电处理诱导超薄钛箔微观组织快速恢复的物理起源

《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：On the physical origins of rapid microstructural restoration induced by electrical treatment in ultra-thin titanium sheets

　　

引言

对高性能产品的持续追求加剧了对难变形材料和几何复杂部件的需求，从而对传统金属成形工艺提出了重大挑战。为此，能量场辅助成形技术近年来作为一种有前景的解决方案应运而生，通过引入超声波振动、电场和磁场等外部能量源来克服材料成形性的固有局限 [1]。在这些方法中，电辅助成形（EAF）技术提供了一种在多种金属材料上高效提高塑性且具有优异工艺集成性的有效手段，因此引起了越来越多的研究关注 [2]。虽然大多数EAF工艺在变形同时施加电流 [3]，但作者团队提出了一种新方法，即将短时（≤ 2 s）电处理（ET）作为中间步骤引入两步冲压工艺中，使0.1 mm超薄钛板的总延伸率提高了约25% [4]。初步研究 [5] 表明，成形性恢复源于ET诱导的快速微观组织恢复，包括静态回复和再结晶，这主要受ET期间达到的最高温度控制，起始阈值约为623 K。然而，仍有两个关键问题尚缺乏充分理解：(1) ET是否诱导了与常规炉内退火工艺根本不同的微观组织转变路径，而不仅仅是加速效应；以及(2) ET下快速微观组织恢复的物理起源。

事实上，尽管电流对金属材料的影响已得到广泛研究，但尚未达成共识，因为报告了许多相互矛盾的观察结果。一方面，一些研究表明这些效应主要受与焦耳热相关的热效应控制。Magargee等人 [6] 在强制对流冷却条件下进行了电辅助拉伸试验以消除温升，并报告了与无电流条件下相同的力学响应。然而，越来越多的对比研究 [7]、[8] 在相同表观温度下比较了电辅助与热辅助拉伸试验，表明ET的效应不能完全由纯热贡献来解释。此外，Zhu等人 [9] 和Qian等人 [10] 利用透射电子显微镜（TEM）观察到电流下的定向位错滑移，为无热效应的存在提供了进一步证据。

过去几十年中，人们提出了各种假说来解释ET诱导的成形性增强，包括选择性加热 [11]、电迁移 [12]、电荷不平衡 [13] 和磁塑效应 [14]。具体而言，选择性加热源于金属材料的固有微观组织非均匀性，其中由于位错和晶界等晶体缺陷的存在，电阻率局部变化 [15]。因此，电流可诱导温度梯度，使缺陷富集区域的局部温度高于表观温度，从而促进微观组织演化 [11]。然而，尽管其物理基础已得到充分建立，微观尺度上的温度梯度尚未通过实验表征，使其贡献难以评估。电迁移指金属在电场作用下原子的运动，通常源于电子风力和静电力 [12] 的共同作用，其中电子风代表迁移电子的动量传递 [16]。虽然电迁移可以解释ET下定向位错滑移的观察结果，但几项研究认为其对材料延展性的影响可以忽略 [17]。电荷不平衡是Kim等人 [13] 提出的一种纯电效应，认为缺陷位点处被困住的电子局部削弱了原子键合强度，从而促进位错重新分布和湮灭，最终提高材料的延展性。此外，磁塑效应涉及电流诱导的磁场使位错从顺磁性障碍中脱钉扎速率增大的过程，从而通过促进位错运动来改善塑性 [18]。

需要注意的是，上述机制单独考虑时，通常不足以解释ET下金属材料的力学和微观组织行为，因为多种物理效应通常共存并共同控制材料性能的演化 [19]。然而，系统地区分不同机制相对贡献的工作仍然匮乏。此外，从常规EAF工艺中获得的经验难以直接扩展到将ET作为中间材料改性策略的场景中。

因此，为全面理解中间ET对变形材料的影响，本研究首先进行了准原位EBSD表征，以识别预应变钛板在ET和常规炉内退火下微观组织恢复过程的特征差异。随后，通过有限元模拟、理论建模和第一性原理计算，评估了选择性加热、电迁移和电荷不平衡的相对贡献。在本实验条件下，磁塑效应被认为可以忽略，因为感应磁场（约2.5 mT）比通常报道的可诱导可观测磁塑行为的磁场（≥ 100 mT）低约两个数量级 [20]、[21]、[22]。最后，系统阐明了ET下特征性微观组织恢复行为的驱动机制。

分节摘要

准原位微观组织表征

本研究采用厚度为0.1 mm的纯钛（CP-Ti）板，该材料是制造氢燃料电池双极板的优秀候选材料。首先施加15%的预应变，以引入足够的晶内缺陷密度，包括位错和孪晶，而不触发拉伸不稳定性 [4]。在我们之前的工作中，对经过ET处理的预应变CP-Ti进行了基于非原位EBSD和XRD的初步对比分析

ET诱导的不同微观组织恢复

正如我们之前工作 [5] 所示，ET_2sTo1023K 样品的位错密度降低程度大于 HT_20s@1023K 样品，尽管其再结晶分数较低，表明ET下位错湮灭速率更高、位错湮灭程度更为显著。基于图4a所示的EBSD结果，对两个样品的再结晶晶粒数量及其尺寸分布进行了进一步定量分析，结果汇总于

讨论

如3.1节所述，与相同温度下的常规炉内退火相比，ET不仅加速了微观组织恢复，还增强了回复程度，同时实现了不同的微观组织转变路径。这些特征主要源于选择性加热、电迁移和电荷不平衡的共同贡献。在接下来的各节中，将分别讨论它们对

结论

本研究系统识别了ET和常规炉内退火下预应变钛板的特征性微观组织恢复行为，并深入探究了导致ET诱导差异的潜在物理起源。主要结论如下：

• (1)
  与常规炉内退火相比，ET下的微观组织恢复速率显著提高，并伴随着不同的微观组织

CRediT作者贡献声明

闵俊英：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。张翔路：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，验证，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。陈波：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，方法论，形式化分析。马小龙：写作 – 审阅与编辑，方法论，调查研究，数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的经济利益冲突或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（批准号 52475395）的资助。

张翔路|陈波|马小龙|闵俊英