蔣少松，楊天豪，孫宏宇，何玉石，盧 振，王瑞卓

(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 金屬精密熱加工國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2 上海航天設(shè)備制造總廠(chǎng)，上海 200245；3 北京衛(wèi)星制造廠(chǎng)有限公司，北京 100094)

超聲波振動(dòng)輔助金屬塑性成形技術(shù)是在成形過(guò)程中施加超聲振動(dòng)，利用“布萊哈效應(yīng)”對(duì)金屬進(jìn)行塑性加工[1]。超聲振動(dòng)的施加，可以認(rèn)為是在變形過(guò)程中給材料內(nèi)部引入額外能量，金屬內(nèi)部組織會(huì)獲得超聲波能量從而使其活性增強(qiáng)，隨著超聲波的振動(dòng)頻率而產(chǎn)生高頻振動(dòng)，由于超聲振動(dòng)的存在使得金屬內(nèi)部組織的運(yùn)動(dòng)加劇，金屬材料內(nèi)部的摩擦?xí)p小，從而使金屬材料塑性變形時(shí)的變形阻力出現(xiàn)一定程度的降低[2-3]。與傳統(tǒng)的塑料成型技術(shù)相比，超聲波振動(dòng)輔助成型的特點(diǎn)是能耗低，工件與模具之間的流動(dòng)應(yīng)力和摩擦顯著降低，以及產(chǎn)品的成形極限和加工質(zhì)量的提高[4]。近年來(lái)，科研人員在超聲波振動(dòng)對(duì)材料塑性變形行為的影響方面進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定的成果。Jimma等[5]在拉伸過(guò)程中施加了超聲波振動(dòng)，并獲得了更高的極限拉伸比(LDR)，同時(shí)，有效地防止了凸緣部分的起皺。Feizi等[6]采用輔助超聲波振動(dòng)進(jìn)行擠壓，擠壓力明顯減小。仲崇凱[7]進(jìn)行了超聲高頻振動(dòng)下6063鋁合金拉伸與鐓粗實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)中疊加高頻振動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)成形載荷、材料流動(dòng)應(yīng)力、抗拉或抗壓強(qiáng)度降低等“軟化”現(xiàn)象。丁婕[8]對(duì)超聲振動(dòng)條件下鋁合金的彎曲變形行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在超聲振動(dòng)作用下板料彎曲成形過(guò)程中出現(xiàn)成形載荷減小的軟化現(xiàn)象，與此同時(shí)回彈角、摩擦力也都減小，并且振幅越大成形載荷回彈角的減小幅度越大。王哲[9]研究了超聲旋壓材料流變規(guī)律及機(jī)理，隨著振幅增加，材料變形愈加容易，材料流變體積增加，說(shuō)明振幅的增大有助于提高加工效率。

雖然目前超聲波振動(dòng)對(duì)材料塑性變形的影響已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究[10-11]；但是大多數(shù)將超聲波振動(dòng)同時(shí)施加于成形板料與模具上，超聲波在非變形區(qū)的無(wú)謂損耗使其對(duì)材料本身的作用降低[12-13]。目前超聲波發(fā)生器的功率有限，通常在3kW以下，而超聲振動(dòng)的對(duì)象大多為板材，超聲能量的密度較低，超聲波作用效果相對(duì)減弱[14-15]。而且，目前超聲振動(dòng)的作用對(duì)象主要為鋼和鋁等傳統(tǒng)材料，對(duì)鈦材的研究尚少。因此，本工作以鈦箔為研究對(duì)象，采用功率為3kW的超聲波發(fā)生器，將聲波振動(dòng)直接作用在厚度為0.18mm的鈦箔拉伸試樣上，并通過(guò)吸波材料防止聲波無(wú)謂損耗，能量輸入密度大，可以更加準(zhǔn)確地分析超聲振動(dòng)對(duì)材料塑性變形和位錯(cuò)分布的作用。本工作通過(guò)超聲波輔助單向拉伸實(shí)驗(yàn)，將超聲波振動(dòng)直接作用于拉伸試樣上，并采用間歇式加載與全程加載來(lái)分析鈦箔的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)變化規(guī)律和位錯(cuò)分布特征。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用經(jīng)熱處理的純鈦TA1板材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，TA1為α型鈦合金，材料的原始組織如圖1所示，電解拋光后α固溶體呈等軸狀。TA1的化學(xué)成分如表1所示。

本工作采用自行設(shè)計(jì)的超聲發(fā)生裝置，由于塑性成形需要一定的壓力載荷，而且聲波在金屬中傳播的強(qiáng)度不能過(guò)低。因此，超聲發(fā)生器主要涉及參數(shù)為：最大載荷30kN，裝置功率3kW，頻率20kHz，最大振幅60μm。超聲波振動(dòng)裝置主要由4個(gè)部分組成:超聲發(fā)生器、換能器、變幅桿和工具頭。實(shí)驗(yàn)所使用的是純鈦TA1箔材，厚度為0.18mm，標(biāo)距為15mm，試樣尺寸如圖2所示。拉伸試樣通過(guò)超聲波夾持支架固定在超聲波發(fā)生器上，試樣上部與拉伸機(jī)卡具相連，試樣除與超聲波發(fā)生器接觸外，其余部分均采用吸波材料隔離，防止超聲波散失。

圖1 TA1純鈦箔材原始組織Fig.1 Initial microstructure of TA1 titanium foil

FeOHNCTi0.200.180.0150.030.08Bal

本工作采用5種方式進(jìn)行超聲波輔助單向拉伸實(shí)驗(yàn)，初始應(yīng)變速率均設(shè)為1.0×10-3s-1。分別為：無(wú)超聲拉伸，間歇式施加一次超聲振動(dòng)，間歇式施加兩次超聲振動(dòng)，間歇式施加三次超聲振動(dòng)和全程連續(xù)超聲振動(dòng)。其中，間歇式施加超聲振動(dòng)每次時(shí)間為20s。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)變化，并通過(guò)JEM-2100透射電子顯微鏡觀(guān)察不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)時(shí)的位錯(cuò)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同超聲振動(dòng)條件對(duì)TA1純鈦塑性變形過(guò)程的影響

不同超聲振動(dòng)條件下TA1純鈦拉伸過(guò)程中的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 不同超聲波振動(dòng)條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(a)無(wú)振動(dòng)；(b)一次振動(dòng)；(c)兩次振動(dòng)；(d)三次振動(dòng)；(e)連續(xù)振動(dòng)Fig.3 True stress-strain curves at different ultrasonic vibration conditions(a)without vibration;(b)once vibration;(c)twice vibration;(d)three times vibration;(e)continuous ultrasonic vibration

圖3(a)為不施加超聲波振動(dòng)時(shí)的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，可見(jiàn)隨著拉伸過(guò)程的進(jìn)行，應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到125MPa時(shí)，達(dá)到彈性極限。隨后在塑性變形區(qū)出現(xiàn)平穩(wěn)而緩慢的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)到一定程度后出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，拉伸試樣發(fā)生斷裂，抗拉強(qiáng)度達(dá)到270MPa。

圖3(b)為施加一次超聲振動(dòng)的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，當(dāng)試樣的拉伸應(yīng)變達(dá)到0.15(A點(diǎn))時(shí)，開(kāi)始施加超聲振動(dòng)，此時(shí)拉伸過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，20s之后停止施加超聲，拉伸過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行直至拉伸試樣斷裂。A-B為施加20s超聲振動(dòng)的區(qū)間段，C點(diǎn)為在施加超聲過(guò)程中，流動(dòng)應(yīng)力的最低點(diǎn)，當(dāng)從A點(diǎn)開(kāi)始施加超聲振動(dòng)后，材料的流動(dòng)應(yīng)力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)較大幅度的降低，A點(diǎn)到C點(diǎn)降低約180MPa，應(yīng)力下降幅度達(dá)到80%，在C點(diǎn)之后，流動(dòng)應(yīng)力又會(huì)出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。

圖3(c)為施加兩次超聲振動(dòng)的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，當(dāng)試樣的拉伸應(yīng)變量達(dá)到0.15(A點(diǎn))以及0.23(A1點(diǎn))時(shí)分別開(kāi)始施加超聲振動(dòng)，同樣，在20s后停止超聲振動(dòng)，整個(gè)施加超聲振動(dòng)的過(guò)程中拉伸變形并不停止，而是同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行，直至拉伸試樣產(chǎn)生斷裂。在第一次施加超聲振動(dòng)的階段(即圖3(c)中A-B階段)，從A點(diǎn)施加超聲后，材料的流動(dòng)應(yīng)力開(kāi)始急劇下降，達(dá)到最低點(diǎn)C之后流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)上升，A點(diǎn)到C點(diǎn)間材料流動(dòng)應(yīng)力降低約180MPa，降幅為77%；第二次施加超聲振動(dòng)階段(即圖3(c) 中A1-B1階段)，從A1點(diǎn)施加超聲后，材料的流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)下降，達(dá)到最低點(diǎn)C1之后流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)上升，A1到C1之間材料的流動(dòng)應(yīng)力降低約為150MPa，降幅為63%。

圖3(d)為施加三次超聲振動(dòng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，當(dāng)試樣的拉伸應(yīng)變量達(dá)到0.08(A點(diǎn))、0.15(A1點(diǎn))以及0.23(A2點(diǎn))時(shí)分別開(kāi)始施加超聲振動(dòng)，同樣，在20s后停止超聲振動(dòng)，整個(gè)施加超聲振動(dòng)的過(guò)程中拉伸變形并不停止，而是持續(xù)進(jìn)行，直至拉伸試樣產(chǎn)生斷裂。在第一次施加超聲振動(dòng)的階段(即圖3(d)中A-B階段)，從A點(diǎn)施加超聲后，材料的流動(dòng)應(yīng)力開(kāi)始急劇下降，達(dá)到最低點(diǎn)C之后流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)上升，A點(diǎn)到C點(diǎn)間材料流動(dòng)應(yīng)力降低約200MPa，降幅達(dá)90%；第二次施加超聲振動(dòng)階段(即圖3(d)中A1-B1階段)，從A1點(diǎn)施加超聲后，材料的流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)下降，達(dá)到最低點(diǎn)C1之后流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)上升，A1到C1之間材料的流動(dòng)應(yīng)力降低約175MPa，降幅為76%;第三次施加超聲振動(dòng)階段(即圖3(d)中A2-B2階段)，從A2點(diǎn)施加超聲后，材料的流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)下降，達(dá)到最低點(diǎn)C2之后流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)上升，A2到C2之間材料的流動(dòng)應(yīng)力降低約60MPa，降幅為24%。

圖3(e)為全程連續(xù)施加超聲波的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，當(dāng)流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到彈性變形階段所能達(dá)到的最大值點(diǎn)A后開(kāi)始下降，最低點(diǎn)降低至B點(diǎn)，降低約65MPa，降幅為52%，之后在BC段，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)區(qū)間，但在此區(qū)間內(nèi)波動(dòng)的幅度很小，C點(diǎn)之后材料的流動(dòng)應(yīng)力重新升高，直至最后出現(xiàn)頸縮，發(fā)生斷裂。

從圖3(a)～(e)可觀(guān)察到，無(wú)論施加超聲與否，或是施加幾次超聲，對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度沒(méi)有太大的影響，這說(shuō)明在材料即將斷裂的階段，材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)是相同的，超聲波對(duì)材料塑性變形過(guò)程中的斷裂階段的影響很小，其對(duì)塑性變形過(guò)程的影響主要集中在持續(xù)塑性變形過(guò)程中。

2.2 不同超聲振動(dòng)條件對(duì)TA1純鈦伸長(zhǎng)率的影響

當(dāng)施加不同次數(shù)的超聲振動(dòng)時(shí)，純鈦TA1在拉伸過(guò)程中的伸長(zhǎng)率隨著施加超聲振動(dòng)次數(shù)的不同而產(chǎn)生一定的變化，不同條件下純鈦TA1箔材拉伸試樣的伸長(zhǎng)率變化情況如圖4所示。不施加超聲的單向拉伸，鈦箔的伸長(zhǎng)率為40.33%；施加一次超聲振動(dòng)時(shí)，鈦箔的伸長(zhǎng)率為41.95%；施加兩次超聲振動(dòng)時(shí)，鈦箔的伸長(zhǎng)率為44.34%；施加三次超聲振動(dòng)時(shí)，鈦箔的伸長(zhǎng)率為54.46%；全程施加超聲振動(dòng)時(shí)，鈦箔的伸長(zhǎng)率為51.75%。隨著施加超聲振動(dòng)次數(shù)的增加，材料的伸長(zhǎng)率得到了明顯提高，這說(shuō)明，超聲振動(dòng)的施加，對(duì)材料的塑性變形能力的提高有一定的促進(jìn)作用，在施加三次超聲振動(dòng)時(shí)，材料的伸長(zhǎng)率出現(xiàn)了一個(gè)峰值。

2.3 超聲振動(dòng)對(duì)TA1純鈦箔材位錯(cuò)分布的影響

圖5為不同條件下TA1純鈦拉伸試樣的透射組織，從圖5(a)中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)退火處理的箔材晶粒內(nèi)部幾乎沒(méi)有明顯的位錯(cuò)纏結(jié)出現(xiàn)，而在圖5(b)中，即未施加超聲拉伸實(shí)驗(yàn)中，所得到的試樣內(nèi)部位錯(cuò)分布雜亂無(wú)章，而且位錯(cuò)有明顯向晶界處運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，且局部出現(xiàn)位錯(cuò)塞積。在圖5(c)～(f)中，即在施加超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，所得到的試樣內(nèi)部位錯(cuò)在晶界處纏結(jié)塞積同樣比較嚴(yán)重，但在晶界處，位錯(cuò)纏結(jié)形成一種未施加超聲拉伸時(shí)觀(guān)察不到的位錯(cuò)墻狀組織，此處位錯(cuò)密度非常高，并且有形成位錯(cuò)胞的趨勢(shì)，但從整體上看，施加超聲時(shí)的位錯(cuò)纏結(jié)程度與分布的雜亂程度相差無(wú)幾，這也就是材料在即將斷裂前的抗拉強(qiáng)度幾乎相同的原因。超聲振動(dòng)的施加對(duì)于材料斷裂時(shí)的位錯(cuò)纏結(jié)程度以及位錯(cuò)排布的混亂程度并沒(méi)有明顯的影響，這可以解釋超聲振動(dòng)對(duì)斷裂前材料的抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響這一特征。

圖4 不同超聲振動(dòng)條件下伸長(zhǎng)率變化Fig.4 Elongation at different ultrasonic vibration conditions

為了研究超聲波振動(dòng)對(duì)材料塑性變形過(guò)程中間階段位錯(cuò)分布產(chǎn)生的影響，在拉伸過(guò)程中當(dāng)施加超聲波振動(dòng)后流動(dòng)應(yīng)力下降時(shí)，立即停止拉伸，觀(guān)察其位錯(cuò)分布情況，并通過(guò)兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。圖6為拉伸中間過(guò)程超聲振動(dòng)與未振動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加一次超聲波振動(dòng)應(yīng)力下降后立即中止實(shí)驗(yàn)時(shí)，不施加超聲振動(dòng)的那組曲線(xiàn)所達(dá)到的抗拉強(qiáng)度約為235MPa，而施加超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，中止實(shí)驗(yàn)時(shí)所達(dá)到的流動(dòng)應(yīng)力約為130MPa，降低幅度約為45%。

圖5 不同條件下TA1鈦箔拉伸試樣位錯(cuò)分布TEM圖像 (a)原始試樣內(nèi)部；(b)未施加超聲；(c)一次超聲；(d)兩次超聲；(e)三次超聲；(f)連續(xù)超聲Fig.5 TEM images of dislocation distribution of TA1 titanium foils at different conditions (a)in the original sample;(b)without ultrasonic vibration;(c)with once ultrasonic vibration;(d)with twice ultrasonic vibration;(e)with three times ultrasonic vibration;(f)with continuous ultrasonic vibration

圖6 拉伸中間過(guò)程超聲振動(dòng)與未振動(dòng)的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.6 True stress-strain curves of intermediate tension with and without ultrasonic vibration

圖7為拉伸中間過(guò)程超聲振動(dòng)與未振動(dòng)試樣位錯(cuò)分布。圖7(a)是未施加超聲，拉伸至位移3.3mm處的透射組織圖像，可以看出，晶粒內(nèi)位錯(cuò)纏結(jié)嚴(yán)重，而且分布雜亂無(wú)章，此時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力值約為235MPa。圖7(b)是拉伸位移3.3mm處，施加了一定時(shí)間超聲振動(dòng)的拉伸試樣透射組織圖像,可以發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)纏結(jié)明顯少于未施加超聲波振動(dòng)的位錯(cuò)，而且位錯(cuò)分布趨向于平行排布，此時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力值約為130MPa，較前者有較大幅度的降低。這可能是由于施加超聲振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于引入了一定的能量，這些能量使得原本纏結(jié)在一起而且分布無(wú)序的位錯(cuò)組織逐漸打開(kāi)，重新沿著超聲波傳播的方向進(jìn)行排列。

綜合上述位錯(cuò)分布，可以更為清晰地解釋圖3(a)～(e)中不同條件下真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)。圖3(b)中，當(dāng)在A點(diǎn)開(kāi)始施加超聲振動(dòng)后，超聲波能量輸入材料內(nèi)部，使原本在塑性變形中嚴(yán)重纏結(jié)的位錯(cuò)逐漸分散，沿著超聲波的傳播方向呈現(xiàn)平行分布的趨勢(shì)。這就會(huì)使得材料的流動(dòng)應(yīng)力在AC段出現(xiàn)明顯的降低，而隨著拉伸變形的不斷進(jìn)行，產(chǎn)生的位錯(cuò)會(huì)越來(lái)越多，位錯(cuò)纏結(jié)塞積越來(lái)越嚴(yán)重，而超聲波所輸入的能量卻是一定的，因此會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)時(shí)刻，即超聲波輸入的能量不足以分散已經(jīng)嚴(yán)重纏結(jié)的位錯(cuò)，這就會(huì)使材料的流動(dòng)應(yīng)力重新升高，即圖3(b)中CB段所顯示的趨勢(shì)。同樣的在圖3(c),(d),(e)中，無(wú)論是在A,A1還是A2點(diǎn)施加超聲振動(dòng)，都會(huì)使位錯(cuò)的纏結(jié)逐漸被打開(kāi)，位錯(cuò)呈現(xiàn)平行排布，從而造成在這些位置開(kāi)始施加超聲振動(dòng)后，材料的流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)下降。但值得注意的是當(dāng)施加三次超聲振動(dòng)時(shí)，每次超聲振動(dòng)所引起的流動(dòng)應(yīng)力的降低幅度是在不斷減小的，這主要是因?yàn)殡S著塑性變形過(guò)程的進(jìn)行，材料晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)纏結(jié)會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，而超聲波的能量是一定的，即把位錯(cuò)纏結(jié)打開(kāi)的能力是一定的，因此隨著拉伸變形的繼續(xù)，每次施加相同時(shí)間的超聲波所能解開(kāi)位錯(cuò)纏結(jié)的相對(duì)量會(huì)越來(lái)越少，即使流動(dòng)應(yīng)力降低的幅度會(huì)越來(lái)越小，這與應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中所表現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)是一致的。

圖7 拉伸中間過(guò)程未施加超聲振動(dòng)(a)與施加超聲振動(dòng)(b)時(shí)位錯(cuò)分布Fig.7 Dislocation distribution of intermediate tension without (a) and with (b) ultrasonic vibration

3 結(jié)論

(1)在鈦箔拉伸過(guò)程中施加不同時(shí)間的超聲振動(dòng)，材料的伸長(zhǎng)率從未施加超聲時(shí)的40.33%最大增加至54.46%。在單次施加超聲振動(dòng)時(shí)，應(yīng)力最大降幅達(dá)到約80%。

(2)超聲振動(dòng)會(huì)使材料流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象，且隨著施加超聲振動(dòng)次數(shù)的增加，流動(dòng)應(yīng)力降低幅度越來(lái)越小。超聲振動(dòng)的施加對(duì)材料彈性變形階段以及材料最終斷裂時(shí)所達(dá)到的應(yīng)力狀態(tài)無(wú)明顯影響，其對(duì)鈦箔拉伸變形實(shí)驗(yàn)的影響主要體現(xiàn)在對(duì)塑性變形中間過(guò)程的影響。

(3)通過(guò)TEM可以觀(guān)察到，在拉伸的中間過(guò)程，超聲條件下位錯(cuò)呈現(xiàn)平行分布的趨勢(shì)且無(wú)大量纏結(jié)出現(xiàn)，而未施加超聲拉伸的試樣中位錯(cuò)的分布則顯得雜亂無(wú)章且纏結(jié)嚴(yán)重。這使得在施加超聲波后某一應(yīng)變范圍內(nèi)材料的流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)明顯的降低，而當(dāng)應(yīng)變量繼續(xù)增大時(shí)，即位錯(cuò)密度過(guò)大時(shí)，超聲波振動(dòng)則無(wú)法分散位錯(cuò)，降低應(yīng)力。