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哈尔滨理工大学材料与化工硕士学位论文

脉冲电流及其施加方向对纳米晶镍箔尺寸效应影响

研究

摘要

脉冲电流辅助纳米晶金属箔材微成形技术近年来得到业界的广泛关注，有

望成为微机电系统中微零件的有效加工手段之一。众所周知，纳米晶金属箔材

一般成形极限较低、脆性大，而且在微塑性变形过程中表现出明显的尺寸效

应。为此，研究脉冲电流条件下，纳米晶金属箔材的力学响应，特别是不同电

流参数以及不同电流方向条件下，材料的塑性加工性能及尺寸效应显得尤为重

要。为此，本文以纳米晶Ni箔为研究对象，研究其在不同脉冲电流参数及电

流方向条件下的拉伸特性以及尺寸效应，揭示脉冲电流的作用机理，构建材料

的本构模型，为脉冲电流辅助纳米晶金属箔材微塑性成形工艺奠定理论基础。

首先通过脉冲电沉积法，制备了具有不同厚度/晶粒尺寸比（λ）的沉积态

纳米晶Ni箔作为研究对象。随后进行了脉冲电流条件下的单向拉伸实验。实

验中采用的脉冲电流，其占空比为1%，有效电流密度极低。基本消除了焦耳

热效应对实验结果的影响。通过调整电极夹持位置，改变了电流方向与试样变

形方向的夹角。实验结果表明，当300λ1100时，纳米晶Ni抗拉强度和延

伸率随λ增大而增大，呈现出“越小越弱”的尺寸效应现象，施加电流场后产

生了明显的电致塑性效应，脉冲电流导致试样流动应力降低，延伸率提高，并

且电致塑性存在一定的饱和性。此外还发现电流能够在一定程度上削弱纳米晶

Ni箔的尺寸效应，当电流峰值密度为200A/mm2时，箔材的尺寸效应明显减

弱，最大λ值（1100）箔材与最小λ值（300）箔材的抗拉强度差异值由无电

流时的335MPa降至195MPa。电流方向和变形方向夹角同样影响纳米晶Ni

箔的力学响应，当电流方向与变形方向夹角为0°时，电致塑性效果最好，电流

对材料尺寸效应的消减效果最显著；随着夹角的增加，该作用效果逐渐减弱。

当电流方向与变形方向夹角为90°时，电流对材料力学性能的影响最弱。

利用TEM、TKD等手段对脉冲电流作用下纳米晶Ni的单向拉伸变形进行

了机理分析。发现施加的脉冲电流提高了纳米晶晶界的活性，促进了位错的运

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动，降低了位错缠结的倾向。电流峰值密度越高、电流方向与变形方向夹角越

小，变形后纳米晶箔材的晶界取向差越小、晶粒取向越分散、几何必须位错

（GND）密度的越低。因此，可以推断，上述因素促进了晶粒的转动，提升了

GND的运动能力，抑制了GND在纳米晶晶界附近的塞积，增强了晶间协调变

形的能力，提高了变形的均匀性与协调性，从而提升了塑性，并在一定程度上

减弱了纳米晶箔材的尺寸效应。

以脉冲电流条件下的拉伸实验数据为基础，在J-C本构模型中引入了描述

电流密度、电流方向和箔材厚度/晶粒尺寸比（λ）的参数，通过数值拟合的方

法，建立了电流条件下可描述纳米晶Ni箔尺寸效应的唯象型本构方程，并进

行了实验验证，结果表明本构模型具有较高的准确性与可靠性。

关键词纳米晶Ni；尺寸效应；电致塑性效应；电流方向

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StudyontheEffectofPulseCurrentanditsApplied

DirectionontheSizeEffectofNanocrystallineNi

Foil

Abstract

Pulsed-current-assistedmicroformingofnanocrystallinemetalfoilshasreceived

extensiveattentionint