速率为口9 u 争e x p 删k t 2 i 如图2 i 所示 帮助位错克服障碍的动力来自两个方面 一个是由外力 产生的有效应力仃 一个是由温度导致的热激活过程 如果温度为绝对零 度 则有效应力作用在单位长度位错上的力盯 b 至少等于f 玎 才能使位错 越过障碍 但是在常温下 因为有热激活的帮助 即使有效作用力d b 小于 f m 也会使位错跃过障碍的势垒 这个过程的激活能就等于需要热运动所 补充的能量 这就是说 在仃 b 的作用下 位错运动所需激活能比没有外力 作用时要小 这将导致每次激活后位错线所必须扫过的面积 激活面积 由于有效应力的作用而减少 激活面积随有效应力增大而减小的曲线示意 燕山大学工学硕士学位论文 图如图2 2 所示 现有实验已经证明了这种讨论的正确性p o 位错滑移的距离 图2 1 位错滑移阻力示意图 f i g 2 ld i a g r a mi l l u s t r a t i n gd i s l o c a t i o n s l i p p i n gr e s i s t a n c e 4 醛 旧 烬 并一 f d c r a 有效虚力 图2 2 激活面积与有效应力的关系 f i g 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t i v a t i o n a 黼a n de f f e c t i v es t r e s s 位错在滑移面上运动时反复被障碍所钉扎 这些障碍物的分布不同 造成的内应力也不同 大小和方向均不同 因此 位错在滑移过程中所遇 到的实际上是一个不断变化的局部应力场 根据图2 2 在有效应力作用下 位错扫过面积a 时 有效应力所做的功为盯 爿 b 如果有效应力仃 为零 激活面积要达到名 此时位错充分激活具有最高的激活能a 矾 风 r 6 盯 d a 2 2 如果有效应力仃 不为零 对应于口 的激活面积为a 位错越过障碍所需 的激活能为脯 脯 f b o d a 2 3 由于局部应力场是不断地变化着的 所以有效应力有时是顺着局部应 力的方向 有时则逆着局部应力的方向 当顺着时 有效应力盯 推动位错 滑移 做正功 使激活能降低 使位错的运动速率加快 这时的激活能为 a 吼 a 日 一b c r a br 盯 d a 一b o 4 6 r 仃 d a 乞6 r 盯 姒 一6 盯 a 峨一6 ea d c y 2 4 当逆着局部应力场时 有效应力盯 阻碍位错滑移 做负功 使激活能 增加 这时的激活能为 辩 r雹簿棼孥掣 笙 主皇望丝鍪罂翌垒曼鎏垫璧垄墼墅堕墨苎翌 翌塑竺墨 膳 脯 b a 6 r 盯 d a 爿 6 f 盯 副 b l 南 o 幽 b o 胡 6 r 彳 d c r 2 5 u 争 唧 一鲁 一d 一等 2 争d 一铡x 圭 e x 矧一d 一删 2 争吲一鲁 曲 台和打 s h b 打 j 1 b 如 2 7 譬 醑taho bloa d o 妇去p 疗 m 譬 2 脚争警噼鲁 1 托lk i 燕山大学工学硕士学位论文 v 位错线振动的固有频率 b 柏氏矢量 盯 有效应力 其值为外应力与长程内应力之差 a h 当有效应力仃 为零时 充分激活位错所具有的最高自由能 讽 i b e r d a 爿 最大激活面积 七 波尔兹曼常数 r 绝对温度 2 3 微观位错滑移与宏观应变的关系 下面以金属拉伸过程为例 推导变形物体的微观位错滑移与宏观应变 之间的关系 在拉伸时 晶体的长度和取向都发生了变化 这是因为在拉伸时 如 果拉伸机的卡头可以自由移动 使滑移面和滑移方向的取向保持不变 则 拉伸轴的取向要发生不断的变化 如果卡头固定不动 保持拉伸轴的方向 不变 则晶体取向就要发生变化使得拉伸轴和滑移方向的夹角不断变小 因而 晶体取向变化为旋转 旋转的结果使滑移方向和拉伸轴趋于一致 同样 在压缩过程中也产生晶体取向相对于压缩轴的旋转 其结果要使滑 移面法线和压缩轴相重合 如图2 3 所示 在拉伸过程中 晶体所发生的总滑移量相当于各个平行 滑移面上的滑移量的叠加 其总和为s 拉伸试样的长度由f 1 伸长为1 2 图 中的 及 分别代表滑移前后拉伸轴和滑移方向的夹角 由三角形a b c 可 得 i is i l l 1 2s i n 如 2 1 1 当滑移量为一无穷小量凼时相应的伸长量刃就等于出 c o s 所以拉伸应 变出为 d6 了dl ds co s t 2 12 a6 一 1 6 第2 章电塑性效应对金属流动应力的影响及其机理的研究 另一方面 各个滑移层厚度的叠加就等于 c o s o 因而 滑移的切应变为 咖 瓦d 面s 2 1 3 从上面两式中消去d s 得 d e s i n 0 c o s 五 d r q d r 2 1 4 其中q s i n o c o s 2 为晶体滑移系统的取向因子 图2 3 拉伸量与位错滑移的几何关系 f i g 2 3g e o m e t r i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e n e l o n g a t i o nv a l u e sa n dd i s l o c a t i o ns l i p p i n g a 一r 图2 4 位错滑移与宏观应变的关系 f i g 2 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s l o c a t i o n s l i p p i n ga n dm a c r os t r a i n 下面推导切应变办与位错运动的关系 侧面为 l 三2 的一块晶体 如 图2 4 所示 滑移面平行于上下底面 假设一个直刃型位错沿滑移面扫过了 整个晶体 如图2 4 a 所示 位错滑移出晶体后在位错表面留下一台阶 宽 度为b 即柏氏矢量的大小 此时产生的切应变为 h 2 1 5 如果位错沿滑移愿只扫过整个晶体一部分 所经路程为s xl 如图2 4 b 所示 则切应变 为 y 詈 等 2 1 6 y 2 i 2 亨 其中厶为晶体的另一线度 也等于位错线的长度 v 厶 厶 为晶体的体 积 式 2 1 6 表示的是一根位错线对应变的贡献 推广到一族平行的滑移 面中的一组任意的位错线 总的应变为各位错线贡献的叠加 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 等 軎酊 2 1 7 式中可 位错滑移距离的平均值 三 各位错线长度的叠加 将单位体积晶体中所包含的位错线的总长度定义为位错的密度p p 詈 2 1 8 将式 2 1 8 带入到式 2 1 7 中 取微分可得 d r p b d a c 陀 1 9 将式 2 1 9 带入到式 2 1 4 中 可得 如 o p b 出 2 2 0 上式对时间取微商得到应变速率方程式 舌 q p b 0 f 2 2 1 式中q 晶体滑移系统的取向因子 p 位错密度 0 位错滑穆的平均速率 2 4 基于热激活理论的微观位错滑移速率与宏观应变速率 的关系 将式 2 1 带入到式 2 2 1 得到不考虑金属内局部应力场对位错滑 移速率影响时的微观位错滑移速率与宏观应变速率的关系式 p a 譬d 等 l n 删 将式 2 8 带入到式 2 2 1 得到考虑金属内局部应力场对位错滑移 速率影响 且应力为引起塑性变形的主要因素时 微观位错滑移速率与宏 观应变速率的关系式 p 睁州一竺孚骂 将式 2 1 0 带入到式 2 2 1 得到考虑金属内局部应力场对位错滑移 速率影响 且温度为引起塑性变形的主要因素时 微观位错滑移速率与宏 第2 章电塑性效应对金属流动应力的影响及其机理的研究 观应变速率的关系式 瑚q p a 争警唰一鲁 倍m 2 5电塑性热激活理论的研究现状 二十世纪7 0