一种电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法

摘要

本发明公开一种电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法，通过设计涵盖大电流与小电流、异步与同步加载、电流加热与传统热传导/热辐射加热的一套对比实验方法，利用了各个实验自身优点，避免了单一实验不能有效地剥离热效应的影响，最终证实非热效应的存在，实现热效应与非热效应的解耦分离，并探明电致塑性主要作用对象为位错，非热效应主要体现在电流改变了位错间的相互作用状态，降低了位错运动的晶格阻力，促进了滑移，同时得到热效应与非热效应受温度影响的规律。

说明书

技术领域

本发明涉及塑性加工技术领域，特别是涉及一种电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法。

背景技术

在塑性加工过程加载电流时金属材料往往出现变形抗力降低，塑性提高的现象，称之为电致塑性效应。电流辅助成形是将电致塑性效应同传统塑性加工工艺相结合的一种先进成形技术。针对航空、航天等领域对轻质高强材料和轻量高效结构成形一体化制造、高效率和数字化加工的要求，电流辅助成形已展现出其在提高金属材料，特别是轻质、难变形材料成形性能方面的优势。

在电流辅助成形的应用和研究过程中，电致塑性效应为基础，起着至关重要作用。研究清楚电致塑性效应机理才能充分地利用其对微观组织调控、提高金属材料成形性的特点，从而为开发电流辅助成形技术及推进其在塑性加工领域的应用提供理论支持。然而，由于金属材料在电流辅助加载下涉及电磁场、温度场、变形场和外力场共同耦合作用，且电场和温度场分布、材料变形状态及微观组织不均匀性等可控参数具有复杂性，使电致塑性效应机理的研究及其应用极具挑战。目前，电致塑性效应的产生机理尚有争议，已提出的理论按有无温度(热能)的贡献可分为两类：热效应和非热效应。热效应主要来源于焦耳热效应，非热效应则主要包含电子风效应、磁效应等。目前，电致塑性效应机理研究尚存在两方面的问题：一是焦耳热效应导致的材料软化是否为电致塑性效应产生原因；二是电子风效应和磁效应缺乏可靠精确的实验验证分析，使非热效应是否存在尚存在争议。因此研究电致塑性效应机理主要围绕在如何有效地分离电致塑性热效应与非热效应，进而确认是否存在非热效应。对此国内外学者开展了大量的研究工作，采用了不同的实验设计，总体来说主要思路是通过在加载电流时强制风冷或充入液氮使材料保持特定温度(如室温、低温等)以排除焦耳热对材料的影响。然而由于焦耳热是电子与晶体点阵作用导致的发热现象，这种对流降温并不能抑制材料内部焦耳热的产生，并未从本质上消除焦耳热；此外金属材料中缺陷、组织形态的差异，造成微观尺度下温度场不均匀，宏观测量的温度很难精确表征材料实际温度，因此使研究结果并不能排除热效应的影响。

基于以上分析，电致塑性热效应与非热效应相互交织，并不能简单地以物理方式直接剥离；同时以往相对单一的实验设计或多或少存在一些缺陷，并不能全面有效地排除焦耳热效应和其他因素的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法，能够实现对热效应与非热效应有效的解耦分离。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法，包括：

对预变形金属材料试样进行大电流异步加载实验，获取大电流异步加载实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况；

对预变形金属材料试样进行传统炉加热方式下的退火热处理实验，获取退火热处理实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况；

根据所述大电流异步加载实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况和所述退火热处理实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况，得到热效应的信息；

对金属材料试样进行小电流同步加载实验，获取小电流同步加载实验下的应力应变和加工硬化率的影响；

对金属材料试样进行等温热拉伸实验，获取等温热拉伸实验下的应力应变和硬化指数随温度的变化曲线；

根据所述小电流同步加载实验下的应力应变和加工硬化率的变化和所述等温热拉伸实验下的应力应变和硬化指数随温度的变化曲线，得到非热效应的信息。

可选的，所述对预变形金属材料试样进行大电流异步加载实验，获取大电流异步加载实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况，具体包括：

对金属材料试样加载一定的预应变量，再进行大电流异步加载实验，实验过程中大电流密度为30A/mm²～60A/mm²，加载次数为1～3次，每次持续10s，每次间隔30s，获取大电流异步加载实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况。

可选的，所述方法还包括：

对预变形金属材料试样进行大电流异步加载实验和对金属材料试样进行传统炉加热方式下的退火热处理实验后，将实验后的金属材料空冷至室温，对冷却至室温的金属材料进行单轴拉伸直至断裂。

可选的，所述方法还包括：

对金属材料试样进行小电流同步加载实验和对金属材料试样进行等温热拉伸实验时直接拉伸至断裂。

可选的，所述所有单轴拉伸的应变速率为10^-3s^-1。

可选的，所述大电流异步加载实验和退火热处理实验的目标温度范围为500℃～850℃，所述小电流同步加载实验和等温热拉伸实验的目标温度范围为18℃～95℃。

可选的，所述对金属材料试样进行小电流同步加载实验，获取小电流同步加载实验下的应力应变和加工硬化率的影响，具体包括：

对金属材料试样进行小电流同步加载实验，实验过程中小电流密度为6A/mm²～10A/mm²，加载时间小于或等于单轴拉伸时间，获取小电流同步加载实验下的应力应变和加工硬化率的影响。

可选的，所述小电流同步加载实验的电流加载阶段采用弹性阶段或塑性阶段。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法，通过设置多层次的对比：大电流与小电流、异步与同步加载、电流加热与传统热传导/热辐射加热的对比，这样一套综合实验测试方法，利用了各个实验自身优点，避免了单一实验不能有效地剥离热效应的影响，最终证实非热效应的存在，实现热效应与非热效应的解耦分离，并探明电致塑性作用对象为位错，大电流异步加载时产生的局部焦耳热起到类似退火的作用，而非热效应主要体现在电流改变了位错间的相互作用状态，降低了位错运动的晶格阻力，促进了滑移，同时得到热效应与非热效应受温度影响的规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法流程图；

图2为本发明所采用试样形状尺寸示意图；

图3为本发明TC4钛合金原始试样应力应变曲线及加工硬化率曲线；

图4为本发明大电流异步加载时位错演变图；

图5为本发明大电流异步加载后应力应变及加工硬化率曲线；

图6为本发明退火热处理后应力应变及加工硬化率曲线；

图7为本发明小电流同步加载示意图；

图8为本发明小电流在弹性阶段或塑性阶段同步加载下应力应变和加工硬化率曲线；

图9为本发明小电流在不同塑性阶段同步加载下应力应变和加工硬化率曲线；

图10为本发明小电流同步加载与等温热拉伸应力应变曲线及硬化指数随温度的变化；

图11为本发明热效应和非热效应随电流密度的变化。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法，能够实现对热效应与非热效应有效的解耦分离。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法流程图。如图1所示，一种电致塑性热效应与非热效应解耦分离方法，包括：

步骤101：对预变形金属材料试样进行大电流异步加载实验，获取大电流异步加载实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况；

步骤102：对预变形金属材料试样进行传统炉加热方式下的退火热处理实验，获取退火热处理实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况；

步骤103：根据所述大电流异步加载实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况和所述退火热处理实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况，得到热效应的信息；

步骤104：对金属材料试样进行小电流同步加载实验，获取小电流同步加载实验下的应力应变和加工硬化率的影响；

步骤105：对金属材料试样进行等温热拉伸实验，获取等温热拉伸实验下的力学性能随温度的变化曲线；

步骤106：根据所述小电流同步加载实验下的应力应变和加工硬化率的变化和所述等温热拉伸实验下的应力应变和硬化指数随温度的变化曲线，得到非热效应的信息。

步骤101，具体包括：

对预变形金属材料试样加载一定的预应变量，再进行大电流异步加载实验，实验过程中大电流密度为30A/mm²～60A/mm²，加载次数为1～3次，单次持续10s，每次间隔30s，获取大电流异步加载实验下的加工硬化率变化和延伸率恢复情况。

所述方法还包括：

对预变形金属材料试样进行大电流异步加载实验和对预变形金属材料试样进行传统炉加热方式下的退火热处理实验后，将实验后的金属材料空冷至室温，对冷却至室温的金属材料进行单轴拉伸直至断裂。

对金属材料试样进行小电流同步加载实验和对金属材料试样进行等温热拉伸实验，直接单轴拉伸至断裂。

所述所有的单轴拉伸的应变速率为10^-3s^-1。

所述大电流异步加载实验和退火热处理实验的目标温度范围为500℃～850℃，所述小电流同步加载实验和等温热拉伸的目标温度范围为18℃～95℃。

步骤104，具体包括：

对金属材料试样进行小电流同步加载实验，实验过程中小电流密度为6A/mm²～10A/mm²，加载时间小于或等于单轴拉伸时间，获取小电流同步加载实验下的应力应变和加工硬化率的影响。所述小电流同步加载实验的电流加载阶段采用弹性阶段或塑性阶段。

本发明在单轴拉伸时通过异步和同步两种方式加载电流，经过拉伸获得应力应变曲线。通过对应力应变曲线进行求导，获得加工硬化率曲线Θ：

其中σ为真实应力；ε为真实应变。如图3所示，该曲线分为A、B、C三个阶段，A阶段为弹性阶段向塑性阶段的过渡阶段，位错由于溶质气团的钉扎或位错团的阻碍作用而处于稳定状态，尚未进行滑移。D点处，大量被钉扎的位错挣脱束缚开始滑移，逐渐进入B阶段，此阶段为脱钉的位错滑移及可动位错数量增加的阶段，达到E点时可移动位错数量接近饱和。C阶段为钛合金组织中位错滑移、增殖、交互阶段。因此从加工硬化率的角度，可以间接反映脉冲电流对位错的影响。在大电流异步加载时，TC4钛合金试样的B阶段消失，表明脉冲电流消除了预变形产生的位错；经过透射电镜TEM分析，脉冲处理后的试样相比初始试样，位错团几乎消失，位错线变长并趋于平行排列。可见在大电流异步加载下，脉冲电流对金属材料的作用对象主要是位错且作用十分显著。同时对比传统炉加热(热传导、热辐射)方式，脉冲处理的材料也显示出与常规退火处理的差异，说明两种加热方式并不等效。由于异步加载大电流时焦耳热效应，尤其是在缺陷处如位错处形成局部相对显著的焦耳热效应(大电流处理时，表观温度为500℃-850℃，处于TC4钛合金退火温度范围)，因此设置小电流同步加载做进一步研究。通过小电流同步加载，使试样温度范围维持在100℃以下，远低于退火温度；同时加载小电流时温升缓慢，适合与传统加热方式的热拉伸进行对比。通过设计在拉伸变形不同阶段加载小电流的对比，得到塑性阶段与弹性阶段加载时应力应变和加工硬化率存在显著的差异，即使在温度变化接近室温(如2％应变时加载小电流，温度由25.7℃升至30.3℃)时这种差异也显著存在，由此证明非热效应的存在。随后通过与热传导、热辐射加热方式的热拉伸对比，分析两种条件下应力应变曲线与硬化指数随温度的变化，得到脉冲电流与传统加热方式的差异在于前者在缺陷处产生“局部焦耳热效应”。综合异步和同步加载的结果，首先确定脉冲电流主要作用对象为位错，进一步弱化热效应的影响，证实非热效应的存在，通过加工硬化率、硬化指数的差异得出电致塑性非热效应主要体现在电流改变了位错间的相互作用状态，降低了位错运动的晶格阻力，促进了滑移。

本发明各实施例中采用的试样材料为TC4钛合金板材，厚度为1.5mm。板材成形工艺为冷轧后经820℃，30min退火(原始态)。图2为本发明所采用拉伸试样形状尺寸示意图。拉伸试样形状尺寸示意图如图2所示，标距为25mm，宽度为6mm。

实施例一

本实施例为大电流异步加载实验，具体实施过程包括以下步骤：

第一步，安装绝缘夹具，将TC4钛合金试样置于夹具中，调整设置好拉伸试验机的参数。

第二步，对TC4钛合金试样加载7％的预变形量，随后卸载至500-1000N，防止加载脉冲电流时由于热膨胀导致试样变形；图3为本发明TC4原始试样应力应变曲线及加工硬化率曲线。

第三步，打开热像仪并开始录像，按单次加载10s，每次间隔30s的方式加载脉冲电流，脉冲电流密度为44.4A/mm²，占空比为10％，频率为100Hz；

第四步，脉冲电流加载结束后，待试样空冷至室温时，进行组织形貌观察(图4)或者进行单轴拉伸实验以获得应力应变曲线及加工硬化率曲线(图5)；图4为本发明大电流异步加载时位错的演变图，其中图4(a)为7％预变形；图4(b)为加载一次；图4(c)为加载两次；图4(d)为加载三次。图5为本发明大电流异步加载后应力应变及加工硬化率曲线，其中图5(a)为应力应变曲线，图5(b)为加工硬化率曲线。

结合图4和图5可知，脉冲电流使加工硬化率曲线的B阶段消失，即脉冲电流处理时作用对象主要为位错，可将相互缠结的高密度位错消除。图6为本发明退火热处理后应力应变及加工硬化率曲线，其中图6(a)为应力应变曲线，图6(b)为加工硬化率曲线。将图5与对比实施例1的结果(图6)进行对比，可以看出脉冲电流处理与传统热传导或热辐射加热方式对材料变形的影响存在较大差异，进一步反映出局部焦耳热效应的影响以及非热效应存在的可能。但此实施例中，大电流带来的热效应也相对显著，因此需进一步排除。

实施例二

本实施例为小电流同步加载实验。由于小电流加载条件下温度较低，且变化缓慢，方便和热拉伸形成对比实验，故选择在小电流的情况下进行同步加载实验。具体实施过程包括以下步骤：

第一步，安装绝缘夹具，将TC4钛合金试样置于夹具中，调整设置好拉伸试验机的参数；

第二步，安装电极夹，调整脉冲电流参数为：电流密度为6.7A/mm²和8.9A/mm²，占空比为10％，频率为100Hz；

第三步，打开热像仪并开始录像，按预定的加载顺序及加载时刻(如图7所示)，进行力加载和脉冲电流加载，最终拉伸至TC4钛合金试样断裂。图7为本发明小电流同步加载示意图。

图8为本发明小电流在弹性阶段和塑性阶段同步加载时应力应变和加工硬化率曲线，其中图8(a)为应力应变曲线，图8(b)为加工硬化率曲线。由图8可知，同步加载条件下，在应变达到2％的塑性阶段加载与在弹性阶段加载呈现明显的差异，即拐点的出现，而此时温度仅从25.7℃上升至30.3℃，接近室温且如此小的温度变化条件下，热效应可忽略，但应力应变曲线和加工硬化曲线发生显著变化，证明了非热效应的存在。图9为本发明小电流在不同塑性阶段同步加载下应力应变和加工硬化率曲线，其中图9(a)为应力应变曲线，图9(b)为加工硬化率曲线。从图9中可以看出在应变为2％-4％的塑性阶段加载时曲线均出现明显的骤降，且随着应变的增加骤降越显著。进一步说明即使小电流、较低温度下，脉冲电流也对位错产生了作用，进而反映在加工硬化率的显著差异。图10为本发明小电流同步加载与等温热拉伸应力应变曲线及硬化指数随温度的变化，其中图10(a)为等温热拉伸应力应变曲线，图10(b)和图10(c)为小电流同步加载曲线，10(d)为硬化指数随温度的变化曲线。针对对比实施例2硬化指数的差异(如图10所示)，反映出脉冲电流可以减小位错阻力，促进其运动，进而导致较低的硬化指数；同时也说明非热效应受温度影响较大，随着温度升高，硬化指数快速增加，该效应可能被覆盖，该结果也说明了在大电流，较高温度条件下分离热效应是比较困难的，如图11所示。图11为本发明热效应和非热效应随电流密度的变化。

对比实施例1

对比实施例1为退火热处理对比实验，具体实施步骤如下：

第一步，根据实施例1所测异步加载大电流时试样最高温度，将热处理炉升温至相同温度；

第二步，将7％预变形的TC4钛合金试样置于热处理炉内中间位置，处理时间为达到目标温度所用的最小时间；

第三步，将试样从热处理炉中取出，空冷至室温后，进行单轴拉伸实验直至断裂以获得应力应变曲线及加工硬化率曲线，结果如图6所示。

对比实施例2

对比实施例2为同步加载热拉伸对比实验，具体实施步骤如下：

第一步，在拉伸的弹性阶段不同时刻开始(如图10下半部分箭头所示)加载电流密度为6.7A/mm²和8.9A/mm²的小电流直至断裂，电流加载时刻越早，屈服点温度增加，但整个实验过程温度维持在18～95℃之间；

第二步，将TC4钛合金试样置于热处理炉，根据第一步同步加载小电流试样屈服时的温度，将等温热拉伸的热处理炉升温至相应的温度：18℃、40℃、65℃、95℃，进行等温热拉伸直至断裂；

第三步，对第一步和第二步所得应力应变曲线和硬化指数进行对比，结果如图10所示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。