Ti-6Al-4V合金的电磁塑性：脉冲电流加载方式对近等温条件下力学性能和微观结构演化的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Electroplasticity in Ti-6Al-4V alloy: Effects of pulsed current loading modes on mechanical properties and microstructural evolution under near-isothermal conditions

　　刘白松|李平|刘少峰|李应生|钟林|薛凯敏|于仁海
中国安徽省合肥市工业大学材料科学与工程学院

**摘要**
为了阐明电塑性效应，本研究设计了在脉冲电流辅助下的近等温拉伸实验。通过系统地研究电流加载模式对Ti-6Al-4V合金在680°C（150 A/500 Hz和6000 A/8 Hz）和860°C（180 A/500 Hz和6000 A/10 Hz）条件下的机械性能和微观结构演变的影响，有效地分离了电热效应。此外，构建了{10-11}和{10-12}孪晶模型，并进行了第一性原理计算，以原子尺度探讨纯电场对孪晶界面能的影响。特别关注了α相的动态再结晶机制、{a+c}棱柱滑移系的激活以及不同参数下脉冲电流作用下孪晶行为的差异。此外，还系统地表征了微观结构中的位错类型。结果表明，在860°C下施加高频脉冲电流可以将伸长率提高至80%。尽管在不同电流参数下相同温度下的伸长率相当，但在流应力及其相关的硬化-软化路径演变中观察到了显著差异。680°C下的微观结构观察进一步表明，高频脉冲电流施加了持续的电子风应力，促进了多个滑移系的同步激活和位错的晶内重排，从而促进了动态恢复和连续动态再结晶。相比之下，间歇性施加低频电流会在变形过程中促进位错的晶界积累，导致大量不连续的动态再结晶晶粒的形成。拉伸曲线中的应力波动反映了材料应力响应对电流参数瞬变特性的高度敏感性。此外，{10-11}压缩孪晶的形成有助于协调塑性变形并提高伸长率。第一性原理计算一致表明，电场的施加使压缩孪晶界面能降低了66.9%。

**引言**
随着工业上对轻质结构部件需求的增加，钛及其合金受到了广泛关注。其中，Ti-6Al-4V由于其优异的比强度和耐腐蚀性，在航空航天和生物医学领域得到了广泛应用。然而，在室温下，Ti-6Al-4V基面位错的临界分辨剪切应力（CRSS）相对较低，而非基面滑移系的激活受到强烈抑制，这严重限制了其成型性[[1], [2], [3], [4]]。因此，提高非基面位错的活性——特别是促进{a+c}位错的作用，被认为是改善钛合金延展性和成型性的关键策略[5]。此外，变形孪晶的形核和传播在控制材料机械响应中起着重要作用。通常认为，当位错在变形过程中与孪晶界面相互作用时，可能发生以下几种情况：(i) 位错被孪晶界面吸收；(ii) 位错穿过孪晶界面后，在与母晶中原始滑移面晶体学等效的滑移面上滑动；(iii) 位错传递受到孪晶界面的阻碍，导致孪晶界面处位错显著积累[6]。因此，阐明变形过程中孪晶与位错滑移之间的相互作用对于提高晶体塑性具有重要意义。提高变形温度已被证明能有效促进六方密排（HCP）晶体中滑移系的激活，降低孪晶界面能，并增强界面迁移动力学。先前的研究表明，在Ti-6Al-4V合金中，基面和棱柱滑移系在77 K和225 K时主要负责塑性变形，而{a+c}棱柱滑移系大约在550 K时变得非常活跃。类似地，在Mg–Al合金中，{a}棱柱位错的CRSS从室温下的约44 MPa降低到127°C时的约25 MPa[7]，而在纯镁中，{a+c}棱柱位错的CRSS从室温下的约40 MPa降低到300°C时的约24 MPa[8]。显然，提高变形温度显著改善了HCP金属和合金的成型性。

传统的加热主要通过热传导实现，其中能源（如燃烧产生的化学能或电阻加热）首先转化为热能，然后通过介质传递到工件表面。然而，这些过程存在一些固有的缺点，包括严重的环境污染、复杂的加热设备以及漫长的加热周期。相比之下，使用脉冲电流的电辅助成形作为一种有效方法，可以避免这些限制。电流对材料行为的影响不仅限于简单的热效应，还涉及电塑性效应。电塑性的一个提出机制与局部焦耳加热有关。在微观结构尺度上，缺陷密度高的晶界表现出较高的电阻率，这不可避免地在电流辅助变形过程中导致微观结构的变化[[9], [10], [11]]。近年来，大量研究集中在电辅助成形对位错配置、动态再结晶行为和位错滑移特性的影响[[12], [13], [14]]。杨等人[15]在接近室温的条件下对强织构化的AZ31镁合金施加了连续电流或宽带脉冲电流，并报告称低频脉冲电流使均匀伸长率提高了63%。这种增强归因于局部温度升高，降低了{a+c}位错的临界分辨剪切应力，从而促进了{a+c}棱柱滑移系的广泛激活，主导了塑性变形过程。薛等人[16]发现，经过电辅助退火后，Al–Cu–Li合金的非热效应降低了激活能，并显著提高了静态再结晶的形核率，使得粗大沉淀物在5秒内完成再结晶，从而细化了晶粒结构并提高了强度和延展性。然而，一些研究报道，在脉冲电流辅助变形过程中的伸长行为并不一致，变形过程中产生的焦耳加热成为阐明内在电塑性效应的主要障碍。邢等人[17]观察到，在高密度脉冲电流下的Ti/Al复合材料中，流应力和延展性均有所下降。延展性的降低归因于高温条件下的局部熔化造成的过早失效。

为了将焦耳加热效应与脉冲电流辅助变形过程中的电塑性效应分开，一种常见的方法是使用传统方法将材料加热到与脉冲电流变形相同的温度，然后比较机械性能和微观结构演变。马等人[18]在相同温度下比较了镍基超合金的传统固溶处理和电辅助固溶处理，发现在1100°C时，5分钟的脉冲电流处理使初级γ′沉淀物的溶解分数达到88.9%，而传统处理4小时后仅达到62.5%。电流的应用显著增强了沉淀强化作用，同时保持了晶界强化。刘等人[19]在200–600°C的温度范围内对固溶处理的Inconel 718进行了热机械拉伸测试和电辅助拉伸测试，结果表明脉冲电流比纯热场产生了更显著的应力降低，并促进了拉伸变形过程中的空洞愈合。然而，传统加热和脉冲电流引起的焦耳加热本质上是不同的。传统加热主要由热传导主导，对微观缺陷不表现出明显的敏感性。相比之下，脉冲电流优先与空位和位错等缺陷相互作用，引起局部原子振动和热量产生，表明这两种过程的温度加载路径不同。此外，在脉冲电流辅助变形过程中，材料的表面温度随着截面积的局部变化而动态演变，这是纯热加载下不存在的现象。为了解决这些问题，本工作中重新设计了脉冲电流拉伸实验条件。

从微观变形机制的角度来看，Ti-6Al-4V合金在外加载作用下主要通过{a}滑移发生变形。当单独的位错滑移不足以满足所需的应变协调性时，会激活{10-12}拉伸孪晶和{10-11}压缩孪晶等孪晶模式来快速重新定向晶格并缓解局部应变集中。孪晶不仅是一种重要的塑性变形机制，它引入的高角度界面还显著改变了随后的位错运动路径和应变传递模式，从而对材料的整体变形行为产生深远影响[20,21]。张等人[22]研究了应变率下Ti-6Al-4V中滑移与孪晶的相互作用，发现在低应变率下滑移占主导地位。随着应变率的增加，棱柱滑移逐渐被抑制，而变形孪晶的激活变得活跃。孪晶的激活增加了独立滑移系统的数量，从而增强了材料的塑性变形能力。随着计算材料科学的进步，人们对孪晶界面的原子尺度分析给予了越来越多的关注。慧等人[23]使用第一性原理计算系统地研究了14种溶质原子对钛合金中{10-12}拉伸孪晶和{10-11}压缩孪晶的界面能、稳定性和强度的影响。他们的结果表明，压缩孪晶比拉伸孪晶更容易形成，且不同原子半径的溶质原子的加入显著改变了孪晶界面能。

基于上述分析，脉冲电流辅助变形过程中的电塑性基本机制仍有待进一步澄清，而且关于高温电辅助拉伸载荷下材料机械响应的报道结果仍不一致。从计算材料科学的角度来看，关于纯电场下特定晶界能量的差异的研究仍然较少。因此，在本研究中，通过使用不同的脉冲电流加载模式将Ti-6Al-4V合金变形到相同的温度，从而系统地研究了电参数对动态再结晶行为、孪晶类型和近等温条件下的机械性能的影响。此外，构建了微观结构中观察到的{10-12}拉伸孪晶和{10-11}压缩孪晶的晶体学模型，并进行了第一性原理计算，以评估纯电场对六方晶体中孪晶界面能的影响。进一步确定了电辅助成形的最佳脉冲电流加载模式，并阐明了焦耳加热和电塑性效应在材料成形过程中的各自作用。本研究旨在为Ti-6Al-4V合金的电辅助板成形提供理论基础。

**材料与实验设计**
本研究使用的材料是由Western Titanium Co., Ltd.提供的轧制Ti-6Al-4V板材，其化学成分列于表1中。板材厚度为1毫米。沿板材的轧制方向加工了狗骨形拉伸试样，详细几何形状如图1b所示。图1c–c2展示了接收态板材的室温机械性能和初始微观结构。如图1c所示，在0.01 s?1的应变率下，最终...

**结论**
本研究在近等温条件下对Ti-6Al-4V合金进行了电辅助脉冲电流拉伸实验。通过改变脉冲电流加载模式，系统地研究了相应的机械性能和微观结构演变的变化。详细分析了HE和LE条件下的动态再结晶、孪晶行为和位错机制的差异。特别关注了...

**作者贡献声明**
刘白松：撰写——原始草稿，研究，数据整理。李平：监督，资源获取，概念化。刘少锋：方法学研究、数据采集。李应生：数据验证与整理。林中：数据采集与整理。薛凯敏：撰写、审稿与编辑、项目管理工作、方法学研究。于仁海：撰写、审稿与编辑、数据采集与整理。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（u23b20100）以及国家自然科学基金（项目编号52475342、52375329、51975175）的资助。