探析脉冲电流频率对冷拔金属线材力学性能影响

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1、探析脉冲电流频率对冷拔金属线材力学性能影响　　摘要：本文探讨了脉冲电流频率对冷拔金属线材力学性能的影响。关键词：高强脉冲电流;电塑性;抗拉强度;伸长率;回复再结晶。中图分类号：O361.4文献标识码：A文章编号：1实验材料及方法采用的实验材料分别为Φ1.58mm的冷拔态镀铜焊丝和Φ2.70mm的冷拔态55CrSi弹簧钢丝。镀铜焊丝的主要成分(wt%)为:0.08C，1.64Mn，0.82Ni，0.64Si，0.38Mo，0.20Cu，0.105Ti，0.016Al，余量Fe。由直径Φ5.5mm的原材料经过直进式拉丝机拾道次拉拔至Φ1.6mm，最后镀铜精拔至Φ1.58mm的镀铜焊丝。55

2、CrSi弹簧钢丝的主要成分(wt%)为:0.55C，0.80Cr，0.50Mn，0.75Si余量Fe。实验室中，采用自制高强脉冲电源对以上金属线材进行脉冲电流处理，试样在处理过程中用热电偶进行测温记录，实验参数见表1。在WDW-50型万能电子试验机上进行单轴拉伸实验，变形速率为3×105s。采用专用钢丝拉伸卡具，加载过程中通过计算机采集和记录形变过程中的载荷和位移信号。采用ISOMET型金刚石低速切片机选取试样的横截面和纵截面，为避免热镶样时温度对试样的组织结构造成影响，采用环氧树脂进行冷镶，然后进行打磨和抛光。采用质量分数为4%的硝酸酒精对抛光后的试样进行腐蚀，通过KH-1000型金

3、相显微镜对试样的显微组织进行观察和分析。2实验结果和分析图1为镀铜焊丝的拉伸应力应变曲线。由图可见，经过多道次的冷拔变形之后的镀铜焊丝(No.0)，其屈服强度为1130MPa左右，抗拉强度为1350MPa左右，伸长率约为2.8%。由于硬度和强度过高，使得焊接过程中的抽丝和送丝变得相对困难，难以满足工业应用的要求，因此必须采用相应的后续处理工艺以降低其硬度和强度。通过高强脉冲电流对其进行短时处理，当电流密度为2650A/mm2，脉冲频率为100Hz，处理时间为10s时，该线材(No.1)的屈服强度降至790MPa左右，抗拉强度降至1120MPa左右，伸长率约为3.8%。提高高强脉冲电流的

4、频率至300Hz，而其余条件不变，则该线材(No.2)的屈服强度和抗拉强度分别为580MPa和805MPa左右，伸长率则提高至25.0%左右。图2为55CrSi5弹簧钢的拉伸应力应变曲线。对于冷拔态的55CrSi弹簧钢(No.0)，其屈服强度为1630MPa左右，抗拉强度为1850MPa左右，屈强比约为0.88，而伸长率约为1.9%。通过高强脉冲电流对其进行短时处理，当电流密度为850A/mm2，脉冲频率为400Hz，处理时间为10s时，该线材(No.1)的屈服强度降至1375MPa左右，抗拉强度降至1545MPa左右，此时屈强比约为0.89，而伸长率提高至5.6%左右。提高脉冲电流的

5、频率至800Hz，而其余条件不变，则线材(No.2)的屈服强度降至1255MPa左右，抗拉强度降至1362MPa左右，此时屈强比约为0.92，而伸长率则大幅提高至9.2%左右。图3为镀铜焊丝纵截面的显微组织分析。由图3(a)可见，冷拔态的镀铜焊丝的主要组织是铁素体+索氏体。采用高强脉冲电流处理进行短时处理，当脉冲频率为100Hz，电流密度为2650A/mm2，处理时间为10s时，该线材的显微组织和晶粒尺寸没有发生明显的变化(图3b)。提高脉冲频率至300Hz时，该线材的显微组织中引入了细小、均匀的再结晶晶粒(图3c)。图4为55CrSi弹簧钢纵截面的显微组织分析。由图4(a)可见，冷拔

6、态的55CrSi弹簧钢显微组织主要是铁素体+5索氏体。采用高强脉冲电流处理进行短时处理，当脉冲频率为400Hz，电流密度为850A/mm2，处理时间为10s时，该线材的显微组织和晶粒尺寸没有发生明显的改变(见图4b)。提高脉冲频率至800Hz时，该线材的显微组织中引入了细小、均匀的再结晶晶粒(图4c)。3讨论实验表明，通过提高脉冲频率，能使冷拔金属线材在短时内实现完全软化，恢复塑性变形能力，并获得细小均匀的再结晶晶粒。在较低的脉冲频率和较低的温度作用下，金属线材的原子扩散能力虽然不是很大，但晶粒内部的位错、空位、间隙原子等缺陷在脉冲电子流的作用下发生移动和复合，位错密度大大减少。因此，

7、金属线材的其残余应力已经大大地降低，抗拉强度略有降低而塑性有所提高(图1中No.1和图2中No.1)。此时，金属线材发生回复过程，高强脉冲电流处理的效果类似于去应力退火。在较高的脉冲频率和较高的温度作用下，金属线材内部的原子扩散能力得到明显的增强，其显微组织也由拉长的晶粒通过重新形核和长大变成细小、均匀的等轴晶(图3c和图4c)，且抗拉强度显著降低而塑性大大提高，加工硬化现象得到基本消除(图1中No.2和图2中No.2)。此时，金属线材发生了再