曹鳳雷，梁求，毛亞寧，譚振，吳濤

1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北石家莊 050018 2.北京飛機(jī)維修工程有限公司 北京 100621

1 序言

5083鋁合金屬于不可熱處理的高鎂鋁合金，由于其具有良好的強(qiáng)度、耐蝕性、焊接性、可加工性和低溫性能[1-3]，因此廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、機(jī)械、船舶及交通等領(lǐng)域[4-6]。5083鋁合金在使用過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷[7]，其中裂紋的危害最嚴(yán)重，裂紋會(huì)造成材料內(nèi)部分離，降低承載能力，而且在裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，在服役過程中即便承受很低的載荷作用也會(huì)迅速擴(kuò)展，致使結(jié)構(gòu)突然斷裂。

到目前為止，對(duì)裂紋的止裂和愈合研究主要是從裂紋的兩側(cè)加入熱量或壓力引起熱壓應(yīng)力或機(jī)械壓應(yīng)力、微觀組織成分的補(bǔ)充，以及降低裂紋端部的應(yīng)力集中等多個(gè)渠道進(jìn)行[8，9]。而脈沖電流止裂和愈合作為一種金屬、金屬與非金屬合金裂紋的特用修復(fù)手段，既滿足上面3個(gè)要求，同時(shí)還具有以下兩種特點(diǎn)：①修復(fù)效果不受裂紋大小和位置影響。②對(duì)產(chǎn)品正常部位無(wú)影響[10，11]。

迄今為止，電脈沖技術(shù)已被證明在碳素鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金和鋁鋰合金等材料的止裂和愈合方面是可行的[12-14]。由于脈沖電流是通過能量補(bǔ)給來(lái)修復(fù)裂紋的，沒有機(jī)械能的注入，也沒有物質(zhì)補(bǔ)給，因此只能修復(fù)微裂紋，不能修復(fù)大尺寸裂紋[15]。

本試驗(yàn)通過壓力輔助脈沖電流對(duì)放電前后5083鋁合金裂紋尖端形貌進(jìn)行對(duì)比分析，探討壓力和電壓對(duì)裂紋修復(fù)的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料取自5083-H112鋁合金板材，試樣尺寸為60mm×8mm×5mm，在試件中部切出深4mm的直角坡口，并用拉伸試驗(yàn)機(jī)以1mm/min的拉伸速率拉伸150s，以保證制出的裂紋長(zhǎng)度相同，材料化學(xué)成分見表1，試樣形狀如圖1所示。放電裝置采用兩級(jí)電容源（見圖2），先通過前級(jí)進(jìn)行穩(wěn)壓給后級(jí)通電，再穩(wěn)壓輸出對(duì)電容器組進(jìn)行充電，放電時(shí)通入純度為99.99%的氬氣作為保護(hù)氣，避免雜質(zhì)入侵，影響試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 試樣尺寸

圖2 電脈沖處理設(shè)備

表1 5083-H112鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

放電時(shí)間為2s，頻率為20Hz，調(diào)節(jié)電壓和壓力，探究不同電壓和壓力對(duì)裂紋修復(fù)效果的影響，試驗(yàn)參數(shù)見表2。選擇維氏硬度計(jì)對(duì)放電前后的試件進(jìn)行硬度測(cè)試，取點(diǎn)位置見圖1中虛線方框。在裂紋尖端附近對(duì)稱位置各取15個(gè)點(diǎn)，每個(gè)試件總共取30個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)間隔0.5mm，施加載荷為0.5kg（4.9N），加載時(shí)間為10s。為了減小試驗(yàn)誤差，未放電的試件取3個(gè)，然后取硬度平均值。由于試樣進(jìn)行拉伸時(shí)，斷裂位置必定出現(xiàn)在裂紋處，因此可將原放電試樣定為拉伸試樣，對(duì)原放電試樣進(jìn)行拉伸。為了減小試驗(yàn)誤差，未放電試件取3個(gè)，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率取平均值。

表2 壓力輔助電脈沖處理試驗(yàn)參數(shù)

3 分析與討論

3.1 壓力對(duì)裂紋修復(fù)效果的影響

電壓為2V，調(diào)節(jié)壓力依次為0N、50N、100N、150N、200N、250N，裂紋修復(fù)結(jié)果如圖3～圖8所示。

圖3 壓力為0N時(shí)裂紋修復(fù)效果

圖4 壓力為50N時(shí)裂紋修復(fù)效果

圖5 壓力為100N時(shí)裂紋修復(fù)效果

圖8 壓力為250N時(shí)裂紋修復(fù)效果

電壓為2V時(shí)，隨著壓力增加，裂紋愈合越明顯。當(dāng)壓力增大到150N時(shí)，裂紋寬度明顯縮?。ㄒ妶D6b）；當(dāng)壓力為200N時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力集中過大，裂紋尖端被擠壓出新的微裂紋（見圖7b）；當(dāng)壓力為250N時(shí)，裂紋尖端不足以承受過大的應(yīng)力集中，試件最終會(huì)斷裂（見圖8b）。因此，當(dāng)壓力為150N時(shí)，裂紋愈合效果最好，且裂紋尖端不會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。

圖6 壓力為150N時(shí)裂紋修復(fù)效果

圖7 壓力為200N時(shí)裂紋修復(fù)效果

在修復(fù)裂紋過程中，由于繞流效應(yīng)，電流會(huì)在裂紋尖端聚集，產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致裂紋尖端溫度瞬間升高，裂紋尖端快速膨脹，但裂紋以外部位幾乎不變，因此正常基體會(huì)阻止裂紋尖端的膨脹，對(duì)裂紋尖端施加熱壓應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋愈合[16]。在熱壓應(yīng)力作用同時(shí)，電子風(fēng)力會(huì)推動(dòng)位錯(cuò)填充裂紋[17，18]，并且基體原子固相擴(kuò)散也會(huì)填充裂紋[17]，裂紋在3種機(jī)制協(xié)同作用下得到修復(fù)。脈沖電流是通過能量補(bǔ)給來(lái)修復(fù)裂紋的，沒有機(jī)械能注入和物質(zhì)補(bǔ)給，只能修復(fù)微裂紋，不能修復(fù)大尺寸裂紋[15]，需施加壓力進(jìn)行輔助。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)壓力為150N時(shí)，裂紋愈合效果最好，壓力過小起不到輔助作用，壓力過大則會(huì)在裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中。

3.2 電壓對(duì)裂紋修復(fù)效果的影響

壓力為150N，電壓分別為1.8V、1.9V、2.0V、2.1V時(shí)試樣裂紋修復(fù)結(jié)果如圖9～圖12所示。在壓力為150N時(shí)，隨著電壓的增加，裂紋尖端修復(fù)效果增加。當(dāng)電壓增大到2V時(shí)，裂紋尖端出現(xiàn)明顯鈍化（見圖11b）；當(dāng)電壓為2.1V時(shí)，裂紋尖端熱量過多，試件發(fā)生斷裂（見圖12b）。因此，當(dāng)電壓為2V時(shí)，裂紋尖端愈合效果最好。

圖9 電壓為1.8V時(shí)裂紋修復(fù)效果

圖10 電壓為1.9V時(shí)裂紋修復(fù)效果

圖11 電壓為2.0V時(shí)裂紋修復(fù)效果

圖12 電壓為2.1V時(shí)裂紋修復(fù)效果

4 壓力輔助電脈沖處理對(duì)試件力學(xué)性能的影響

4.1 對(duì)試件裂紋尖端硬度的影響

不同電壓和壓力下試樣硬度的平均值以及放電前后的硬度變化值見表3，圖13和圖14分別展示了電壓2V時(shí)不同壓力下的硬度平均值和壓力150N時(shí)不同電壓下的硬度平均值。從表3可看出，未放電試件的平均硬度為110HV，而放電后所有試件的硬度平均值均低于未放電試件。因此，電脈沖處理降低了試件裂紋尖端附近的硬度，起到了軟化作用。

圖14 壓力150N時(shí)不同電壓下的硬度平均值

表3 不同電壓和壓力下試樣的硬度平均值以及放電前后的硬度變化值

從圖13可看出，在電壓2V保持不變，只改變壓力的情況下，放電后裂紋尖端附近區(qū)域的硬度均降低，隨著壓力的增加，硬度差值減小，起到的軟化作用降低。當(dāng)壓力為0N時(shí)，硬度差值最大為32.4HV，軟化作用最大；當(dāng)壓力為200N時(shí)，硬度差值最小為11.1HV，軟化作用最小。

圖13 電壓2V時(shí)不同壓力下的硬度平均值

由圖14可看出，當(dāng)壓力為150N，電壓分別為1.8V、1.9V、2V時(shí)，放電后裂紋尖端硬度均低于未放電硬度平均值（110HV）。其中，電壓為1.8V時(shí)，硬度差值最小為5.1HV，軟化作用最??；而電壓為1.9V時(shí)，硬度差值最大為30.7HV，軟化作用最明顯。

電脈沖處理后裂紋尖端組織晶粒沒有細(xì)化，也沒有再結(jié)晶現(xiàn)象，而放電后裂紋尖端硬度降低，其原因只能是脈沖電流推動(dòng)了裂紋尖端位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致位錯(cuò)密度降低。在探究電壓對(duì)裂紋尖端硬度影響的試驗(yàn)中，隨電壓增大，裂紋尖端組織軟化作用增加，這就是由于電脈沖作用導(dǎo)致的位錯(cuò)密度降低，進(jìn)而降低了裂紋尖端組織的硬度，起到了軟化作用（見圖14）；但是在探究壓力對(duì)裂紋尖端硬度影響的試驗(yàn)中，隨壓力增大到200N時(shí)，裂紋尖端組織軟化作用降低，壓力導(dǎo)致裂紋尖端產(chǎn)生加工硬化，抵消了電脈沖的部分軟化作用（見圖13）。

4.2 對(duì)試件拉伸性能的影響

在不同電壓和壓力下試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率以及抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率變化值見表4。從表4可看出，放電試件的抗拉強(qiáng)度平均值為6.82MPa，伸長(zhǎng)率平均值為1.04%。放電后的試件中僅有2V、50N和2V、150N參數(shù)下試件的抗拉強(qiáng)度降低，其余5個(gè)參數(shù)下試件的抗拉強(qiáng)度均高于放電前平均值（6.82MPa），放電后所有試樣的伸長(zhǎng)率均高于放電前平均值（0.73%）。

表4 不同電壓和壓力下試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率以及抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率變化值

電壓2V時(shí)不同壓力下的抗拉強(qiáng)度如圖15所示。由圖15可看出，當(dāng)壓力為150N時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度最低為5.36MPa，與未放電試樣相比下降了1.46MPa；當(dāng)壓力為200N時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度最高10.40MPa，上升了3.58MPa。

圖15 電壓2V時(shí)各壓力下的抗拉強(qiáng)度

放電后所有試樣的伸長(zhǎng)率均增加，當(dāng)壓力為150N時(shí)試樣的伸長(zhǎng)率最低為1.42%，與未放電試樣相比上升了0.69%，壓力為100N的試樣伸長(zhǎng)率最高為2.11%，與未放電試樣相比上升了1.38%。

由于繞流效應(yīng)，脈沖電流會(huì)在裂紋尖端聚集，因此電脈沖只影響裂紋尖端的抗拉強(qiáng)度和塑性，而對(duì)正?；w的抗拉強(qiáng)度和塑性幾乎沒有影響。

綜上所述，放電后試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率呈上升趨勢(shì)（抗拉強(qiáng)度相比未放電時(shí)有下降的情況），壓力200N的試樣抗拉強(qiáng)度上升最大為10.40MPa，壓力100N的試樣伸長(zhǎng)率上升最大為2.11%。

壓力150N時(shí)不同電壓下試樣的抗拉強(qiáng)度如圖16所示。從圖16可看出，電壓2V時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度最低為5.36MPa，與未放電試樣相比下降了1.46MPa；電壓為1.8V時(shí)試樣抗拉強(qiáng)度最高為8.83MPa，上升了2.01MPa。

圖16 壓力150N時(shí)不同電壓下的抗拉強(qiáng)度

放電后所有試件的伸長(zhǎng)率均增加，電壓2V時(shí)試樣的伸長(zhǎng)率最低為1.42%，與未放電相比上升了0.69%；電壓1.9V時(shí)試樣的伸長(zhǎng)率最高為2.24%，與未放電相比上升了1.51%。

綜上所述，放電后抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率呈上升趨勢(shì)，電壓為1.8V時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度最大為8.83MPa，電壓為1.9V時(shí)試樣的伸長(zhǎng)率上升最大為2.24%。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）當(dāng)放電時(shí)間為2s、頻率為20Hz時(shí)，采用2V、150N參數(shù)的裂紋尖端鈍化現(xiàn)象最明顯。電壓過小或壓力過小，均起不到修復(fù)效果；電壓過大或壓力過大，均會(huì)超出試樣的承受極限，導(dǎo)致其發(fā)生斷裂。

2）隨著電壓的增大，裂紋尖端組織軟化作用增加，軟化作用源于電脈沖作用導(dǎo)致的位錯(cuò)密度降低；但在探究壓力對(duì)裂紋尖端硬度影響的試驗(yàn)中，隨著壓力的增大，裂紋尖端組織軟化作用降低，這可能是因?yàn)閴毫Φ某霈F(xiàn)導(dǎo)致裂紋尖端產(chǎn)生加工硬化，抵消了電脈沖的部分軟化作用。

3）放電后的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均呈上升趨勢(shì)，2V、200N參數(shù)下抗拉強(qiáng)度上升至最大為10.40MPa，增加了3.58MPa；1.9V、150N參數(shù)下伸長(zhǎng)率上升至最大為2.24%，增加了1.51%。