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摘要：本文研究了未經預處理LY12CZ鋁合金在強電場中超塑性變形時應變速率敏感性指數、板料厚向異性指數、激活能、極限延伸率的變化和超塑性單向拉伸時的流變應力特征。同時，研究了未經預處理LY12CZ鋁合金在強電場中超塑性變形后材料的彈性模型、屈服強度、強度極限和斷裂時的斷面縮減率的彎化。并將超塑性拉伸研究結果應用于未經預處理LY12CZ鋁合金在強電場中的超塑性自由脹形，制作出了自由脹形零件，測量了相對極限脹形高度和零件相對厚度分布的變化。
關鍵詞：鋁合金 電場超塑性 機械性能 自由脹形
1 引言
電是一種重要的環境，對物質的行為有著深刻的作用，一直被人們探索著。
應用電進行金屬加工技術的研究，始于原蘇聯和美國。在強電場中進行金屬或合金的超塑性變形的研究是一項新穎的課題，正在受到廣泛地重視[1]。Conrad等[2]在733k和1.1×10-3s-1的變形條件下，對7475鋁合金外加2.0kV/cm的強電場進行超塑性拉伸研究。結果表明，強電場對7475鋁合金的超塑性變形有顯著的作用。例如，降低材料的流變應力和應變硬化速率；提高應變速率敏感性指數。同時，他也指出強電場對合金超塑性變形時的極限延伸率沒有明顯的改善作用，有時可能會降低[3]。李淼泉等[4]對未經預處理LY12CZ鋁合金在763k和1.67×10-4s-1的變形條件下施加2.0kV/cm的強電場進行超塑性拉伸研究，不僅獲得了與Conrad等類似的結果。同時發現，在一定條件下強電場可使未經預處理LY12CZ鋁合金在超塑性拉伸時的極限延伸率提高0.14倍以上。
眾所周知，超塑性材料一般為空洞敏感型材料。空洞的形核、長大和聚合過程對變形后零件的使用性能的劣化作用會影響到金屬超塑性技術的有效利用，因而，關于空洞對超塑性變形后零件的使用性能的有害影響的研究已成為目前超塑性變形研究領域內的主要熱點。同時，對于強電場中進行超塑性變形的研究主要集中在單向拉伸方面，工程實際應用的研究在國內外尚水見公開報道。
本文將研究未經預處理LY12CZ鋁合金在強電場中的超塑性性能，在研究在不同變形條件下未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形后的室溫機械性能變化；并將強電場應用于未經預處理LY12CZ鋁合金的超塑性自由脹形研究中，制作自由脹形零件。
2 實驗條件
2.1實驗材料
以未經預處理LY12CZ鋁合金板料為實驗材料，板料厚度為2.0mm，硬度（HB）為131，平均晶粒尺寸（）為21.0μm，其供應狀態CZ為冷軋后進行淬火加自然時效。室溫組織為α-鋁基體上分布著起強化作用的θ（CuAl2）相和S（Al2CuMg）相。
2.2實驗儀器及設備
拉伸實驗在ZD10/90型高溫電子拉伸機上完成。其最大載荷為100kN，具自動控溫系統和無級調速系統。載荷一時間曲線由1kN的拉力傳感器、應變儀及X-Y函數記錄儀組成的測試系統記錄。實驗裝置為專用的強電場超塑性拉伸裝置。
室溫機械性能的測量在Instron 1195萬能材料試驗機上完成。
超塑性自由脹形實驗在100噸塑料壓機上完成。實驗裝置為專用的強電場超塑性成形裝置。
強電場由商用電源（最大可達100kV）提供。
2.3實驗方案
2.3.1超塑性拉伸
試樣的標距尺寸為25×6mm。
通過拉伸實驗，研究不同變形條件下應變速率敏感性指數m值、變形時的激活能Q值、極限延伸率δL和流變應力等的變化特征。
應變速率敏感性指數的測量采用Backofen的速度突變法，激活能的測定按文獻[5]介紹的方法，極限延伸率為5個相近實驗結果的平均值。
2.3.2室溫機械性能
將經過一定超塑性拉伸變形的試樣在最小截面處的兩面分別貼上電阻應變片，以平均應變作為輸出應變，并記錄下載荷一應變曲線，從而確定超塑性變形后試樣室溫拉伸時的機械性能，包括彈性模量E0值、屈服強度σ0.2值和強度極限σb值和斷裂時的斷面縮減率φ值。
2.3.3超塑性自由脹形
超塑性自由脹形的坯料直徑為120mm，脹形模半徑（R0）為43mm。
研究了不同條件下未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性自由脹形時的相對極限脹形高度H和脹形件的相對厚度S/S0的變化。
根據文獻[6]和本文的超塑性單向拉伸研究結果可獲得脹形極點處保持恒定應變速率的加壓規律。實際加壓規律采用逼近的臺階加壓方式實現。自由脹形件極點處的變形程度按文獻[7]所給解析式計算。
3 實驗結果及分析
3.1對超塑性性能的影響
圖1示出了應變速率敏感性指數m值的測量結果。由圖可見，合適的電場強度使得未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時的應變速率敏感性指數m值有明顯地增大，并且增大的上限值為0.30倍。m值是材料超塑性變形時的一個重要的特征量。一般說來，當T（變形溫度）＞0.5Tm（Tm為材料熔點的絕對溫度）時，m值的增大，材料的成形極限將提高[6]。由此可知，強電場改善材料的超塑性性能是完全可能的。
圖2 示出了板料厚向異性指數F值的測量結果。合適的強電場被引入到未經預處理LY12CZ鋁合金的超塑性變形后，板料厚向異性指數F值增大。板料的厚向異性指數反映了材料在變形時抵抗變薄的一種能力。強電場作為一個特定的環境被引入到材料的超塑性變形過程之后，改變了材料的一些性質，因而改善了材料抵抗變薄的能力[8]。由此可知，合適的電場強度將改善材料超塑性成形時的制作質量。
圖3示出了激活能Q值的測量結果。由圖可見，強電場使得未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時的激活能顯著降低。當電場強度為2.0kV/cm時比無強電場時的激活能降低了0.20倍。激活能的降低使得變形時的應變硬化效應減弱，為降低流變應力奠定了基礎。
據報道[4]鋁及鋁合金的晶界擴散激活能為72kJ/mol，體積擴散激活能為143.8kJ/mol。本文測得未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形（E=0）時的激活能為69.3kJ/mol與晶界擴散激活能相近。因此，未經預處理LY12CZ鋁合金在超塑性變形時主要是晶界行為起作用。
3.2 對極限延伸率的影響
圖4示出了極限延伸率δL的測量結果。由圖可見，強電場對未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性拉伸時的極限延伸率有重要的影響。合適的電場強度將顯著地提高未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時的極限延伸率，這是由于強電場改善材料的超塑性性能的結果。當電場強度為2.0kV/cm時，未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時的極限延伸率比無強電場時提高了0.30倍。
3.3 對流變應力的影響
圖5示出了流變應力σ隨等效應變的變化特征。由圖可見，強電場的引入使得未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時的準穩態流動階段延長。這也是合適的電場強度將改善材料的超塑性性能的一個明顯標志。同時還可發現，在強電場的作用之下，未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時的流變應力明顯降低。
3.4 對變形后室溫機械性能的影響
圖6 示出了未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形后的室溫彈性模量E0、屈服強度σ0.2、強度極限σb和斷裂時的斷面縮減率φ的測量結果。由圖可見，強電場使得未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形后的室溫性能下降的速度減小，也就是說，合適的電場強度使得超塑性變形后材料的室溫性能比無強電場時有提高。當電場強度為2.0kV/cm時，未經預處理LY12CZ鋁合金經等效應變為1.29的超塑性拉伸后材料的彈性模量、屈服強度、強度極限和斷裂時的斷面縮減率比無強電場時分別提高了0.31倍、0.75倍、0.68倍和0.33倍。這種結果與強電場對未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時的晶粒尺寸、第二相粒子的數量和形態、位錯組態、微區成分濃度、空洞形態、空洞分布和空洞體積分數的作用有密切的聯系[8]。
3.5在超塑性自由脹形中的應用
圖7示出了未經預處理LY12CZ鋁合金在強電場中超塑性自由脹形時的相對極限脹形高度H（=h/R0為脹形件的高度，R0為脹形模的半徑）和此時極點處的等效應變的測量和計算結果。由圖可見，合適的電場強度使得未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性脹形時的相對極限脹形高度明顯增加。當電場強度為2.0kV/cm時，相對極限脹形高度和極點處的等效應變比無強電場時分別提高了0.15倍和0.26倍。由此說明，在非單向拉應力狀態（超塑性自由脹形時極點處的應力狀態為雙向等拉應力狀態[7]）下，強電場也會改善材料的超塑性性能。
圖8示出了未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性自由脹形時的相對厚度S/S0的分布情況。由圖可見，強電場的引入使得未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性成形時變薄的趨勢減弱，脹形件的相對厚度沿半徑方向的分布趨于均勻化。當相對脹形高度（H）為0.50和電場強度為2.0kV/cm時，在脹形件的極點處的相對厚度比無強電場時提高了0.11倍。這種結果與強電場對板料厚向異性指數和超塑性自由脹形時的應力場、應變場的影響有關。
4 結論
1）未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時主要是晶界行為起作用。
2）在單向和非單向拉應力狀態下，合適的電場強度均會改善未經預處理LY12CZ鋁合金的超塑性性能。
3）合適的電場強度使未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性拉伸時的成形極限提高了0.30倍，超塑性自由脹形時的成形極限提高了0.26倍。
4）合適的電場強度使未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時的激活能降低了0.20倍。
5）合適的電場強度使未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時的準穩態流動階段延長。
6）合適的電場強度使未經預處理LY12CZ鋁合金超塑性變形后材料的室溫機械性能有明顯提高。
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