摘要：针对7075-T651铝合金室温成形性能有限，流变应力较大的问题，本研究通过实验分析了脉冲电流对7075-T651铝合金力学性能的影响，对比了不同参数脉冲电流作用下7075-T651铝合金拉伸时的温度、应力应变特征和金相组织。通过文章研究可知，影响脉冲电流作用效果的参数主要为有效电流密度、脉冲电流对7075-T651铝合金的作用主要为热效应。在脉冲电流作用下，7075-T651铝合金温度升高引发强化相的粗化和间距增加，位错更容易绕过强化相而运动，同时位错与粗化的析出相相互作用，形成应力集中并引发微裂纹，7075-T651铝合金的流变应力和断后伸长率均显著降低。

　　关键词：铝合金；脉冲电流；有效电流密度；流变应力；断后伸长率

　　由于航空航天、交通运输工业的迅猛发展和节能减排的需求，轻量化设计已成为行业共识。铝合金由于其高比强度、高比刚度得到了广泛的工业运用[1]。7075-T651铝合金具有较高强度和疲劳强度，被广泛应用于航空航天、军事工业以及其他需要高强度和轻量化的领域[2]。然而7075-T651铝合金室温成形性能有限，流变应力较大[3]。研究改善7075-T651铝合金的加工力学性能对其进一步运用具有重要意义。

　　电脉冲处理（EPT）技术是一种通过施加脉冲电流来实现金属材料力学性能变化的技术手段[4]。脉冲电流作用于金属材料，可显著影响材料的微观结构、减小硬度、降低加工硬化系数[5]。电脉冲辅助金属加工主要利用电致塑性效应，该效应包含热效应与非热效应。其中，热效应主要由电流产生的电阻热使材料温度升高，导致材料发生软化，从而降低材料的流变应力[6]。非热效应的机理相对复杂，目前学界的主流观念认为非热效应主要有电子风理论。该理论认为脉冲电流作用于金属位错，对位错施加一定的作用力，该作用使位错更容易发生移动，从而降低材料的硬度和流变应力[7]。脉冲电流的电致塑性效应最早由TROITSKII等人于1963年研究发现，一经提出便引起学界的重视[8]。由于脉冲电流的热效应和非热效应相互耦合，能够促进位错运动，加剧金属的相变和动态再结晶[9]，使得金属材料的流变应力显著降低，塑性显著提升[10]。脉冲电流的这种作用效果使其被广泛应用于辅助金属材料的塑性加工和切削加工。目前针对脉冲电流作用下金属性能研究主要集中在钢、钛合金、等高电阻材料[11]，针对铝合金的研究相对较少。本研究通过拉伸试验，对7075-T651铝合金在脉冲电流作用下的力学性能变化进行试验研究，获取脉冲电流作用下7075-T651铝合金的力学性能变化规律，为脉冲电流辅助7075-T651铝合金加工提供基本依据。

　　1试验过程

　　为研究脉冲电流对7075-T651铝合金拉伸力学性能的影响，本研究选用1mm厚7075-T651铝合金薄板进行脉冲电流辅助拉伸试验，拉伸试件宽度为12.5mm，标距为50mm。电辅助拉伸所用电源为THDM-1型高能电脉冲电源系统和脉冲参数测试系统，如图1（a）所示。拉伸试验基于万能试验机进行，夹头通过绝缘转接头安装在拉伸机上，保证了电拉伸过程中夹头与拉伸试验机之间的绝缘，如图1（b）所示。

　　脉冲电流对铝合金材料力学性能的影响主要包括热效应和非热效应，为研究两种效应分别对铝合金拉伸力学性能的影响，本研究首先对无电流作用时的7075-T651铝合金拉伸力学性能进行试验研究。随后展开电流辅助拉伸试验，采用不同电压、电流、占空比、电流密度的脉冲电流分别作用于拉伸试样。为评估拉伸过程中脉冲电流的热效应的影响，在拉伸试验过程中使用红外热像仪实时测量脉冲电流辅助拉伸过程中试件的温度。

　　2结果和讨论

　　不同电参数下电辅助拉伸试件的温度曲线，如图2（a）所示。当脉冲电流频率均为120Hz时，30V的脉冲电流产生的热量最少，试件温度最高仅为29℃,随着电压的增加，试件温度随电压增加而增加。当电压增加至90V时，最高温度增加至136℃。当电压相同时，电流热效应又受电流频率影响。当电压均为70V时，120Hz的脉冲电流作用下试件最高温度为85℃,当频率增加至240Hz时，最高温度提升至134℃。另外，90V/120Hz的脉冲电流作用下的试件温度曲线，与70V/240Hz的脉冲电流作用下的温度曲线基本重合，两组脉冲电流参数的电流密度分别为13.89A/mm2和13.95A/mm2，基本相当。可见，脉冲电流的热效应主要是由电流密度决定的，随着电流密度的增加，脉冲电流热效应显著提升。对于各种电参数的脉冲电流，在脉冲电流作用的前50s内，温度在随时间迅速升高。50s后，当电参数为30V/120Hz、50V/120Hz和70V/240Hz时，温度上升趋势明显放缓，表明此时电流产生的电阻热与材料的热对流、热交换作用相对平衡。当电参数为70V/180Hz、90V/120Hz和70V/240Hz时，温度在150s后再次出现上升趋势，这主要是由于试件在断裂处出现一定的缩颈，如图2（c）所示，造成局部电流密度的增加，温度曲线在拉伸后期再次呈现出上升趋势。

　　不同参数脉冲电流作用下的7075-T651铝合金拉伸真实应力-应变曲线，如图2（b）所示。随着电参数的增加，流变应力显著降低。当电参数低于50V/120Hz，即电流密度小于6.77A/mm3时，试件在不同电参数条件下的真实应力应变曲线与无电流作用时的曲线基本重合，表明材料无显著的软化。当电参数为70V/180Hz，即电流密度为10.59A/mm3时，真实应力-应变曲线发生明显变化，材料的屈服极限较之无电流辅助拉伸显著降低，进入强化阶段后，可看到应力-应变曲线与无电流作用时明显分开，强化阶段的流变应力显著降低。当电参数为90V/120Hz（13.89A/mm3）和70V/240Hz（13.95A/mm3）时，材料应力应变曲线基本重合，表明7075铝合金软化由电流密度决定。

　　通过不同电参数下的拉伸断裂试件特征，由图2（c）可以看出，无电流作用时，拉伸试件断口处未发生明显缩颈，通过对比断裂前后的试件长度变化可以发现，7075-T651铝合金断后伸长率为15.68%。当电参数低于50V/120Hz，即电流密度小于6.77A/mm3时，试件断裂位置未出现显著的缩颈现象，且断后伸长率未发生明显变化。当电参数为70V/180Hz，即电流密度为10.59A/mm3时，而断后伸长率略有降低。当电参数为90V/120Hz和70V/240Hz时，试件断裂位置出现轻微缩颈，而断后伸长率明显降低至14.38%。

　　通过与温度曲线的对比可发现，当电参数为90V/120Hz和70V/240Hz时，两组电流的电流密度基本相同，此时时间在拉伸过程中的温度变化曲线基本重合，同时两组电流参数对应的真实应力-应变曲线也基本重合，且试件缩颈和断后伸长率也基本一致，表明脉冲电流对7075-T651铝合金的塑性提升主要是依靠电流的热效应，非热效应对塑性的改变作用不明显。

　　通过金相可发现，常温拉伸时，7075-T651铝合金晶粒发生破碎且变得细长，如图3（b）所示。90V/120Hz脉冲电流辅助拉伸时，晶粒形状尺寸无显著变化，但析出相显著增大，如图3（c）所示，表明脉冲电流对析出相的影响较为显著。在脉冲电流作用下，试件温度虽有提升，但由于铝合金电阻较低、温升有限，当脉冲电流密度达到最高的13.95A/mm2时，最高温度仅为134℃,此温度不足以引起动态再结晶，但该温度位于7075-T651铝合金的“时效脆化窗口”，易引发η相的粗化和间距增加，位错更容易绕过强化相而运动，降低析出相的强化效果，最终拉伸流变应力降低。另一方面，η相的粗化导致在动态拉伸过程中，位错与粗化的析出相相互作用，形成应力集中并引发微裂纹，缩短均匀变形阶段，造成断后伸长率的降低。

　　3总结

　　本研究通过脉冲电流作用下的拉伸试验，研究了脉冲电流对7075-T651铝合金拉伸力学性能的影响，获取了脉冲电流对7075-T651铝合金力学性能的作用规律，结论如下：

　　（1）脉冲电流7075-T651铝合金的电致塑性效应主要包括热效应和非热效应，其中热效应起主导作用，非热效应对材料塑性的提升作用不显著。

　　（2）脉冲电流能够显著提升试件拉伸时的温度，根据不同参数的温度曲线对比可以发现脉冲电流的热效应主要由电流密度决定。

　　（3）在脉冲电流作用下，7075-T651铝合金温度升高引发强化相的粗化和间距增加，位错更容易绕过强化相而运动，降低析出相的强化效果，引发流变应力的降低。同时位错与粗化的析出相相互作用，形成应力集中并引发微裂纹，缩短均匀变形阶段，降低7075-T651铝合金的断后伸长率。

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