變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細(xì)晶的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬塑性加工領(lǐng)域，涉及變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細(xì)晶的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大塑性變形技術(shù)(SPD)作為一種能夠有效細(xì)化晶粒，提高材料力學(xué)性能的深度塑 性變形方法，在制備細(xì)晶材料方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前，受到科學(xué)界青睞的大塑性變形技 術(shù)有等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)(ECAP)、往復(fù)擠壓技術(shù)(CEC)、高壓扭轉(zhuǎn)變形技術(shù)(HPT)等，這些制 備細(xì)晶材料的方法得到了廣泛應(yīng)用。上述大塑性變形方法還存在著諸多問題，需要加以克 月艮。ECAP在制備的細(xì)晶材料存在著織構(gòu)傾向，試樣在變形過程中，變形區(qū)較小，擠壓道次較 多等問題。CEC、HPT制備細(xì)晶材料時(shí)，因?yàn)槟＞咝枰惺艿膲毫^大，因?yàn)橹苽涞牟牧铣叽?較小。往復(fù)擠壓過程中，由于工件受到約束，因而易開裂。近年新出連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓技 術(shù)(CVCE)，連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓過程中，工件變形量較小，易造成晶粒大小分布不均勻。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題或缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種變斷面轉(zhuǎn) 角擠壓制備細(xì)晶的裝置及其方法。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] 變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細(xì)晶的裝置，包括模具和擠壓桿，所述模具內(nèi)設(shè)置有圓柱體 模腔和圓臺(tái)體模腔；圓柱體模腔和圓臺(tái)體模腔相連通，二者連接位置形成轉(zhuǎn)角;擠壓工件在 擠壓桿的作用下，在圓柱體模腔和圓臺(tái)體模腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0006] 具體地，所述擠壓桿包括第一擠壓桿和第二擠壓桿，第一擠壓桿與圓柱體模腔配 合使用，第二擠壓桿與圓臺(tái)體模腔配合使用。
[0007] 進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)角的外角Ψ的大小為0°-18°。
[0008] 進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)角的內(nèi)角Φ的半徑大小為0-9_。
[0009] 進(jìn)一步地，所述圓臺(tái)體模腔的錐度α的大小為5°-7°。
[0010] 進(jìn)一步地，所述內(nèi)角Φ的大小為94°-97°。
[0011]應(yīng)用所述的變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細(xì)晶的裝置進(jìn)行擠壓的方法，具體包括以下步 驟：
[0012] 步驟1，將擠壓工件放置在圓柱體模腔內(nèi)，利用擠壓桿對(duì)擠壓工件進(jìn)行擠壓，擠壓 工件在壓力作用下經(jīng)過轉(zhuǎn)角進(jìn)行轉(zhuǎn)角變形后，到達(dá)圓臺(tái)體模腔，在圓臺(tái)體模腔內(nèi)形成圓臺(tái) 體；
[0013] 步驟2,將裝置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，利用擠壓桿對(duì)圓臺(tái)體模腔內(nèi)的擠壓工件進(jìn)行擠壓， 擠壓工件經(jīng)過轉(zhuǎn)角進(jìn)行轉(zhuǎn)角變形，進(jìn)入圓柱體模腔中，成型為圓柱體；
[0014] 步驟3,將擠壓工件取出，并首尾顛倒，重復(fù)步驟1和2,則擠壓過程結(jié)束。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：
[0016] 1、本發(fā)明的裝置將圓柱體模腔和圓臺(tái)體模腔相結(jié)合，即將擠壓工件的純剪切變形 和擠壓工件的墩粗變形相結(jié)合，不僅使得擠壓工件的晶粒細(xì)化的效率和均勻性得到提高， 并且使得在變形過程中諸如容易開裂、易出現(xiàn)鼓型及表層缺陷等純剪切變形和墩粗變形的 缺陷消失。
[0017] 2、本發(fā)明的裝置在一次擠壓過程中，擠壓工件始終處于模具當(dāng)中，可以減少擠壓 工件的熱能損失，同時(shí)可以確保變形過程中沒有其他的贓物被壓入擠壓工件中。
[0018] 3、本發(fā)明的裝置設(shè)置轉(zhuǎn)角，目的在于使得擠壓工件在轉(zhuǎn)角完成后晶粒得到一定程 度的細(xì)化，隨之進(jìn)行變斷面變形，擠壓工件在圓柱體模腔內(nèi)完成第一次變形之后，在轉(zhuǎn)角處 受到連續(xù)的整體性壓力，使得在剪切應(yīng)力下的擠壓工件受到的擠壓變形力更加均勻，使得 晶粒細(xì)化程度提高并且更加均勻。
[0019] 4、本發(fā)明的擠壓方法為一種新的細(xì)化晶粒方法，克服了現(xiàn)有轉(zhuǎn)角擠壓和循環(huán)變斷 面的技術(shù)問題，變斷面擠壓可以使得在轉(zhuǎn)角擠壓工件內(nèi)外角的死區(qū)減少，轉(zhuǎn)角變形使得循 環(huán)變斷面擠壓過程中工件中部變形不均勻甚至不變形的情況消失;可以使得材料細(xì)化速率 提高，并且使得材料細(xì)化程度提高，效率提高，大大節(jié)約時(shí)間成本和能耗成本。
[0020] 5、本發(fā)明的變斷面轉(zhuǎn)角擠壓裝置和方法可以通過其原理可以實(shí)現(xiàn)材料的冷擠壓， 同時(shí)也可以滿足熱擠壓的要求，設(shè)備較為簡(jiǎn)單，同時(shí)操作較為方便。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為變斷面轉(zhuǎn)角擠壓工件變形機(jī)理分析示意圖；
[0023]圖3為擠壓工件為圓臺(tái)體和圓柱體的示意圖；其中，（a)為圓臺(tái)體，（b)為圓柱體； [0024]圖4為擠壓工件變形死角示意圖；
[0025] 圖5為采用本發(fā)明的裝置及方法獲取的工件金相組織圖片；
[0026] 圖6為采用變斷面循環(huán)擠壓方式制備樣品的金相組織圖片
[0027] 圖中標(biāo)號(hào)代表：1 一擠壓桿，hi一第一擠壓桿一第二擠壓桿，2一模具，3一轉(zhuǎn) 角，4一圓臺(tái)體模腔，5-圓柱體模腔，6-擠壓工件，7-第一變形死區(qū)，8-第二變形死區(qū)。
[0028] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的方案做進(jìn)一步詳細(xì)地解釋和說明。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 遵從上述技術(shù)方案，參見圖1，本發(fā)明的變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細(xì)晶的裝置，包括模 具2和擠壓桿1，所述模具2內(nèi)設(shè)置有圓柱體模腔5和圓臺(tái)體模腔4,圓臺(tái)體模腔4的錐度為α; 圓柱體模腔5和圓臺(tái)體模腔4相連通，二者連接位置形成轉(zhuǎn)角3;擠壓工件6在擠壓桿1的作用 下，在圓柱體模腔5和圓臺(tái)體模腔4內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中，圓柱體模腔5豎直設(shè)置，圓臺(tái)體模腔4 水平設(shè)置。
[0030] 本發(fā)明的裝置的工作原理為:將擠壓工件6放置在圓柱體模腔5內(nèi)，利用擠壓桿1對(duì) 擠壓工件6進(jìn)行擠壓，擠壓工件6在壓力作用下經(jīng)過轉(zhuǎn)角3進(jìn)行轉(zhuǎn)角變形后到達(dá)圓臺(tái)體模腔 4,在圓臺(tái)體模腔4內(nèi)形成圓臺(tái)體;將裝置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，利用擠壓桿1對(duì)圓臺(tái)體模腔4內(nèi)的 擠壓工件6進(jìn)行擠壓，擠壓工件6經(jīng)過轉(zhuǎn)角3進(jìn)行轉(zhuǎn)角變形，進(jìn)入圓柱體模腔5中，成型為圓柱 體;上述過程完成后，由于轉(zhuǎn)角3的存在，導(dǎo)致擠壓工件6存在一定的變形"死區(qū)"，因而需對(duì) 擠壓工件6進(jìn)行二次擠壓，即將擠壓工件6取出，并首尾顛倒，重復(fù)以上步驟，則擠壓過程結(jié) 束。
[0031] 本發(fā)明的裝置將圓柱體模腔5和圓臺(tái)體模腔4相結(jié)合，即將擠壓工件6的純剪切變 形和擠壓工件6的墩粗變形相結(jié)合，不僅使得擠壓工件6的晶粒細(xì)化的效率和均勻性得到提 高，并且使得在變形過程中諸如容易開裂、易出現(xiàn)鼓型及表層缺陷等純剪切變形和墩粗變 形的缺陷消失。
[0032] 本發(fā)明的裝置在一次擠壓過程中，擠壓工件6始終處于模具2當(dāng)中，可以減少擠壓 工件6的熱能損失，同時(shí)可以確保變形過程中沒有其他的臟物被壓入擠壓工件6中。
[0033] 本發(fā)明的裝置設(shè)置轉(zhuǎn)角3,目的在于保證擠壓工件6在轉(zhuǎn)角3變形后晶粒得到一定 程度的細(xì)化，隨之進(jìn)行變斷面變形，擠壓工件6在圓柱體模腔5內(nèi)完成第一次變形之后，在轉(zhuǎn) 角3處受到連續(xù)的整體性壓力，使得在剪切應(yīng)力下的擠壓工件6受到的擠壓變形力更加均 勻，使得晶粒細(xì)化程度提高并且更加均勻。
[0034] 所述擠壓桿1包括第一擠壓桿1-1和第二擠壓桿1-2,第一擠壓桿1-1的直徑比第二 擠壓桿1-2的直徑大2atanamm，第一擠壓桿1-1與圓柱體模腔5配合使用，第二擠壓桿1-2與 圓臺(tái)體模腔4配合使用，其中，a為擠壓工件6的高度。
[0035]參見圖2,假設(shè)本發(fā)明的裝置的轉(zhuǎn)角3的內(nèi)角為Φ，內(nèi)角Φ的中心點(diǎn)為〇,外角為Ψ， 本發(fā)明的裝置的應(yīng)變量分別兩部分，第一部分為剪切變形后的剪切應(yīng)變量，第二部分為在 進(jìn)行變斷面擠壓后的真應(yīng)變量。在進(jìn)行剪切應(yīng)變量的計(jì)算時(shí)，假設(shè)在擠壓過程中，材料的流 動(dòng)均勻且連續(xù)，忽略擠壓工件6與模具2之間的摩擦力，那么在擠壓過程中，材料的流動(dòng)速度 一致，即有V!6i：= V7jc平，在同樣時(shí)間內(nèi)，水平方向移動(dòng)材料的位移和豎直方向材料的路徑相 等，因而可以選擇任意一個(gè)變形單元，通過幾何分析的方法獲取變形的機(jī)理。
[0036]參見圖2，選取變形單元abed，經(jīng)過變斷面轉(zhuǎn)角擠壓之后變?yōu)榈冗吿菪蝍 ' b ' c ' d '， 過c'點(diǎn)坐c'f丄ef，且有c'e| |na'，a'b' I |c'd'其中，n為oa'與轉(zhuǎn)角的交點(diǎn)，ef為水平線，d'r 與水平線的夾角為a，d'r為圓臺(tái)體模腔4的底壁，由于變形過程中有v!gi：= v水平，貝lj:
[0037] b7 cf cosa = bc = ad = a/ d7 cosa
[0038] 由于材料在流動(dòng)過程中各質(zhì)點(diǎn)的材料流動(dòng)速度一致，則在相同時(shí)間內(nèi)，材料流經(jīng) 過的路徑一致，則有：
[0039] dm+ma7 +a7 d7 = cn+nb7 +b7 cf
[0040] 其中，
[0041] ma'=omX Ψ，cn = ocX Ψ
[0042] 貝lj
[0043] nt/ =dm+(om_oc) X Ψ
[0044] 目i由幾何關(guān)系可以得到：
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