電致塑性變斷面轉(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，涉及電致塑性變斷面轉(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，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。
[0003] 在金屬塑性變形的過程中，在材料變形的方向輔助以電流，電流會(huì)位錯(cuò)施加電子 風(fēng)力作用，從而促進(jìn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，降低材料的變形抗力，及提高材料的塑性(成型性），這個(gè) 現(xiàn)象稱為電致塑性現(xiàn)象。國內(nèi)外研究表明，電致塑性可以達(dá)到細(xì)化晶粒，提高材料塑性和強(qiáng) 度的效果，較少變形過程中的裂紋等缺陷，使得成型性更好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 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，提供一種電致塑性 變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細(xì)晶的裝置及其方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006]電致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細(xì)晶的裝置，包括模具和擠壓桿，所述裝置還包括 加電裝置，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);加電裝置用于對(duì)擠壓工件施加電流。
[0007] 具體地，所述加電裝置包括電源和變壓器，二者通過導(dǎo)線連接，二者連接形成的電 路的兩端均與所述擠壓工件連接。
[0008] 進(jìn)一步地，所述裝置還包括導(dǎo)電擠壓裝置，所述加電裝置一端通過導(dǎo)電擠壓裝置 與所述擠壓工件連接。
[0009] 具體地，所述導(dǎo)電擠壓裝置包括第一導(dǎo)電擠壓桿，第一導(dǎo)電擠壓桿與所述圓臺(tái)體 模腔配合使用，第一導(dǎo)電擠壓桿的兩端分別連接所述擠壓工件和加電裝置。
[0010]進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電擠壓裝置還包括第二導(dǎo)電擠壓桿和壓力器，第二導(dǎo)電擠壓桿 的兩端分別連接壓力器和所述擠壓工件，壓力器連接所述的加電裝置。
[0011] 進(jìn)一步地，其特征在于，所述轉(zhuǎn)角的外角Ψ的大小為0°-18°。
[0012] 進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)角的內(nèi)角Φ的半徑大小為〇-9mm,所述內(nèi)角Φ的大小為94° -97°。
[0013] 進(jìn)一步地，所述圓臺(tái)體模腔的錐度α的大小為5°-7°。
[0014] 進(jìn)一步地，加電裝置中通過的電流大于106A/m2。
[0015] 應(yīng)用所述的電致塑性變斷面轉(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：
[0016] 步驟1，開啟加電裝置，對(duì)擠壓工件施加電流；
[0017] 步驟2,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；
[0018] 步驟3,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；
[0019] 步驟4,將擠壓工件取出，并首尾顛倒，重復(fù)步驟1~3,則擠壓過程結(jié)束。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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)備較為簡單，同時(shí)操作較為方便。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為變斷面轉(zhuǎn)角擠壓工件變形機(jī)理分析示意圖；
[0028]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； [0029]圖4為擠壓工件變形死角示意圖；
[0030] 圖5為電致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓7道次之后的工件表面；
[0031] 圖6為變斷面循環(huán)擠壓2道次后工件外形；
[0032]圖中標(biāo)號(hào)代表：1 一模具，2-擠壓桿，3-加電裝置，3-1-電源，3-2-變壓器，4一 圓柱體模腔，5-圓臺(tái)體模腔，6-轉(zhuǎn)角，7-擠壓工件，8-導(dǎo)電擠壓裝置，8-1-第一導(dǎo)電擠 壓桿，8-2-第二導(dǎo)電擠壓桿，8-3-壓力器，9一第一變形死區(qū)，10-第二變形死區(qū)。
[0033] 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】
[0034] 遵從上述技術(shù)方案，參見圖1，本發(fā)明的電致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細(xì)晶的裝 置，包括模具1和擠壓桿2,所述裝置還包括加電裝置3,所述模具1內(nèi)設(shè)置有圓柱體模腔4和 圓臺(tái)體模腔5;圓柱體模腔4和圓臺(tái)體模腔5相連通，二者連接位置形成轉(zhuǎn)角6;擠壓工件7在 擠壓桿2的作用下，在圓柱體模腔4和圓臺(tái)體模腔5內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng);加電裝置3用于對(duì)擠壓工件7 施加電流。
[0035] 本發(fā)明的裝置的工作原理為:將擠壓工件7放置在圓柱體模腔4內(nèi)，利用加電裝置3 對(duì)擠壓工件7施加電流，利用擠壓桿2對(duì)擠壓工件7進(jìn)行擠壓，擠壓工件7在壓力作用下經(jīng)過 轉(zhuǎn)角6進(jìn)行轉(zhuǎn)角變形后到達(dá)圓臺(tái)體模腔5,在圓臺(tái)體模腔5內(nèi)形成圓臺(tái)體;將裝置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°，利用擠壓桿2對(duì)圓臺(tái)體模腔5內(nèi)的擠壓工件7進(jìn)行擠壓，擠壓工件7經(jīng)過轉(zhuǎn)角6進(jìn)行轉(zhuǎn)角 變形，進(jìn)入圓柱體模腔4中，成型為圓柱體;上述過程完成后，由于轉(zhuǎn)角6的存在，導(dǎo)致擠壓工 件7存在一定的變形死區(qū)，因而需對(duì)擠壓工件7進(jìn)行二次擠壓，即將擠壓工件7取出，并首尾 顛倒，重復(fù)以上步驟，則擠壓過程結(jié)束，上述擠壓過程為一個(gè)循環(huán)過程。
[0036] 本發(fā)明的裝置將圓柱體模腔4和圓臺(tái)體模腔5相結(jié)合，即將擠壓工件7的純剪切變 形和擠壓工件7的墩粗變形相結(jié)合，不僅使得擠壓工件7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。
[0037] 本發(fā)明的裝置在一次擠壓過程中，擠壓工件7始終處于模具1當(dāng)中，可以減少擠壓 工件7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7中。
[0038] 本發(fā)明的裝置設(shè)置轉(zhuǎn)角6,目的在于保證擠壓工件7在轉(zhuǎn)角6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7在圓柱體模腔4內(nèi)完成第一次變形之后，在轉(zhuǎn) 角6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7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。
[0039] 本發(fā)明設(shè)置加電裝置，對(duì)擠壓工件7施加電流，電流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電子風(fēng)力可以促進(jìn) 位錯(cuò)移動(dòng)，添加以交流電流可以使得位錯(cuò)往阻力最小的方向運(yùn)動(dòng)，使得位錯(cuò)塞積減少，使得 金屬的塑性流動(dòng)性更好，使得變斷面轉(zhuǎn)角擠壓變形過程中的變形死區(qū)減少；電流在流經(jīng)模 具1和擠壓工件7時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，熱量同樣會(huì)使得金屬的塑性得到提高，并且可以使得熱 變形工件所需要加熱的時(shí)間減少。
[0040] 所述加電裝置3包括電源3-1和變壓器3-2,二者通過導(dǎo)線連接，二者連接形成的電 路的兩端均與所述擠壓工件7連接。
[0041] 為了簡化加電裝置3與擠壓工件7的連接，所述裝置還包括導(dǎo)電擠壓裝置8,所述加 電裝置3-端通過導(dǎo)電擠壓裝置8與擠壓工件7連接。所述導(dǎo)電擠壓裝置8包括第一導(dǎo)電擠壓 桿8-1，第一導(dǎo)電擠壓桿8-1與所述圓臺(tái)體模腔5配合使用，第一導(dǎo)電擠壓桿8-1的兩端分別 連接所述擠壓工件7和加電裝置3。所述第一導(dǎo)電擠壓桿8-1用于墩粗變形過程對(duì)擠壓工件7 進(jìn)行擠壓，將擠壓工件7由圓臺(tái)體變?yōu)閳A柱體，同時(shí)，起到連接加電裝置3和擠壓工件7的作 用。
[0042] 為了使得在擠壓工件7在由圓柱體變?yōu)閳A臺(tái)體時(shí)金屬在模具2外角處的變形死區(qū) 減少，材料在流動(dòng)過程中的均勻性得到提高，同時(shí)防止擠壓工件7表面出現(xiàn)裂紋，對(duì)擠壓工 件7施加背向壓力，【具體實(shí)施方式】為:導(dǎo)電擠壓裝置8還包括第二導(dǎo)電擠壓桿8-2和壓力器8-3,第二導(dǎo)電擠壓桿8-2的兩端分別連接壓力器8-3和所述擠壓工件7,壓力器8-3連接所述的 加電裝置3。背向壓力的大小確定可根據(jù)變形材料變形的難易程度進(jìn)行確定，在電流合適的 情況下，可不必添加背向壓力。
[0043]假設(shè)本發(fā)明的裝置的轉(zhuǎn)角6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7與模具1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 Vffi=V水τ，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。
[0044] 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Vige= V水平，則:
[0045] W C7 cosa = bc = ad = a/ d7 cosa
[0046] 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