脉冲电流处理对H62双相黄铜升温相变变体演变的影响

李冬雪

(扬州市职业大学 江苏 扬州 225009)

1 引言

迄今，关于马氏体相变或扩散型相变变体选择的研究已经有很多报道，但这些研究主要集中在对于冷却过程中的变体选择，如Cu-Zn合金的到相的相转变过程，由于传统热处理工艺加热速度和冷却速度受限，关于升温过程中相变变体选择的研究一直处于空白，尤其关于升温相变组织中晶体学信息对材料性能的影响的研究未有报道。

高密度脉冲电流处理作为一种非平衡处理手段，具有快速加热、快速冷却的特点，在短时间之内产生或者与外界交换高密度能量，使一些在平衡状态下很难实现的过程得以实现。因此，本实验拟借助高密度脉冲电流处理研究H62双相黄铜在升温相变过程中的变体演变。

2 实验方法与组织结构表征

实验材料：选用厚度为1.5 mm的商业H62黄铜板材作为实验的初始材料，其化学成分为Cu 62wt%、Zn 38wt%。

扫描电镜（SEM）形貌观察与EBSD分析：JEM-7001F场发射扫描电子显微镜，主要用于材料表面形貌观测，能谱分析、微观取向的测定与分析等。为了便于比较，对样品的SEM分析所选区域均选定为样品的侧面中心区域。

3 实验结果

3.1 脉冲电流密度对变体微观形貌的影响

根据焦耳热和Cu-Zn合金二元平衡相图的分析，样品经脉冲电流密度为jmax=17.6 kA mm-2和jmax=18.5 kA mm-2处理后，样品有效区温度达到fcc结构的α相和bcc结构的β相的相转变点。在458 ℃时，存在β→β′的有序无序转变，一般认为这个有序无序转变不影响新生成的相的织构及其在基体中的含量，因此本文中的相转变过程主要针对α相与β相之间的扩散型相变。

图1给出不同电流处理条件下样品中β相从α相中形核析出的演变规律。从图1观察可知，脉冲电流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2时，大量形状不规则的β相沿着α相的晶界和晶内开始形核且随机分布。在脉冲电流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2处理的样品中可观察到，α相晶粒细化的同时，形核初期在α相晶内形成的β相几乎观察不到，β相沿着α相的晶界分布。另外，通过比较不同电流密度下的晶粒尺寸，结果发现随着电流密度的增大，β相晶粒明显长大。因此，脉冲电流对于第二相晶粒形核和长大有显著影响。

图1 ECP处理后样品的显微组织

通过比较分析大量SEM-EBSD形貌图，发现不同电流密度下，脉冲电流处理之后β相主要有三种形核和长大方式，分别是：

（1）晶内形核：主要在孪晶界、亚晶界和滑移带等晶内缺陷密集处形核，这些区域能量较高易于形核；

（2）晶界形核：在两个晶粒的界面同样是易于形核的高储能区域；

（3）界隅长大：三相邻晶粒的三晶交界处发生α→β相变。

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对于常规的热处理方式，β相的形成主要存在于晶界和三晶交界处，因而认为在常规的热处理制度之下，α→β相变的相变织构主要来源于晶界和三晶交界处形核的β相，而脉冲电流处理极大的提高了α→β相变形核速率，结果发现β相在α相晶内形核作为一种很重要的形核方式存在。因此，脉冲电流处理对β相形核和长大具有较大的影响，后续脉冲电流对α→β相变过程β相取向和变体选择的研究具有深远的意义。

为了进一步分析β相从α相晶内形核取向的演变，图2给出了图1中不同电流处理条件下β相的EBSD取向分布图。其中，灰色区域对应fcc的Cu(α相)，彩色区域对应bcc的CuZn(β相)。观察分析可知，不同电流处理条件下在晶界和晶内形核的β相以及沿着晶界生长的β相取向各异。

图2 不同电流密度下β相的取向分布

3.2 脉冲电流密度对变体取向的影响

为了进一步分析脉冲电流密度对析出相微观取向的影响，以深入研究脉冲电流处理对H62黄铜升温相变形核过程的影响，对不同脉冲电流密度的样品进行了EBSD测试及分析。

由于扫描电镜下观察到的在α相晶界和晶内生成和晶界的β相尺寸小，为了更清晰客观准确地反应样品的微观组织和取向信息，所以在EBSD的信号采集时采用的1000倍的方法倍数，步长为0.08 μm。以确保生成的β相更好的被识别。

图3(a)为脉冲电流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2样品的Phase map，从图中我们可以观察到大量细小的相弥散分布于α相的晶界和晶内，另外初始存在的团聚在晶界处的粗大相形状变的不规则。图3(b)为脉冲电流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2样品的β相{110}晶面的极图。分析结果表明，受初始存在大量相的影响<110>取向为主要的相分布取向。

图3 jmax=17.6 kA mm-2样品β相取向

图4(a)为脉冲电流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2样品的Phase map，在图中可以观察到，大量的β相沿着晶界形核长大尺寸相较于jmax=17.6 kA mm-2的样品已经明显长大，并且大量晶内形核的β相的生长对α相起到碎化作用，使得α相晶粒尺寸减小。前人实验结果中由于实验条件所限，相变的升温过程难以观察到，研究多侧重于降温过程中相变过程。他们认为，α相的细化是因为降温过程中α相沿着β相的晶界析出，以及随后的快速冷却来不及长大所致，但是缺乏β相本身对α相晶粒细化的作用方面的研究。而从本实验结果中可以明显观察到升温过程中β相在α相晶内形核长大，对α相的晶粒细化起到一定作用。

图4 jmax=18.5 kA mm-2样品β相取向

图4(b)为脉冲电流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2样品β相{110}晶面的极图。比较图3(b)和图4(b)两张极图中相取向演变可知，在电流密度较低时，由于形核不完全，大量细小相沿晶内晶界析出，但是初始大块β相沿晶界分布，且β相取向主要受大块晶粒取向的影响主要呈<110>取向分布；随着脉冲电流密度的增加，初始大块β相完全消失，且主要沿<111>取向分布。

3 分析与讨论

式中：

j(t)—t时刻脉冲电流的电流密度

ρ—合金的电阻率

td—脉冲持续时间

cp—合金的比热容

d—合金的密度

当脉冲电流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2和jmax=18.5 kA mm-2时，试样有效区温升分别达到699 ℃和770 ℃，结合相图可知，脉冲电流处理诱导α→β相变发生。按照相图分析可知，在脉冲电流加热过程中，部分α相转变成β相，然后在脉冲电流冷却过程中，部分α相转变成的高温β相再次转换成室温的α相。

当电流进入金属导体时，电流具有促进高导电相形成抑制低导电相形成的特点。因此，脉冲电流对固态相变的作用与母相形成新相晶核后两相的电导率不同有关。若不计较电子在界面处的散射作用，或者这种作用相对比较弱的情况下，在母相中形成具有更高导电相的新相后，整个体系的电流分布会由于导电率不同而发生变化。

对于H62双相黄铜来说，在脉冲电流处理的过程中发生α→β相变的温度区间内，（σα=σ0）＜（σβ=σ1），通过相关公式计算，可知能量差ΔWe＜0，这说明当体系中电流通过时，形成具有临界半径的晶胚所需克服的热力学势垒Wc下降，所以试样β相的形核率由于脉冲电流的作用而得到提高，ΔWe与jx2(t)成正比，即β相的形核率随着电流密度的增大而显著提高。换句话说，脉冲电流作用下具有促进高导电相β相更容易析出。并且这种形核势垒的降低不仅使在α相的晶界等能量聚集处形核率提升，更使得β相在α相晶内形核得以实现，这在常规热处理制度中是难以实现得。并且这种晶内形核的方式，使得β相的快速形核长大对α相起到碎化的作用，α相晶粒得以细化。由于脉冲电流处理前试样原材料完全相同，原始样品中所含的α相和β相的含量相同，因此认为脉冲电流处理之后，β相含量的差异是脉冲电流处理之后的结果。

通过统计计算，不同脉冲电流处理条件下，脉冲电流密度峰值为jmax=17.6 kA mm-2时，α相含量占比83.3%，β相占比16.7%，jmax=18.5 kA mm-2，样品中α相含量占比52.7%，β相的含量占比47.3%。随着脉冲电流密度的增大，我们观察到β相的含量明显增大。

上述分析可知，随着电流密度的增大，α相中析出的β相含量增多，这可以归结为电流处理有利于高导电相的形核，但是截至目前，关于脉冲电流对升温相变过程中高电导相β相的形核长大机制研究甚少，尤其β相的形核长大对α相晶粒细化的影响几乎没有报道。

对于相变过程，发现的相变过程的初期阶段，往往遵循着一定的有理位相关系K-S关系fcc{111}//bcc{110}，fcc<110>//bcc<111>。众所周知，对于服从有理位向关系的母晶与子晶，由于晶体对称性，有多种彼此独立的可能晶面及可能晶向的对应关系存在，即存在所谓变体。

就理想情况而言，从α相母晶中按照K-S关系生成的24种变体应当服从随机分布，即24种变体等可能出现。然而如图3以及图4示，对于所选取的α相晶粒，其新生成的β相晶粒的取向并不是随机的，而是存在一定择优性，表明在ECP处理过程中发生的α→β相变中存在变体选择。

另外，从图3(b)和4(b)的比较中可以看出，随着脉冲电流密度的增大，β相的取向呈现更加规律的趋势，这种现象也预示着随着脉冲电流密度的增大，变体选择有着更加明显的倾向性。

4 结论

通过研究电流密度对析出相微观结构和变体演变的影响，结果发现：

第一，脉冲电流具有促进β相形核的作用，随着脉冲电流密度的增大β相含量明显升高，尤其，结合高密度脉冲电流处理具有高的冷却速率，脉冲电流处理可以将高温非平衡态保留到室温，为研究高温相变过程提供了可能。

第二，对于所选取的α相晶粒，其新生成的β相晶粒的取向并不是随机的，而是存在一定择优性，表明在ECP处理过程中发生的α→β相变中存在变体选择。