原文出自 Metals 期刊：

Song, Y.; Wu, Y.; Lu, J.; Mei, M.; Xie, L.; Hao, C. Promoting Dynamic Recrystallization of Al-Zn-Mg-Cu Alloy via Electroshock Treatment. Metals 2023, 13, 944.

作者简介

宋燕利，武汉理工大学教授、博士生导师，入选湖北省青年科技晨光计划，兼任中国塑性工程学会环境保护专业委员会委员，《精密成形工程》期刊编委，Metals、International Journal of Lightweight Materials and Manufacture 等国际学术期刊特邀编辑等。研究方向为车辆与运载装备轻量化技术，主持国家自然科学基金 (3项)、国家重点研发计划专项课题、湖北省技术创新重大专项等国家及省部级项目。发表论文专著90余篇 (部)，授权发明专利38项，制定国家标准2项。获湖北省科技进步一等奖、中国机械工业科学技术一等奖、中国机械制造工艺协会杰出青年奖、IAAM Scientist Medal 等。

文章导读

Al-Zn-Mg-Cu 合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀好等优良特性，在航空航天、高铁等领域得到了广泛应用。但由于晶粒粗大、大块第二相和元素偏析等问题的存在，使得其在传统塑性变形过程中易出现破裂，严重影响了其成形性能。针对这一问题，国内外大量学者研究采用热处理、电磁场处理等方法以提升材料性能及改善组织。电冲击处理技术 (Electroshock treatment, EST) 是作者所在研究团队提出的一种新型电脉冲处理工艺，其特点是采用高能量密度、低频率、瞬时脉冲电流，在尽可能不改变表面质量和尺寸精度的情况下使材料/构件获得常规手段无法达到的超高性能。目前，EST 工艺在构件后处理上已开展较多研究，但将其与成形过程复合用以改善 Al-Zn-Mg-Cu 合金成形性能的研究还较少，特别是 EST 对塑性变形过程中的动态再结晶行为的影响尚未见诸报道。

来自武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室的宋燕利教授及其研究团队在 Metals 期刊发表了文章，研究了电冲击处理对 Al-Zn-Mg-Cu 合金力学性能以及微观组织的影响，揭示了电冲击处理对其动态再结晶行为的影响规律及机理。

实验过程

在本试验中，将 1.5 mm 厚 T6 态 Al-Zn-Mg-Cu 合金试样夹持在电子万能试验机上，在对试样施加拉伸力的同时，通过脉冲电源对其同步施加超低频电冲击负载，采用红外相机记录试验过程试样温度变化，具体试验过程如图1所示，所用方形脉冲电流周期为 5 s，其中通电时间 1 s，分别采用电流密度为 30 A/mm2 (EST1)、40 A/mm2 (EST2) 的参数进行电冲击辅助拉伸试验，并与无电拉伸试验 (Non-EST) 结果比较。使用 EBSD、TEM 等手段进行微观组织结构表征分析。

图1. 电冲击辅助拉伸试验过程。

图2为不同参数下的电冲击辅助拉伸试样的真实应变-应力曲线图。Non-EST、EST1、EST2 三组试样的延伸率分别为 10.95%、13.33%、10.67%。与无电拉伸相比，EST1 下材料延伸率提升了 21.74%。这表明，在合适的参数下，电冲击作用可以提高材料的塑性变形能力。

图2. 电冲击辅助拉伸试验各组真实应力—应变曲线。

图3为 Non-EST 和 EST1 试样的 GOS 图。Non-EST 试样的动态再结晶百分比为 15.6%，而 EST1 试样的动态再结晶百分比增加到 27.7%，增加幅度达 77.56%，说明合适的电冲击参数可显著的促进合金动态再结晶行为的发生。

图3. Al-Zn-Mg-Cu 合金不同变形条件下的 GOS 图：(a) Non-EST；(b) EST1。

图4为合金在不同变形条件下的晶粒取向分布图及晶粒大小分布直方图。Non-EST 试样的晶粒大小分布不均匀，存在许多尺寸异常大的晶粒，而 EST1 拉伸试样的晶粒分布细小且均匀，并且存在大量尺寸适中的等轴再结晶晶粒。此外，通过统计发现，无电拉伸下的平均晶粒尺寸为 40 μm，晶粒尺寸分布范围比较广，部分晶粒尺寸可超过 100 μm，而 EST1 试样的平均晶粒尺寸降为 30 μm，晶粒尺寸分布比较集中，小尺寸晶粒数量明显增多，大尺寸晶粒数量明显减少，最大晶粒尺寸小于 100 μm，说明电冲击处理对动态再结晶行为有明显的促进作用。

图4. Al-Zn-Mg-Cu 合金在不同变形条件下的晶粒取向分布图及晶粒大小分布直方图：(a, c) 无电拉伸；(b, d) EST1 电冲击拉伸。

图5为 Non-EST 和 EST1 试样的晶界分布图。Non-EST 试样的小角度晶界主要出现在晶粒的内部，而 EST1 试样的小角度晶界主要出现在晶界附近，特别是三角晶界处，这说明在电冲击辅助变形过程中再结晶主要在晶界处形核。

图5. Al-Zn-Mg-Cu 合金在不同变形条件下的晶界分布图：(a) Non-EST 和 (b) EST1。

图6为无电拉伸试样高分辨 TEM 图，选取图6 (a) 中黄色方块区域的晶界区域进行放大如图6 (b) 所示，并进行反傅里叶变换如图6 (c) 所示。图7为 EST1 试样4个不同区域的晶界处的高分辨率 TEM 表征及反傅里叶变换。结果表明，Non-EST 的晶界处没有显著的位错聚集现象，而 EST1 试样4个不同区域的晶界处都存在着大量位错聚集。这表明电冲击辅助成形过程中电冲击能量推动了位错的运动，使再结晶的能量更多地集中于位错，从而更易于发生低温下的再结晶形核。同时再结晶内部位错少说明再结晶长大的过程中消耗了大量的变形储存能，导致晶粒内部位错密度降低，从而使得位错更容易在晶界处生成。

图6. 无电拉伸试样 TEM 图：(a) Non-EST 试样高分辨 TEM 表征；(b) 和 (a) 图中黄色方块处的晶界 HTEM 表征；(c) 反傅里叶变换。

图7. EST1 试样不同位置高分辨TEM表征及反傅里叶变换：(a) 位置1；(b) 位置2；(c) 位置3；(d) 位置4。

图8为电冲击处理促进动态再结晶的微观机理示意图。变形过程中经过电冲击处理，在电冲击能量的作用下，位错从晶内移动到晶界附近，在后续 EST 过程中可作为再结晶的形核点，并且由于电冲击的作用，可降低发生再结晶的临界晶核尺寸，增加再结晶的驱动力，进而增加发生动态再结晶的可能性。此外，由于电冲击能量的作用可降低动态再结晶长大速率，且电冲击作用时间极短，使得形成的极为细小的再结晶晶粒，最终获得分布不均匀的晶粒组织形貌。

图8. EST 促进再结晶的微观机理示意图。

结论分析

本文研究了不同电冲击处理工艺对 Al-Zn-Mg-Cu 高强铝合金微观组织及力学性能影响规律，揭示了电冲击处理对动态再结晶行为的影响机制，主要得出以下结论：

1. 与无电拉伸相比，在电冲击作用下，Al-Zn-Mg-Cu 合金流变应力明显降低，合适工艺下材料延伸率可提升 21.74%，再结晶百分比提升77.56%。

2. 经过合适的电冲击处理，合金平均晶粒尺寸从 40 μm 降低为 30 μm，且晶粒尺寸分布更加均匀。电冲击能量推动晶粒取向发生转变，使小角度晶界向晶界处聚集，从而导致晶粒形貌细小均匀，且晶界角度整体更大，更有利于再结晶的形核和长大。

3. Al-Zn-Mg-Cu 合金在电冲击作用下推动位错的运动，使位错更多地聚集在晶界处，提高了合金在近常温状态下的动态再结晶能力。

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Edited by Prof. Dr. Yanli Song

Submission Deadline: 31 December 2023

点击链接，了解特刊更多信息：https://www.mdpi.com/journal/metals/special_issues/BD6F79I2DG

Metals 期刊介绍

主编：

Hugo F. Lopez, University of Wisconsin-Milwaukee, USA

Yong Zhang, University of Science and Technology Beijing, China

期刊发表涵盖金属材料和冶金工程领域研究以及科技发展研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor：2.695

2022 CiteScore：4.4

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Time to Publication：37 Days