脉冲电流诱导铝镁合金缺口试样中波特文 - 勒谢捷利亚效应的引发与抑制。实验与建模

《Mechanics of Materials》：The electric current pulse - induced initiation and suppression of the Portevin - Le Chatelier effect in notched specimens of an AlMg alloy. Experiments and modeling

　　

摘 要

非铁磁性金属合金在塑性变形过程中受到脉冲电物理作用时表现出的不稳定力学行为具有重要的科学和实际应用意义。对于具有间歇变形特征（即波尔文-勒夏特利耶效应，简称PLC效应）的特种铝合金，这一问题尚未得到充分研究。本文研究了电塑性与PLC效应之间的相互作用。我们报道了对AlMg6合金带缺口试样的电流脉冲相互作用进行实验、分析和数值研究的结果，该合金表现出显著的PLC效应。我们通过实验发现，单一的矩形电流脉冲可以引发并抑制间歇变形。研究发现，在特定条件下，电流脉冲会根据施加的应力引发吕德斯带的形成或一系列PLC带的产生。对电流脉冲诱发的变形带进行高速研究后表明，其源头位于缺口顶部附近区域。为了解释电流诱发间歇变形的引发与抑制现象，我们提出了基于电流脉冲与第二相粒子相互作用分析的方法。结果表明，在通电后，合金中同时发生两个竞争过程：沉淀相附近的应力热弹性的增加与温度的升高同步进行，与此同时，电流脉冲引发的沉淀相溶解开始发生。结果，当达到临界过应力时，位错突破发生，这是间歇变形的触发因素。随后，电流对沉淀相的溶解抑制了PLC效应。本文讨论了缺口的作用以及传统电塑性因素对所观察现象的贡献。

引言

近几十年来，铝板产量不断增加，主要为了满足交通运输行业的需求。铝合金具有较高的比强度，即机械强度与质量密度之比，这是提高车辆燃油效率的关键因素。此外，铝基合金的高耐腐蚀性和电导率对化学工程和电缆工业至关重要。然而，某些特种铝合金在宏观尺度上表现出自发的塑性变形自局部化现象，即吕德斯带（LBs）和波尔文-勒夏特利耶带（PLC bands）（Kubin et al., 2001; Estrin and Kubin, 1995; Chihab et al., 1987; Zhang et al., 2021; Lebyodkin et al., 2020; Shibkov et al., 2011）。这些带会导致表面起皱并降低合金的延展性（Yilmaz, 2011）。由于铝合金在轻量化结构中的重要性，人们尝试抑制PLC效应或将其转移到非关键区域（Xu et al., 2018）。除铝合金外，PLC效应还常见于中碳钢、锆、钛合金、某些高熵合金等（Yilmaz, 2011; Lebyodkin et al., 2023）。

近期，脉冲电流被用于提高铝合金的表面质量和塑性（Stolyarov and Misochenko, 2023）。人们认为，电流加工方法因其高能源效率和低能耗而优于传统方法。尽管缺乏电塑性效应（EPE）的完整理论，但这并未阻碍其在冷轧、拉拔、冲压、深冲、等通道角挤压等工艺中对多种有色金属和钢铁的应用（Spitsin and Troitskii, 1985; Guan et al., 2010; Ruszkiewicz et al., 2017; Stolyarov et al., 2022; Xu et al., 2022; Dobras et al., 2023a）。同时，表现出吕德斯现象和PLC现象的合金的电塑性仍是科学和实践中尚未充分研究的问题。

在这方面，研究缺口试样具有重要意义，因为缺口作为机械场和电场的集中器，似乎增加了电塑性效应对PLC效应产生显著影响的可能性。研究缺口试样的实际意义在我们的先前工作中进行了详细分析（Gasanov et al., 2025），其中研究了无电流条件下AlMg6合金缺口试样中吕德斯带和PLC带的动力学行为。结果表明，缺口顶部是变形带的源头，其形态继承了变形带产生前的冯·米塞斯应力场的分布。这一发现与其他合金和钢的实验研究结果在定性上是一致的（Ren et al. 2020; Vasilev et al., 2023, 等）。本工作的目的是研究脉冲电流加工对AlMg6合金缺口试样中吕德斯带和PLC带的引发和传播的影响，以考虑电塑性因素和物理场集中对合金力学不稳定的影响。

本文结构如下。第2节简要概述了该领域的研究。第3节描述了研究方法和高速视频记录技术，用于原位研究缺口AlMg6合金试样中电流脉冲诱发的变形带动力学。第4节展示了实验、分析和数值研究的结果，并从电塑性机制的角度进行了讨论。还展示了脉冲电流与电阻第二相粒子相互作用的计算机模型。本节最后部分提出了矩形电流脉冲引发和抑制间歇变形的现象学模型。结论和主要结论见第5节。

章节摘要

研究背景

吕德斯现象、波尔文-勒夏特利耶效应和电塑性效应是可变形固体力学和材料科学中众所周知的宏观效应。这些现象在实践和科学层面引起了广泛关注（Khon, 2025）。吕德斯带和PLC带对用于车辆制造的特种铝合金的表面质量和延展性产生不利影响。电塑性效应在金属加工技术中得到了有效应用，用于改善表面质量

材料与方法

所研究的材料是商用铝-镁AlMg6合金（Al - 6.15 wt.% Mg - 0.65 wt.% Mn - 0.25 wt.% Si - 0.21 wt.% Fe）。该合金表现出临界应变的反常行为（Shibkov et al., 2014）。为解释这一行为，如前所述，开发了一种沉淀相BE模型，本文将使用该模型来分析所获得的实验结果。用于力学测试的扁平试样尺寸为6 30.5 mm，

沿轧制方向从冷轧板材中切割

实验结果

下文所示结果表明，在特定条件下，矩形电流脉冲（RCP）可以引发吕德斯带或一系列PLC带，导致拉伸应力-应变曲线上的应力下降和应变阶跃。电流诱发的塑性变形宏观局部化参数由RCP持续时间 与以下特征时间之间的关系决定： 是第一个诱发应力下降的等待时间，相应地，

总结与结论

本文研究了电塑性效应与PLC效应之间的相互作用。所选材料是同时表现出两种效应的Al-Mg合金，该合金用于汽车和航空工业，并作为电缆行业的导电材料。确定了即使在单一矩形脉冲下电流也可以作为吕德斯带和/或PLC带的触发器或阻尼器的条件。电流脉冲诱发的变形带引发是一种惯性

作者贡献声明

Andrey Denisov：可视化、调查研究、数据管理。 Sergey Kochegarov：软件、方法论、调查研究。 Michail Gasanov：软件、调查研究。 Alexandr Zolotov：撰写——初稿、调查研究、数据管理。 Alexander Shibkov：撰写——初稿、形式分析、概念构思

未引用参考文献

Aryasova and Khazan, 2017; Brechet and Estrin, 1994; Brechet and Estrin, 1995; Bross and Haberlen, 1993; Dai et al., 2024; Kaganov et al., 1973; Liu et al., 2023; McKenna and Shluger, 2011; Park et al., 2017; Saadat et al., 2020; Wu et al.,.

数据可用性

数据将应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号25-21-00528）的支持，并使用了坦波夫国立大学共用中心的设备。

A.A. Shibkov|M.F. Gasanov|A.E. Zolotov|A.A. Denisov|S.S. Kochegarov

坦波夫国立大学物理系，Internationalnaya街33号，392000，俄罗斯坦波夫