超聲波振動對鈦箔拉伸性能及位錯分布的影響

蔣少松，楊天豪，孫宏宇，何玉石，盧 振，王瑞卓

(1 哈爾濱工業大學 金屬精密熱加工國防科技重點實驗室，哈爾濱 150001；2 上海航天設備制造總廠，上海 200245；3 北京衛星制造廠有限公司，北京 100094)

超聲波振動輔助金屬塑性成形技術是在成形過程中施加超聲振動，利用“布萊哈效應”對金屬進行塑性加工[1]。超聲振動的施加，可以認為是在變形過程中給材料內部引入額外能量，金屬內部組織會獲得超聲波能量從而使其活性增強，隨著超聲波的振動頻率而產生高頻振動，由于超聲振動的存在使得金屬內部組織的運動加劇，金屬材料內部的摩擦會減小，從而使金屬材料塑性變形時的變形阻力出現一定程度的降低[2-3]。與傳統的塑料成型技術相比，超聲波振動輔助成型的特點是能耗低，工件與模具之間的流動應力和摩擦顯著降低，以及產品的成形極限和加工質量的提高[4]。近年來，科研人員在超聲波振動對材料塑性變形行為的影響方面進行了相關研究，并取得了一定的成果。Jimma等[5]在拉伸過程中施加了超聲波振動，并獲得了更高的極限拉伸比(LDR)，同時，有效地防止了凸緣部分的起皺。Feizi等[6]采用輔助超聲波振動進行擠壓，擠壓力明顯減小。仲崇凱[7]進行了超聲高頻振動下6063鋁合金拉伸與鐓粗實驗，結果表明在實驗中疊加高頻振動，會出現成形載荷、材料流動應力、抗拉或抗壓強度降低等“軟化”現象。丁婕[8]對超聲振動條件下鋁合金的彎曲變形行為進行了研究，結果表明在超聲振動作用下板料彎曲成形過程中出現成形載荷減小的軟化現象，與此同時回彈角、摩擦力也都減小，并且振幅越大成形載荷回彈角的減小幅度越大。王哲[9]研究了超聲旋壓材料流變規律及機理，隨著振幅增加，材料變形愈加容易，材料流變體積增加，說明振幅的增大有助于提高加工效率。

雖然目前超聲波振動對材料塑性變形的影響已經進行了相關研究[10-11]；但是大多數將超聲波振動同時施加于成形板料與模具上，超聲波在非變形區的無謂損耗使其對材料本身的作用降低[12-13]。目前超聲波發生器的功率有限，通常在3kW以下，而超聲振動的對象大多為板材，超聲能量的密度較低，超聲波作用效果相對減弱[14-15]。而且，目前超聲振動的作用對象主要為鋼和鋁等傳統材料，對鈦材的研究尚少。因此，本工作以鈦箔為研究對象，采用功率為3kW的超聲波發生器，將聲波振動直接作用在厚度為0.18mm的鈦箔拉伸試樣上，并通過吸波材料防止聲波無謂損耗，能量輸入密度大，可以更加準確地分析超聲振動對材料塑性變形和位錯分布的作用。本工作通過超聲波輔助單向拉伸實驗，將超聲波振動直接作用于拉伸試樣上，并采用間歇式加載與全程加載來分析鈦箔的應力-應變曲線變化規律和位錯分布特征。

1 實驗材料與方法

采用經熱處理的純鈦TA1板材進行實驗，TA1為α型鈦合金，材料的原始組織如圖1所示，電解拋光后α固溶體呈等軸狀。TA1的化學成分如表1所示。

本工作采用自行設計的超聲發生裝置，由于塑性成形需要一定的壓力載荷，而且聲波在金屬中傳播的強度不能過低。因此，超聲發生器主要涉及參數為：最大載荷30kN，裝置功率3kW，頻率20kHz，最大振幅60μm。超聲波振動裝置主要由4個部分組成:超聲發生器、換能器、變幅桿和工具頭。實驗所使用的是純鈦TA1箔材，厚度為0.18mm，標距為15mm，試樣尺寸如圖2所示。拉伸試樣通過超聲波夾持支架固定在超聲波發生器上，試樣上部與拉伸機卡具相連，試樣除與超聲波發生器接觸外，其余部分均采用吸波材料隔離，防止超聲波散失。

圖1 TA1純鈦箔材原始組織Fig.1 Initial microstructure of TA1 titanium foil

FeOHNCTi0.200.180.0150.030.08Bal

本工作采用5種方式進行超聲波輔助單向拉伸實驗，初始應變速率均設為1.0×10-3s-1。分別為：無超聲拉伸，間歇式施加一次超聲振動，間歇式施加兩次超聲振動，間歇式施加三次超聲振動和全程連續超聲振動。其中，間歇式施加超聲振動每次時間為20s。拉伸實驗結束后分析應力-應變曲線變化，并通過JEM-2100透射電子顯微鏡觀察不同實驗參數時的位錯變化。

2 結果與分析

2.1 不同超聲振動條件對TA1純鈦塑性變形過程的影響

不同超聲振動條件下TA1純鈦拉伸過程中的真應力-應變曲線如圖3所示。

圖3 不同超聲波振動條件下的真應力-應變曲線(a)無振動；(b)一次振動；(c)兩次振動；(d)三次振動；(e)連續振動Fig.3 True stress-strain curves at different ultrasonic vibration conditions(a)without vibration;(b)once vibration;(c)twice vibration;(d)three times vibration;(e)continuous ultrasonic vibration

圖3(a)為不施加超聲波振動時的真應力-應變曲線，可見隨著拉伸過程的進行，應力逐漸增大，當應力達到125MPa時，達到彈性極限。隨后在塑性變形區出現平穩而緩慢的增長，增長到一定程度后出現頸縮現象，拉伸試樣發生斷裂，抗拉強度達到270MPa。

圖3(b)為施加一次超聲振動的真應力-應變曲線，當試樣的拉伸應變達到0.15(A點)時，開始施加超聲振動，此時拉伸過程繼續進行，20s之后停止施加超聲，拉伸過程繼續進行直至拉伸試樣斷裂。A-B為施加20s超聲振動的區間段，C點為在施加超聲過程中，流動應力的最低點，當從A點開始施加超聲振動后，材料的流動應力會在短時間內出現一個較大幅度的降低，A點到C點降低約180MPa，應力下降幅度達到80%，在C點之后，流動應力又會出現升高的現象。

圖3(c)為施加兩次超聲振動的真應力-應變曲線，當試樣的拉伸應變量達到0.15(A點)以及0.23(A1點)時分別開始施加超聲振動，同樣，在20s后停止超聲振動，整個施加超聲振動的過程中拉伸變形并不停止，而是同時繼續進行，直至拉伸試樣產生斷裂。在第一次施加超聲振動的階段(即圖3(c)中A-B階段)，從A點施加超聲后，材料的流動應力開始急劇下降，達到最低點C之后流動應力出現上升，A點到C點間材料流動應力降低約180MPa，降幅為77%；第二次施加超聲振動階段(即圖3(c) 中A1-B1階段)，從A1點施加超聲后，材料的流動應力出現下降，達到最低點C1之后流動應力出現上升，A1到C1之間材料的流動應力降低約為150MPa，降幅為63%。

圖3(d)為施加三次超聲振動的應力-應變曲線，當試樣的拉伸應變量達到0.08(A點)、0.15(A1點)以及0.23(A2點)時分別開始施加超聲振動，同樣，在20s后停止超聲振動，整個施加超聲振動的過程中拉伸變形并不停止，而是持續進行，直至拉伸試樣產生斷裂。在第一次施加超聲振動的階段(即圖3(d)中A-B階段)，從A點施加超聲后，材料的流動應力開始急劇下降，達到最低點C之后流動應力出現上升，A點到C點間材料流動應力降低約200MPa，降幅達90%；第二次施加超聲振動階段(即圖3(d)中A1-B1階段)，從A1點施加超聲后，材料的流動應力出現下降，達到最低點C1之后流動應力出現上升，A1到C1之間材料的流動應力降低約175MPa，降幅為76%;第三次施加超聲振動階段(即圖3(d)中A2-B2階段)，從A2點施加超聲后，材料的流動應力出現下降，達到最低點C2之后流動應力出現上升，A2到C2之間材料的流動應力降低約60MPa，降幅為24%。

圖3(e)為全程連續施加超聲波的應力-應變曲線，當流動應力達到彈性變形階段所能達到的最大值點A后開始下降，最低點降低至B點，降低約65MPa，降幅為52%，之后在BC段，會出現一個波動區間，但在此區間內波動的幅度很小，C點之后材料的流動應力重新升高，直至最后出現頸縮，發生斷裂。

從圖3(a)～(e)可觀察到，無論施加超聲與否，或是施加幾次超聲，對材料的抗拉強度沒有太大的影響，這說明在材料即將斷裂的階段，材料內部的應力狀態是相同的，超聲波對材料塑性變形過程中的斷裂階段的影響很小，其對塑性變形過程的影響主要集中在持續塑性變形過程中。

2.2 不同超聲振動條件對TA1純鈦伸長率的影響

當施加不同次數的超聲振動時，純鈦TA1在拉伸過程中的伸長率隨著施加超聲振動次數的不同而產生一定的變化，不同條件下純鈦TA1箔材拉伸試樣的伸長率變化情況如圖4所示。不施加超聲的單向拉伸，鈦箔的伸長率為40.33%；施加一次超聲振動時，鈦箔的伸長率為41.95%；施加兩次超聲振動時，鈦箔的伸長率為44.34%；施加三次超聲振動時，鈦箔的伸長率為54.46%；全程施加超聲振動時，鈦箔的伸長率為51.75%。隨著施加超聲振動次數的增加，材料的伸長率得到了明顯提高，這說明，超聲振動的施加，對材料的塑性變形能力的提高有一定的促進作用，在施加三次超聲振動時，材料的伸長率出現了一個峰值。

2.3 超聲振動對TA1純鈦箔材位錯分布的影響

圖5為不同條件下TA1純鈦拉伸試樣的透射組織，從圖5(a)中可以發現，經過退火處理的箔材晶粒內部幾乎沒有明顯的位錯纏結出現，而在圖5(b)中，即未施加超聲拉伸實驗中，所得到的試樣內部位錯分布雜亂無章，而且位錯有明顯向晶界處運動的趨勢，且局部出現位錯塞積。在圖5(c)～(f)中，即在施加超聲振動的實驗中，所得到的試樣內部位錯在晶界處纏結塞積同樣比較嚴重，但在晶界處，位錯纏結形成一種未施加超聲拉伸時觀察不到的位錯墻狀組織，此處位錯密度非常高，并且有形成位錯胞的趨勢，但從整體上看，施加超聲時的位錯纏結程度與分布的雜亂程度相差無幾，這也就是材料在即將斷裂前的抗拉強度幾乎相同的原因。超聲振動的施加對于材料斷裂時的位錯纏結程度以及位錯排布的混亂程度并沒有明顯的影響，這可以解釋超聲振動對斷裂前材料的抗拉強度幾乎沒有影響這一特征。

圖4 不同超聲振動條件下伸長率變化Fig.4 Elongation at different ultrasonic vibration conditions

為了研究超聲波振動對材料塑性變形過程中間階段位錯分布產生的影響，在拉伸過程中當施加超聲波振動后流動應力下降時，立即停止拉伸，觀察其位錯分布情況，并通過兩組實驗進行對比分析。圖6為拉伸中間過程超聲振動與未振動應力-應變曲線，可以發現，當施加一次超聲波振動應力下降后立即中止實驗時，不施加超聲振動的那組曲線所達到的抗拉強度約為235MPa，而施加超聲振動的實驗中，中止實驗時所達到的流動應力約為130MPa，降低幅度約為45%。

圖5 不同條件下TA1鈦箔拉伸試樣位錯分布TEM圖像 (a)原始試樣內部；(b)未施加超聲；(c)一次超聲；(d)兩次超聲；(e)三次超聲；(f)連續超聲Fig.5 TEM images of dislocation distribution of TA1 titanium foils at different conditions (a)in the original sample;(b)without ultrasonic vibration;(c)with once ultrasonic vibration;(d)with twice ultrasonic vibration;(e)with three times ultrasonic vibration;(f)with continuous ultrasonic vibration

圖6 拉伸中間過程超聲振動與未振動的真應力-應變曲線Fig.6 True stress-strain curves of intermediate tension with and without ultrasonic vibration

圖7為拉伸中間過程超聲振動與未振動試樣位錯分布。圖7(a)是未施加超聲，拉伸至位移3.3mm處的透射組織圖像，可以看出，晶粒內位錯纏結嚴重，而且分布雜亂無章，此時的流動應力值約為235MPa。圖7(b)是拉伸位移3.3mm處，施加了一定時間超聲振動的拉伸試樣透射組織圖像,可以發現，位錯纏結明顯少于未施加超聲波振動的位錯，而且位錯分布趨向于平行排布，此時的流動應力值約為130MPa，較前者有較大幅度的降低。這可能是由于施加超聲振動時，相當于引入了一定的能量，這些能量使得原本纏結在一起而且分布無序的位錯組織逐漸打開，重新沿著超聲波傳播的方向進行排列。

綜合上述位錯分布，可以更為清晰地解釋圖3(a)～(e)中不同條件下真應力-應變曲線的變化趨勢。圖3(b)中，當在A點開始施加超聲振動后，超聲波能量輸入材料內部，使原本在塑性變形中嚴重纏結的位錯逐漸分散，沿著超聲波的傳播方向呈現平行分布的趨勢。這就會使得材料的流動應力在AC段出現明顯的降低，而隨著拉伸變形的不斷進行，產生的位錯會越來越多，位錯纏結塞積越來越嚴重，而超聲波所輸入的能量卻是一定的，因此會出現這樣一個時刻，即超聲波輸入的能量不足以分散已經嚴重纏結的位錯，這就會使材料的流動應力重新升高，即圖3(b)中CB段所顯示的趨勢。同樣的在圖3(c),(d),(e)中，無論是在A,A1還是A2點施加超聲振動，都會使位錯的纏結逐漸被打開，位錯呈現平行排布，從而造成在這些位置開始施加超聲振動后，材料的流動應力出現下降。但值得注意的是當施加三次超聲振動時，每次超聲振動所引起的流動應力的降低幅度是在不斷減小的，這主要是因為隨著塑性變形過程的進行，材料晶粒內部的位錯纏結會越來越嚴重，而超聲波的能量是一定的，即把位錯纏結打開的能力是一定的，因此隨著拉伸變形的繼續，每次施加相同時間的超聲波所能解開位錯纏結的相對量會越來越少，即使流動應力降低的幅度會越來越小，這與應力-應變曲線中所表現出來的趨勢是一致的。

圖7 拉伸中間過程未施加超聲振動(a)與施加超聲振動(b)時位錯分布Fig.7 Dislocation distribution of intermediate tension without (a) and with (b) ultrasonic vibration

3 結論

(1)在鈦箔拉伸過程中施加不同時間的超聲振動，材料的伸長率從未施加超聲時的40.33%最大增加至54.46%。在單次施加超聲振動時，應力最大降幅達到約80%。

(2)超聲振動會使材料流動應力出現先降低后升高的現象，且隨著施加超聲振動次數的增加，流動應力降低幅度越來越小。超聲振動的施加對材料彈性變形階段以及材料最終斷裂時所達到的應力狀態無明顯影響，其對鈦箔拉伸變形實驗的影響主要體現在對塑性變形中間過程的影響。

(3)通過TEM可以觀察到，在拉伸的中間過程，超聲條件下位錯呈現平行分布的趨勢且無大量纏結出現，而未施加超聲拉伸的試樣中位錯的分布則顯得雜亂無章且纏結嚴重。這使得在施加超聲波后某一應變范圍內材料的流動應力出現明顯的降低，而當應變量繼續增大時，即位錯密度過大時，超聲波振動則無法分散位錯，降低應力。