电致塑性效应机制研究及其展望

彭书华，杨俊杰，李 尧

（江汉大学 机电与建筑工程学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

电致塑性效应（electro－plastic effect，简称EP效应）是指金属在塑性变形过程中，在外加电流或者电场等电刺激下使其塑性提高，变形抗力下降的现象。

1 电致塑性的机制研究

近年来，国内外学者对这一领域进行了进一步研究，并取得了一定的进展。现在学者一致认为电致塑性效应是一种复合结果，是多种物理效应共同作用导致的。主要有以下几个方面：

1）焦耳热效应。金属的电阻使温度升高、金属软化。

2）磁压缩效应。电流的磁场使固体等离子体产生压迫，导致金属径向受压轴向受拉，在高频脉冲电流作用下，磁压缩效应产生的应力一般很小，对塑性变形的影响不大。

3）纯电塑性效应。学者认为电致塑性的实质是大量位错的产生和运动，高密度脉冲电流提高金属内部原子的运动能量，改变金属内的位错激活能，加快位错的运动速度，打开位错之间的相互缠结，克服滑移系的障碍，从而提高金属的塑性［2－3］。总而言之，电致塑性是漂移电子增强了位错的运动能力导致的，最先发现电致塑性效应的Troitskii 等也同意这一观点，认为金属中漂移电子使可动位错密度得以提高，或改变位错的分布［4］。对于漂移电子到底怎样促进位错的运动，学者们结合前人的经验给出了一些推测和猜想［5－15］，不过现在还是缺乏实验数据和相应的研究方法及对原有数据的精确预测，因此其微观机制的研究基本处于探索阶段。

1.1 电子风力对位错的影响

现在这一理论已被普遍接受，同时也有部分研究表明，电子风力对位错的作用力非常小，甚至有时电子风力几乎可以忽略不计，它不足以使金属材料的塑性有如此大的提高［20］。

1.2 漂移电子提高可动位错密度

但是空位对位错的作用也是有限的，而且位错过多，晶内滑移机制不易协调，会造成位错塞积和变形应力的增大，反而会抑制塑性变形。

1.3 漂移电子对堆垛层错能的影响

但是现在堆垛层错能和扩散激活能的测定还只是停留在理论模型阶段，具体的测定方法还有待进一步完善，而且测定结果的精确度有待进一步提高，因此相关能量的测定还欠缺实验数据依据。

1.4 漂移电子对显微组织的影响

脉冲电流不仅对位错有直接的作用，其对显微组织和精细结构的作用也不可忽视。S. D.Prokoshkin 等［26］综合分析脉冲电流对Ti－Ni 记忆合金的组织与性能的影响，发现脉冲电流加速了再结晶的过程，抑制晶粒长大，细化晶粒，同时林化强等［27］也发现脉冲电流促进了Ti－6Al－4V 合金组织由等轴α 相和晶间β 相转化为锯齿状的α'相，显微组织明显得到细化。晶粒细化可以提高材料的力学性能，降低抗拉强度，再结晶过程中晶粒的形核、长大会影响原晶界和亚晶界，再结晶动力对原组织造成能量涨落，这些都会影响位错的分布与运动，对电致塑性也有不可忽视的作用。

1.5 电磁场对位错的促进

研究表明，M. Molotskii［28］从磁场的角度提出以一种新的模型来解释电致塑性。他认为脉冲电流产生了感应磁场，在顺磁性区域晶格对位错的阻力下降，位错更容易运动，因此导致材料的超塑性。北京理工大学刘兆龙［29］在此基础上，推导出位错滑移所需克服的阻力佩—纳力，其计算表明磁场对位错的作用力大约是电子风力的104倍。该一模型成立的条件是，在电磁场下，位错的自由部分长度增加，且位错的扎定中心为顺磁性相［30］。

虽然学者们对于电流对金属行为的作用机制已有较为深入的研究和探索，但若单纯以某一种理论来解释其行为产生的原因，或多或少都存在缺陷，因此还有待进一步探索。

2 电致塑性效应在工业中的应用

虽然电致塑性的机制还不甚清楚，但这没有影响其应用，电致塑性这一现象已经在很多领域取得很好的应用效果。

电致塑性对金属材料的力学性能研究表明，脉冲电流可以降低金属变形抗力，增加金属延伸率，提高金属的稳定流动性，改善产品表面质量，提高成形件的机械性能，最关键的是可以改善变形温度和应变速率等变形条件，因此，此现象一被发现就备受工业界关注，并成功地应用于工业生产中，其应用前景很广阔。

2.1 电致塑性拉拔

电拉拔是在普通的拉拔设备上增加高密度脉冲电源，一般输入脉冲电流有3 种方式［31］：在拉拔变形区、拉拔变形前施加脉冲电流，其中拉拔变形前有两种方式，分别如图1 中a，b，c 所示，v表示丝材的运动方向，I 表示脉冲电流的方向。第一种方式是在拉拔变形区施加高密度脉冲电流。第二种方式中，把拉丝模本身当作了一接触电极，这样脉冲电流带来的轻微震动等副效应直接作用在模具上，会影响拉丝的质量，而且拉丝模损耗较大。第三种方式拉丝过程中完全没有电流通过，这样电致塑性效应不明显，所以现在一般都选择第一种电流输入方式。

图1 电流输入方式

与普通拉拔相比，发现电拉拔所需的拉拔力大幅下降，这是因为在金属塑性变形区内引入瞬时高能量脉冲电流，原子获得能量，振动能力增强，打开了位错间的缠结钉扎，降低了变形中的内摩擦力。另外，引入的脉冲电流使金属表面的微粒子产生振动，降低模具与丝材的摩擦力。内外摩擦力的降低，促进丝材的变形，降低拉拔力，减缓丝材加工硬化，省去中间的退火过程，提高丝材的总拉拔变形量，改善丝材的显微组织结构和综合力学性能［32－36］，因此采用电致塑性拉拔技术高效、节能，能获得良好的产品质量，已经成为丝材加工中迅速发展起来的新型技术。

2.2 电致塑性轧制

电致塑性轧制使镁合金、TiNi 形状记忆合金等难以成形的轧制加工成为可能。与普通轧制相比，电轧制通过接触电极装置和轧辊将引入脉冲电流通过轧材，电流方向平行于轧材的行进方向［36］。清华大学唐国翌［37］利用电致塑性轧制AZ31Mg 合金薄板，图2 表示了普通轧制和不同频率电轧制后实验结果，延伸率有了很大的提高，并且表面质量与普通轧制效果相当。这是因为脉冲电流激活了非基底滑移系统，增强了位错的运动，变形区域晶粒明显细化，出现动态再结晶、孪晶晶粒。如此成形工艺简化，减少退火工艺，无需加热，轧材变形能力大为提高，变形抗力下降，改善显微组织，轧制后强度高、韧性好［38－40］。因此，电轧制具有很好的研究和产业化价值。

图2 不同电参数下的延伸率

3 研究方向

3.1 机制研究的完善

电致塑性效应与脉冲电流的频率有很大的关系，一般频率增大，电致塑性效应也随之增大，高频电流通过材料时，电流通过金属表面进行传输，但是高频会导致电流汇聚于金属表面，伴随大的发热现象，金属表面和内部温差增大，从而影响电致塑性效应。另外过大的热效应会导致金属整体温度上升，温度越高，原子能量越高，热运动越激烈，对位错线运动产生的影响越大，因此，在探讨电致塑性微观机制时，脉冲电流的宏、微观热效应的控制是目前的难题，要尽量降低热效应或单独就热效应机制的影响进行重点研究。其次，金属材料对其机制也有一定的影响。金属中添加元素和杂质元素会影响金属显微组织，如晶粒大小、原子间隙、原子空位金相结构等，会导致位错组态、位错密度等的变化，也会影响机制的研究，因此在选择材料时，可以选择不同种类的纯金属，减小外加元素的影响。

3.2 应用前景

在电致塑性际工程应用过程中，还有很多技术需要深入研究和突破。不同的材料的电致塑性电参数和变形方案都不一样，对每一种材料的最佳参数组合都得进行针对性研究。现在的电致塑性效应一般在低速下才能得到，在应用电致塑性进行加工时，低的生产速度不符合现代企业的理念，提高速度，需要增加电流密度和频率来弥补。另外电致塑性加工技术对通过变形材料横截面的的电流密度有一定的要求，当电流密度达到某一特定值（数十～数千A/mm2）时，材料的成形性能才能有明显的提高，过高的电流密度对电源设备的提出更高要求，因此高密度脉冲电流设备的研发与制造就成了当务之急了。另外，电致塑性具有明显的方向性，垂直或平行于加工方向还有待进一步研究。

4 结语

虽然电流密度限制了电致塑性效应在实际生产中的应用，但是对于渐进成形和旋压成形等成形工艺，由于模具与材料的瞬间接触面积和加工零件尺寸特别是横截面积比较小，过高的电流密度也能达到，因此电致塑性在微成形技术中将能得到很好的应用，电流密度将不再是阻碍因素。在微成形过程中，由于零件尺寸很小，应变对屈服应力的影响更显著，随着应变的增加，屈服应力提高，变形抗力增大，塑性变形的不均性增大，材料的成形极限下降。同时，微零件在成形过程中与模具之间的摩擦极大地影响了其表面质量，而且影响很难再用其他工艺修复。电致塑性可以细化晶粒、降低材料的变形抗力、提高成形极限、提高材料的塑性等，因此，电致塑性在微成形中具有广阔的应用前景。

对金属塑性变形机制的研究归根结底都落于位错的行为，而晶体的对称度越低，结构越复杂，位错的行为越复杂，给研究带来不便。可以通过控制初始取向、温度及应变速率等各种对塑性变形行为有着重要影响的塑性变形加工条件，根据热力学条件对材料进行重结晶、热处理等预处理，改变与塑性变形微观机制密切相关的织构的形成及动态回复与再结晶行为，使位错的数量、形态等初始状态处于一种相对有利的条件。同时，基于脉冲电流带来的热效应对晶界、位错和空位等晶体缺陷的影响，在试验过程中，必须严格控制温升，采取适当措施排除温度对试样引发的组织、性能变化。另外，各种滑移机制之间的竞争是决定合金塑性变形行为的关键因素之一，而电流对不同滑移系统的交互作用会带来不同的位错形态与结构，并且不同类型的位错在不同晶体结构中会发生不一样的位错反应。例如对于层错能低的扩展位错发生攀移或交滑移的概率越小，越难合成为压杆位错，因此也会得出不一样的机制推断。为了避免这些因素的影响，最好单独就某一种典型晶体结构进行深入研究。总之，尽管现在电致塑性效应机制尚不明确，在不断学习和总结前人经验的基础上，总会探明其机制，扩展其应用的。

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