孫富建，萬(wàn) 上，肖 罡,，李時(shí)春，劉奕梁，萬(wàn)可謙

(湖南科技大學(xué)1.難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2.機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201；3.江西科駿實(shí)業(yè)有限公司，南昌 330100)

0 引 言

電脈沖處理具有調(diào)控材料微觀結(jié)構(gòu)、提高塑性、減小硬度、降低加工硬化系數(shù)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬材料塑性加工和切削加工等加工工藝。

1963年，TROITSKII等[1]發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)電子可以調(diào)控金屬中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因此開始研究電脈沖對(duì)金屬位錯(cuò)移動(dòng)的影響，并提出了電致塑性效應(yīng)。電致塑性效應(yīng)是指對(duì)金屬施加電脈沖時(shí)，金屬表面變形抗力大幅降低、塑性增強(qiáng)的現(xiàn)象。在發(fā)現(xiàn)電致塑性效應(yīng)后，各國(guó)研究者看到了電脈沖處理在金屬加工領(lǐng)域的巨大潛力，開始對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。我國(guó)研究人員也在1980年左右開始了對(duì)電致塑性效應(yīng)的研究。晁月盛等[2]研究了電脈沖對(duì)非晶合金納米晶化的影響，在電脈沖處理后的Fe78Si9B13薄帶非晶合金中發(fā)現(xiàn)了局部區(qū)域形成納米晶的現(xiàn)象。滕功清等[3]研究發(fā)現(xiàn)，電脈沖可以影響非晶合金晶化的形核率和形成速率，降低晶化溫度，從而實(shí)現(xiàn)低溫下非晶合金快速獲得納米晶的目標(biāo)。將電致塑性效應(yīng)應(yīng)用到塑性加工中是近年來(lái)的研究重點(diǎn)。ZHU等[4]研制了新型的電致塑性軋制設(shè)備，通過(guò)在輥壓過(guò)程中施加電脈沖，有效提升了材料塑性，提高了軋制效率。吳紅兵等[5]研究認(rèn)為，電脈沖處理能有效降低材料的表面硬度、屈服強(qiáng)度和切削力，提高切削效率，延長(zhǎng)刀具壽命。

在金屬材料加工時(shí)施加電脈沖，電脈沖產(chǎn)生的無(wú)序原子波動(dòng)能滿足相變過(guò)程中能量的閾值，加快原子擴(kuò)散和位錯(cuò)移動(dòng)，快速開啟合金的再結(jié)晶，優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒，消除晶格缺陷與殘余應(yīng)力[6]，降低材料強(qiáng)度和硬度，提高塑性。作者從電脈沖對(duì)金屬材料微觀結(jié)構(gòu)演變的影響和電致塑性效應(yīng)的基本理論出發(fā)，綜述了電脈沖處理研究現(xiàn)狀及電脈沖在塑性加工、切削加工工藝等方面的應(yīng)用。

1 電脈沖相關(guān)理論

電脈沖輔助金屬加工主要利用的是電致塑性效應(yīng)。當(dāng)前的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，電致塑性效應(yīng)是熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)耦合作用的結(jié)果，熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)對(duì)原子擴(kuò)散、位錯(cuò)移動(dòng)、晶界滑移的促進(jìn)作用產(chǎn)生了電致塑性效應(yīng)。熱效應(yīng)是由于材料自身存在電阻而產(chǎn)生的。材料在通電時(shí)，因自身存在電阻而產(chǎn)生電阻熱，使得溫度升高；溫度升高會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生軟化，流動(dòng)應(yīng)力降低，并且有利于提高拉伸時(shí)的伸長(zhǎng)率[7]。這種因熱效應(yīng)而產(chǎn)生的溫升[8]可表示為

ΔT=ρJ2tp/(Cpd)

(1)

式中：ΔT為溫升；ρ為材料電阻率；J為電流密度；tp為脈沖持續(xù)時(shí)間；Cp為定壓熱容；d為材料密度。

非熱效應(yīng)主要是由電子風(fēng)力導(dǎo)致的。電子風(fēng)理論認(rèn)為電脈沖產(chǎn)生的定向移動(dòng)的電子對(duì)位錯(cuò)施加了一定的作用力(即電子風(fēng)力)：移動(dòng)電子與晶格位錯(cuò)發(fā)生相互交錯(cuò)，推動(dòng)了位錯(cuò)的遷移，加劇了晶格位錯(cuò)作用。這種作用有利于材料的再結(jié)晶形核、抗變形應(yīng)力的下降和塑性的提高[9]。再結(jié)晶形核率的增加有利于晶粒細(xì)化，從而提升材料性能。電子風(fēng)力的表達(dá)式[10]為

(2)

式中：Few為電子風(fēng)力；v為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率；ve為電子運(yùn)動(dòng)速率；vF為費(fèi)米面電子運(yùn)動(dòng)速率；ne為電子密度；μ為化學(xué)位；b為柏氏矢量；Δ為變形能常量。

熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的共同作用促進(jìn)了金屬材料內(nèi)部的原子擴(kuò)散，降低了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的激活能，有利于修復(fù)晶格缺陷、降低變形抗力、促進(jìn)塑性變形、降低殘余應(yīng)力[11]。原子擴(kuò)散通量F的表達(dá)式[12]為

(3)

式中：Ft，F(xiàn)a分別為由熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)引起的原子擴(kuò)散通量；M為晶格擴(kuò)散系數(shù)；c0為平均空位濃度；c為過(guò)飽和空位濃度；Ω為原子體積；r，R分別為對(duì)應(yīng)c0和c0+c的位錯(cuò)距離；N為原子密度；Z為有效化學(xué)價(jià)；e為單原子所帶電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；jm，f，τp分別為電脈沖的有效電流、頻率和持續(xù)時(shí)間；T為熱力學(xué)溫度。

金屬零部件在制造過(guò)程中一般需要通過(guò)熱處理來(lái)改變內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，消除殘余應(yīng)力，調(diào)控力學(xué)性能，從而改善可加工性、提高零部件服役壽命。傳統(tǒng)的熱處理工藝通過(guò)熱輻射加熱工件，時(shí)間長(zhǎng)、能耗大、人力成本高，并且長(zhǎng)時(shí)間的高溫會(huì)導(dǎo)致工件精度難以控制、材料組織粗化而性能惡化[13]。電脈沖處理同樣可以起到調(diào)控金屬材料組織的作用：電子流動(dòng)為再結(jié)晶提供額外動(dòng)力與能量，可以提高再結(jié)晶形核率，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果；電脈沖產(chǎn)生的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)還可以促進(jìn)位錯(cuò)移動(dòng)以及原子和空位擴(kuò)散，彌補(bǔ)晶格缺陷，能夠在相對(duì)較低的溫度下改善金屬的微觀結(jié)構(gòu)。

電脈沖的電致塑性效應(yīng)首先被應(yīng)用于輔助金屬材料的塑性加工。定向移動(dòng)的電子與晶格位錯(cuò)發(fā)生相互交錯(cuò)，能夠降低材料的變形抗力，提高塑性，并且有效消除金屬塑性加工過(guò)程中產(chǎn)生的各向異性；原子擴(kuò)散有利于修復(fù)晶格缺陷，可以減免塑性加工中的中間退火工序[14-15]，減少塑性加工時(shí)材料中出現(xiàn)的微小裂紋，提高工件質(zhì)量。

由于電致塑性效應(yīng)能有效提升金屬材料的塑性，研究人員開始將電脈沖應(yīng)用到金屬材料切削過(guò)程。在輔助切削加工時(shí)，電脈沖產(chǎn)生的特定頻率使得工件的受迫振動(dòng)接近于拓?fù)湓又g相互作用的頻率，兩者因而產(chǎn)生共振[16]，促使摩擦顆粒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)周期下的動(dòng)能，最終轉(zhuǎn)化為熱能[17]；受熱后材料強(qiáng)度降低，冷作硬化程度減輕，工件與刀具接觸區(qū)域的塑性變形能力提高。非熱效應(yīng)能降低切削溫度，減輕刀具的黏結(jié)磨損[18-19]，增強(qiáng)刀具與工件之間的潤(rùn)滑性。熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)的共同作用減小了切削力并減輕了切削力的波動(dòng)，減弱了刀具的崩刃磨損[20-21]，增加了切削過(guò)程的穩(wěn)定性。

2 電脈沖處理的研究現(xiàn)狀

BEN等[22]對(duì)經(jīng)860 ℃油淬+500 ℃回火1 h處理后的AISI 4340鋼進(jìn)行電脈沖處理，發(fā)現(xiàn)在較高的放電電壓(9，10 kV)下，試驗(yàn)鋼中形成孿晶馬氏體，顯微硬度明顯增大；更高的放電電壓可以誘導(dǎo)鋼快速硬化，固溶原子、位錯(cuò)和某些納米雙馬氏體的復(fù)合強(qiáng)化作用是導(dǎo)致其快速硬化的主要原因。HAO等[23]和CHANG等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在電脈沖作用過(guò)程中，鋼的顯微組織發(fā)生變化，在高放電電壓下呈現(xiàn)馬氏體形態(tài)。因此，電脈沖處理可以對(duì)具有不同電阻率和相變可能性的多相材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整。

LIU等[25]分析了軋制Mg-3Al-1Zn(AZ31)合金在電脈沖處理過(guò)程中的組織演變，認(rèn)為電脈沖處理促進(jìn)了合金的再結(jié)晶，改善了軋制鎂合金的組織；在359 K溫度以下，經(jīng)低占空比、高電流密度電脈沖處理320 s的合金可獲得平均晶粒尺寸約為2 μm的微細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)；電致塑性效應(yīng)中的非熱效應(yīng)加速了封閉環(huán)境下變形合金再結(jié)晶的成核速率，而再結(jié)晶晶粒的后續(xù)生長(zhǎng)依賴于熱效應(yīng)，因此為了獲得細(xì)化的再結(jié)晶晶粒，在電脈沖處理過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)非熱效應(yīng)并減弱熱效應(yīng)。TROITSKII等[26]利用電脈沖對(duì)Fe78Si13B9非晶合金進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)：調(diào)整電脈沖密度可以控制晶核的形成與長(zhǎng)大，控制電脈沖參數(shù)可以使合金保持相應(yīng)的非晶特征；電脈沖具有弛豫非晶合金顯微組織的作用。與高溫退火處理不同，電脈沖處理可在較低溫度下提高材料晶化過(guò)程中的形核率，促進(jìn)再結(jié)晶的發(fā)生。電脈沖的施加也會(huì)促進(jìn)晶粒的長(zhǎng)大，但是晶粒生長(zhǎng)時(shí)間很短，長(zhǎng)大程度有限。在一定的溫度范圍內(nèi)，電脈沖處理甚至可以使金屬材料在低于晶化溫度下獲得納米晶。

MIZUBAYASHI等[27]研究了電脈沖對(duì)非晶薄帶晶化過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電脈沖密度大于某一閾值時(shí)，非晶薄帶的電阻率發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弛豫現(xiàn)象，其晶化速率提高；低于該閾值時(shí)，隨電流密度增大，非晶薄帶的彈性模量增大。LAI等[28]在對(duì)采用液態(tài)急冷單輥法制備的非晶薄帶施加電脈沖后發(fā)現(xiàn)，電脈沖可以在不改變其宏觀非晶特性的前提下改變其微觀結(jié)構(gòu)；當(dāng)電脈沖的溫升較低時(shí)，電脈沖作用時(shí)間的延長(zhǎng)或者頻率的提升都會(huì)促進(jìn)金屬內(nèi)的原子遷移，使得非晶合金產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弛豫現(xiàn)象。

MA等[29]研究發(fā)現(xiàn)：在較低的放電電壓(0～9 kV)下，電脈沖處理能夠穩(wěn)定納米層狀?yuàn)W氏體鋼中的納米層狀結(jié)構(gòu)，恢復(fù)高密度位錯(cuò)，使得抗拉強(qiáng)度和顯微硬度分別提高了6.9%和7.4%；在較高放電電壓(9～13 kV)下，電脈沖促進(jìn)再結(jié)晶晶粒的形核和長(zhǎng)大，導(dǎo)致納米層狀?yuàn)W氏體鋼發(fā)生軟化。

ZHOU等[30]提出循環(huán)相變晶粒細(xì)化機(jī)制以解釋電脈沖細(xì)化晶粒原理：電脈沖產(chǎn)生的高溫促使低碳鋼中粗大的α相在升溫過(guò)程中轉(zhuǎn)化成為γ相，而由于電脈沖的加熱速率快，升溫時(shí)間短，γ晶粒還未長(zhǎng)大便開始冷卻，在冷卻過(guò)程中發(fā)生相轉(zhuǎn)變形成細(xì)小的α相；相比傳統(tǒng)的升溫→降溫過(guò)程，電脈沖處理可降低熱力學(xué)勢(shì)壘從而增強(qiáng)形核作用，導(dǎo)致的晶粒細(xì)化效果更明顯。

YE等[31]的研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)熱處理相比，電脈沖處理時(shí)工業(yè)純鈦條的再結(jié)晶溫度更低；當(dāng)控制電脈沖頻率在一定范圍內(nèi)時(shí)，電脈沖處理可提高再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)，能夠在保持抗拉強(qiáng)度不變的前提下提高延展性能；但是過(guò)高的電脈沖頻率會(huì)導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒粗大，力學(xué)性能下降；在合理的參數(shù)下，電脈沖處理可替代鈦帶材的中間軟化退火工藝。

3 電脈沖輔助塑性加工的研究現(xiàn)狀

塑性加工是指通過(guò)塑性變形獲得所需形狀、尺寸、組織和性能的工件的一種金屬加工技術(shù)，以往常稱壓力加工[32]。金屬塑性加工的方法很多，根據(jù)加工時(shí)工件的受力和變形方式，可分為鍛造、軋制、擠壓、拉拔、拉深、彎曲、剪切等。目前電脈沖被廣泛應(yīng)用于金屬材料的塑性加工，由此而形成了一些新型復(fù)合加工工藝，包括電塑性拉拔、電塑性彎曲、電塑性軋制、電塑性拉深等。這些工藝都是在傳統(tǒng)加工工藝的基礎(chǔ)上對(duì)模具或者材料施加電脈沖，以達(dá)到利用電致塑性效應(yīng)來(lái)改進(jìn)材料性能的目的。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電脈沖在鎢、不銹鋼、黃銅合金、鎂鋁合金等材料塑性加工過(guò)程中的應(yīng)用開展了系列試驗(yàn)與研究[33]。這些研究結(jié)果表明：電脈沖的施加降低了金屬變形所需要的外加作用力，作用力的下降與電流密度、脈沖頻率以及電流方向有關(guān)。電脈沖輔助塑性加工工藝可以省去傳統(tǒng)加工工藝的一些工序，如傳統(tǒng)拉拔工藝中的軟化退火、酸洗等工序，從而起到提高生產(chǎn)效率、降低成本、保護(hù)環(huán)境的作用。

XIE等[34]在研究直流電脈沖密度和電流頻率對(duì)AZ31B鎂合金薄板回彈行為的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，電流頻率或電流密度越高，回彈角越小，彎曲處的晶粒尺寸越小，其中電流頻率對(duì)晶粒尺寸的影響更大。KIM等[35]利用單電脈沖輔助塑性加工技術(shù)對(duì)超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行沖裁，與冷下料相比，電脈沖輔助下料和局部電阻加熱下料的拋光表面精度略有增加，電脈沖輔助沖裁的截面更平整光滑；相比于局部電阻加熱沖裁，電脈沖輔助沖裁在相同溫度條件下的沖裁載荷更小，同時(shí)電脈沖輔助沖裁的時(shí)間也略有縮短；電脈沖輔助沖裁所減少的沖裁載荷達(dá)到了冷沖裁的85%，這點(diǎn)在1.2 GPa超高強(qiáng)度鋼的沖裁加工中尤為重要。

在2024-T4鋁合金等高強(qiáng)度輕質(zhì)材料的沖壓過(guò)程中，沖壓模具的嚴(yán)重磨損和邊緣斷裂是研究人員關(guān)注的主要問(wèn)題。根據(jù)施加電流可以降低金屬在沖壓過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)力[36]、提高金屬延性、促進(jìn)在退火溫度以下位錯(cuò)湮沒(méi)的原理，TANG等[20]在不同的沖壓階段對(duì)2024-T4鋁合金施加了電脈沖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沖壓載荷得以降低，沖壓斷面的表面質(zhì)量得到提高，并且由于電脈沖誘發(fā)了退火效應(yīng)，2024-T4鋁合金的硬度各向異性和穿孔邊緣的應(yīng)變硬化被部分消除；由于電脈沖的施加消除了邊緣應(yīng)變硬化，抑制和修復(fù)了沖壓邊緣附近的微裂紋和微孔洞，2024-T4鋁合金的極限拉伸載荷提高。

4 電脈沖輔助切削加工的研究現(xiàn)狀

切削加工是指利用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)把坯料或工件上多余的材料層切除，使工件獲得規(guī)定的幾何形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法。傳統(tǒng)切削加工技術(shù)易造成位錯(cuò)纏結(jié)，使得金屬表面出現(xiàn)較厚的加工硬化層，導(dǎo)致較大的切削力波動(dòng)和工件殘余應(yīng)力，加大刀具磨損。在切削加工過(guò)程中施加電脈沖，產(chǎn)生的電致塑性效應(yīng)增加了可動(dòng)位錯(cuò)，產(chǎn)生的熱效應(yīng)提高了試樣表面溫度，促進(jìn)了原子擴(kuò)散和位錯(cuò)移動(dòng)，使得材料表面塑性提高，切削力降低[37-40]。張碩等[41]在研究淬火態(tài)GCr15鋼的電脈沖輔助切削加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，引入電脈沖后的主切削力比傳統(tǒng)切削工藝的主切削力降低了25%。

表面粗糙度是衡量工件表面加工質(zhì)量的一個(gè)重要因素。王海波[42]采用電脈沖輔助車削工藝對(duì)304不銹鋼進(jìn)行加工，在一定參數(shù)范圍內(nèi)，電脈沖的施加不僅能夠減小主切削力，還能夠降低表面粗糙度；表面粗糙度下降的主要原因是電致塑性效應(yīng)導(dǎo)致切削表層塑性降低，使得主切削力和刀具摩擦力減小；電流參數(shù)較大時(shí)表面粗糙度增加是由于過(guò)高的塑性形成了積屑瘤和切削鱗刺，導(dǎo)致切削性能下降。

5 結(jié)束語(yǔ)

施加電脈沖后，材料中會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，熱效應(yīng)作用提高了工件溫度，非熱效應(yīng)形成電子風(fēng)力，二者的耦合作用促進(jìn)了原子和位錯(cuò)的移動(dòng)以及晶界的滑移。相比于傳統(tǒng)熱處理，電脈沖處理時(shí)的升溫速率快、效率高，能夠有效抑制晶粒生長(zhǎng)，在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)金屬材料微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控；相比于傳統(tǒng)塑性加工，電脈沖輔助塑性加工通過(guò)加快原子和位錯(cuò)的移動(dòng)，能夠有效降低流動(dòng)應(yīng)力和工件殘余應(yīng)力，提高塑性變形的質(zhì)量和效率；相比于傳統(tǒng)切削加工，電脈沖輔助切削加工能夠提升工件塑性，降低切削力和表面粗糙度，從而降低刀具磨損、提升工件表面質(zhì)量。

電脈沖通過(guò)促進(jìn)原子、位錯(cuò)移動(dòng)，在組織調(diào)控、輔助加工等方面均表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)點(diǎn)。但是，當(dāng)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件上施加電脈沖時(shí)，零部件的形狀會(huì)影響電脈沖的分布，導(dǎo)致集膚效應(yīng)的產(chǎn)生，所以目前電脈沖輔助加工技術(shù)主要應(yīng)用于形狀簡(jiǎn)單零部件上。此外，電脈沖相關(guān)理論的研究尚不夠深入，無(wú)法系統(tǒng)地對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)。因此，未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步完善電脈沖處理和電脈沖輔助加工理論研究，包括電脈沖處理和電脈沖輔助加工過(guò)程中熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)耦合機(jī)理及各自影響，電脈沖集膚效應(yīng)的成因，電脈沖在大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件上的分布情況等。在理論研究的基礎(chǔ)上，開展大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的電脈沖處理及其輔助加工應(yīng)用研究。