陳瑞國，蔡雨豪，許江浩，任宏鵬，嚴(yán)子心，裘 鈞

（臺州學(xué)院 a.智能制造學(xué)院；b.醫(yī)藥化工與材料工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

0 引言

電塑性效應(yīng)是指材料在電的作用（包括電子照射、電場、電流脈沖等電刺激）下，變形抗力降低、塑性增加的一種現(xiàn)象［1-4］，其對于加工難加工材料有著積極的實踐意義。幾十年來，許多國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行實驗研究，并取得了一定的成果。

1954年，Cohen和Barrett［5］在研究銅線和鋁線通電時電子對晶界的影響的過程中，發(fā)現(xiàn)垂直于電流方向的晶界會受到電子的作用力，而其他方向沒有明顯的作用力。1959年，Machlin［6］在實驗時發(fā)現(xiàn)施加電壓能夠顯著地提高脆性食鹽晶體的塑性。1963年，經(jīng)蘇聯(lián)科學(xué)家Troitskii和Likhtman［7］深入研究后把這種高能直流電流能夠引起材料流動應(yīng)力下降、改善材料塑性的效應(yīng)稱為電塑性效應(yīng)并予以報道，之后引起了國際上許多學(xué)者的分析研究。隨著大量實驗研究的進(jìn)行，電塑性效應(yīng)被普遍認(rèn)可。

隨后國內(nèi)的一些學(xué)者也陸續(xù)開始展開電塑性效應(yīng)的相關(guān)研究。1993年，劉志義等［8］在2091Al-Li合金超速高塑變形實驗中發(fā)現(xiàn)：加入脈沖電流能夠提高其伸長率和應(yīng)變速度，使之從晶界開裂斷裂變?yōu)槌茏冃螖嗔眩蛔畲笊扉L率相對于不加脈沖電流提高了90%，最佳變形速度提高了1個數(shù)量級。范蓉等［9］在研究不同參數(shù)的脈沖電流對鋁合金力學(xué)性能和伸長率的影響時，發(fā)現(xiàn)在同樣的能量密度下，5754鋁合金的瞬時應(yīng)力下降值和伸長率隨電流密度增加而增加。通過觀察金屬的斷口，得出孔洞的形核與長大被脈沖電流所抑制，由此提高成型性能的結(jié)論。劉武東等［10］針對材料中的電塑性機理不明和各相關(guān)量理論計算方法缺失的關(guān)鍵問題，從電流磁塑性角度對電塑性效應(yīng)進(jìn)行闡述；在研究了磁場對金屬流動應(yīng)力的影響后，得出了流動應(yīng)力的表達(dá)式，最后通過實驗驗證了這個表達(dá)式在一定范圍內(nèi)的可信性。然而，電塑性效應(yīng)的機理仍然沒有得到學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可?；诖?，本文對電塑性效應(yīng)在材料加工中的研究進(jìn)展進(jìn)行了相關(guān)的歸納總結(jié)。

1 電塑性拉拔

電塑性效應(yīng)在材料加工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于拉拔工藝本身具有易于加載電流的特性以及其電流加載裝置設(shè)計的簡便性，所以在這種工藝中首先應(yīng)用了電塑性效應(yīng)。

20世紀(jì)90年代中后期，清華大學(xué)鄭明新等［11］開始電塑性拉拔的研究實驗，發(fā)現(xiàn)電塑性拉拔具有極性，即當(dāng)拉拔方向相同于電流方向時，絲材的拔制力明顯降低，塑性提高；反之則拔制力幾乎沒有變化。經(jīng)過多次電塑性加工后，材料的極限塑性可提高400%～500%。在材料力學(xué)性能方面，與傳統(tǒng)拔絲工藝相比，電塑性拔絲后的銅絲屈服強度約提高5%～8%，塑性約提高6%～8%，同時減少了拔絲工序，顯著提高拔絲速度，取得了近乎實用的實驗成果。

劉嘯鋒等［12］的基于電塑性拔絲原理（如圖1所示），在對HLCuNi30鋼進(jìn)行電塑性拔絲研究時，發(fā)現(xiàn)加脈沖電流進(jìn)行連續(xù)拔制可以比不加電多拔8道次左右，真應(yīng)變?yōu)椴患与姷?.8倍，實驗結(jié)果見表1。結(jié)果表明：一方面電塑性拔絲可有效降低拉拔力，提高生產(chǎn)效率；另一方面，對于拉拔一些變形抗力較大的難加工材料，電塑性拉拔使之能夠較為輕松地實現(xiàn)。

圖1 電塑性拔絲原理圖

表1 拔制速率為6.0 m/min時的拔制力 單位：kN

Troitskiy和Stashenko［13］在對常規(guī)拉拔、熱拉拔與電塑性拉拔這3種工藝進(jìn)行比較實驗時，也得出了類似的結(jié)論：銅和鋼絲的電塑性拉拔相對于常規(guī)拉拔的拉拔力降低了30%～35%，電阻降低了18%～20%，鋼絲的軸向結(jié)構(gòu)因電流作用變得更加完美，晶體內(nèi)部位錯減少，殘余塑性增加，甚至讓中間回火變得不再必要。

2 電塑性軋制

軋制是使坯料受軋輥的壓縮而橫截面積減小、長度增加的壓力加工工藝，目前主要用于生產(chǎn)鋼材及各類型材、板材、管材等。但對于各類重要的戰(zhàn)略合金，如鋯合金、鈦合金、鎢合金、鉬合金和錸合金等這類低塑性材料來說，軋制工藝的應(yīng)用發(fā)展滯緩，因此電塑性效應(yīng)在低塑性材料的軋制生產(chǎn)中有著巨大的應(yīng)用價值。

劉向麗［14］的基于電塑性軋制原理如圖2所示，其對Zr合金這類高硬度難加工材料進(jìn)行了電塑性軋制實驗，驗證了電塑性軋制的可行性并總結(jié)了電脈沖參數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)脈沖頻率幾乎對軋件無影響。而在一定范圍內(nèi)，增大電流密度對降低軋制力有明顯效果，但電流密度過大會導(dǎo)致軋件溫升過大，反而會削弱塑性變形起到的提高軋件強度的效果。當(dāng)頻率達(dá)到600 Hz時，軋制力及最終Zr2軋件硬度受脈寬的影響并不顯著；但當(dāng)脈寬增加時，軋件的延伸率逐漸減小，如圖3所示。

圖2 電塑性軋制裝置示意圖

圖3 Zr2樣品變脈寬電塑性軋制時的樣品性能對比

楊陽［4］發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)材料變形達(dá)到一定閾值時，變形難度提升，電塑性效應(yīng)的效果才相對更加突出。而當(dāng)電流密度達(dá)到一定強度時，Zr702的軋制力顯著降低，軋件塑性明顯提升，變形抗力大大減小。Qian等［15］對快速淬火下得到的低碳馬氏體鋼進(jìn)行了冷軋和電塑性軋制實驗，通過對力學(xué)性能和顯微組織的對比分析，發(fā)現(xiàn)電塑性軋制試樣的強度與硬度稍低于冷軋試樣，但從延伸率來看有大幅提升，并且此結(jié)果與金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化有著直接聯(lián)系。

綜合來看，相對于傳統(tǒng)軋制，電塑性軋制能夠有效地改善軋件的力學(xué)性能，改善塑性，提高軋制效率，因此在低塑性的材料軋制生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

3 電塑性車削

鈦合金在航空、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，又由于其高強度、高硬度的金屬特性，使其成為一種非常難加工的材料。而車削加工是機械制造中應(yīng)用最廣泛的機床加工方法之一。聶熹［16］提出了基于電塑性效應(yīng)的新型輔助車削方法——在車削的過程中通入脈沖電流（原理如圖4所示），以求改善鈦合金的切削性能和表面質(zhì)量。通過單因素實驗法和田口實驗法，得到了一套關(guān)于TC4鈦合金的包含刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)和脈沖電流參數(shù)的最優(yōu)實驗方案。最終通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)論：進(jìn)給量和充電電壓對表面粗糙度的影響顯著。進(jìn)給量增大，表面粗糙度增大；充電電壓增大，表面粗糙度減小，其他參數(shù)影響均不顯著。進(jìn)給量和切削深度及其交互作用對于切削力有著顯著影響，進(jìn)給量和切削深度越大，切削力越大。

圖4 電塑性車削加工原理簡圖

Xu等［17］針對AISI 5120滲碳鋼的切削，對加入電脈沖后的各方面性能參數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)電脈沖能夠顯著減小主切削力，降低刀具磨損，同時還改善了試樣的表面質(zhì)量與表面硬度。他認(rèn)為這一現(xiàn)象可以用焦耳加熱導(dǎo)致的位錯遷移率增大和電塑性效應(yīng)共同作用后導(dǎo)致進(jìn)行解釋。廖鵬飛［18］將電塑性效應(yīng)和超聲振動進(jìn)行耦合，并運用到了鈦合金車削上，發(fā)現(xiàn)電塑性——超聲振動耦合車削得到的切削性能和表面質(zhì)量優(yōu)于單作用的電塑性車削和超聲振動車削。因此考慮通過將兩種輔助加工方法結(jié)合，以達(dá)到一個更好的加工效果，這也可能是下一階段的研究方向。中國石油大學(xué)的張川［19］對鈦合金和鎳基高溫合金進(jìn)行了對比，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)與普通車削相比，鈦合金電塑性車削切削力最大減小達(dá)13.95 N，降幅為27.27%；鎳基高溫合金電塑性車削，切削力最大減小達(dá)41.85 N，降幅為38.46%。因此得出結(jié)論，電塑性效應(yīng)對鎳基高溫合金車削加工的影響比鈦合金更為顯著。

圖5 鈦合金與鎳基高溫合金切削過程中切削力的對比

4 電塑性焊接

焊接是機械制造業(yè)中必不可少的工藝，尤其是在制造航天飛船、衛(wèi)星和空間站等過程中，焊接質(zhì)量需要受到嚴(yán)格把關(guān)。傅莉等［20］作為國內(nèi)較早開始研究如何將電塑性效應(yīng)作用到焊接工藝上的一批研究者，提出通過給鋁合金施加強電場的方式來改善其摩擦焊接工藝，從而達(dá)到理想的焊接質(zhì)量。實驗結(jié)果表明：增加高強度電場對于鋁合金的摩擦焊接工藝有較為顯著的影響。相對于普通摩擦焊接，當(dāng)電場強度增大時，電塑性摩擦焊接受到的扭矩減小，減小量最大可達(dá)40%左右；并且其接頭軸向的縮短量增大，最大可增大至普通摩擦焊接的148%。

Polovinko和Yurchenko［21］則是通過對焊接件施加高密度電流脈沖，探究其對于焊接性能的影響，得出以下結(jié)論：高密度電流脈沖會導(dǎo)致焊接件表面塑性變形，接觸表面間的間隙明顯減小，這為在空氣中對接頭進(jìn)一步處理奠定了基礎(chǔ)。岳云［22］豐富了固態(tài)焊接的相關(guān)理論，提出電致超塑性焊接的想法，并對Cr12MoV鋼展開在電場作用下的超塑性固態(tài)焊接實驗，電場裝置如圖6所示。得出的結(jié)論為：Cr12MoV鋼在等溫壓縮變形過程中的各個階段的屈服極限均有下降，再次驗證了電塑性焊接的可行性；同時，施加電場使Cr12MoV鋼的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力降低，最高可下降7%。但他發(fā)現(xiàn)改變電場的種類和極性對實驗結(jié)果的影響并不顯著。實驗表明：電場可以顯著增強焊接接頭區(qū)原子的活躍度，促進(jìn)其相互間的擴(kuò)散作用，使焊接時間減少，接頭強度增大，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

圖6 電場裝置示意圖

表2 不同預(yù)處理狀態(tài)焊接接頭拉伸結(jié)果

5 電塑性彎曲

彎曲成型是一種把金屬型材、管材和板材以一定角度進(jìn)行折彎，形成一定形狀尺寸的工藝，在制造部分汽車鋼板、高壓容器、箱體柜體等方面大多采用這種工藝。

Salandro等［23］基于電塑性效應(yīng)，針對304不銹鋼板的電塑性彎曲進(jìn)行表征和建模，探究不同模具寬度和電流密度對彎曲性能的影響。仿真結(jié)果表明：電塑性彎曲的成型力相對于常規(guī)工藝有明顯減小，回彈減少最高可達(dá)77%，該結(jié)論為之后的實驗研究提供了理論基礎(chǔ)。周強等［24］以鈦合金為研究對象，針對其常溫下塑性低，沖壓成型困難的問題，研究脈沖電流對其折彎性能的影響。實驗結(jié)果表明：脈沖電流可顯著提升鈦合金的彎曲性能，增大延伸率，提高塑性，最大延伸率可提升至70%左右；同時其彎曲回彈角明顯減小。當(dāng)電流密度達(dá)到38 A/mm2左右時，彎曲回彈角已經(jīng)減小了48%左右；并且當(dāng)電壓保持不變時，頻率越高，其彎曲性能越好。

范豇宇等［25］通過電輔助V型彎曲實驗（裝置原理如圖7所示）研究低碳鋼電塑性彎曲性能的影響時，得到了類似的結(jié)論；并且他們還發(fā)現(xiàn)先彎曲后通電保持的方式相對于先通電保持后彎曲的方式，彎曲回彈角更小，即彎曲和通電保持的先后順序?qū)澢阅芤泊嬖谝欢ǖ挠绊憽?/p>

圖7 電輔助V型彎曲模具結(jié)構(gòu)與通電方式示意圖

6 結(jié)語

本文對電塑性效應(yīng)在拉拔、軋制、車削、焊接和彎曲這5種常見的材料加工工藝中的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，并分析了其加工材料及應(yīng)用前景，得出以下3個結(jié)論：

（1）電塑性效應(yīng)相對于傳統(tǒng)工藝能夠顯著地提高塑性，改善材料加工性能，提高加工效率，減少生產(chǎn)成本。

（2）對于一些難加工金屬材料的加工，電塑性輔助加工將會是一個很好的突破口，其能降低加工難度，改善工件性能。

（3）電塑性效應(yīng)能夠與其他輔助加工方法（如超聲振動輔助加工）進(jìn)行耦合作用，從而進(jìn)一步優(yōu)化工藝，減小變形抗力，提高塑性。

從目前的研究進(jìn)展來看，電塑性輔助加工有望在未來的制造業(yè)中發(fā)揮重要的作用，但其仍存在一定的不足以及進(jìn)一步發(fā)展的空間，主要有以下3個方面：

（1）對電塑性的原理雖然有了一定的解釋與假說，但由于其本身的復(fù)雜性與研究難度，始終沒有一個讓學(xué)術(shù)界都認(rèn)可的結(jié)論，還待更深層次地探索研究。

（2）電塑性存在明顯的方向性，除電流方向外其他方向的加工還需要進(jìn)一步研究。

（3）要讓材料呈現(xiàn)出明顯的電塑性效應(yīng)往往需要100 A/mm2以上的電流密度，大電流脈沖電源的昂貴成本以及生產(chǎn)操作的危險性使之在實際生產(chǎn)中難以得到廣泛應(yīng)用。