[发明专利]一种利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法

说明书

技术领域

本发明属于超细晶材制备技术领域，特别涉及一种利用镦挤大变形制备超细晶粒的方法。

背景技术

超细晶材料因具有良好的塑性、韧性和较高的强度，拥有好的综合力学性能。对于超细晶坯料而言，获得超细晶的加工方法是最关键的问题之一，是保证获得具有均匀的超细晶粒微观组织结构是主要的技术问题。

利用大塑性变形制备块体超细晶材料成为制备块体超细晶材料的有效途径之一。它是利用材料在塑性变形中交织的剪切变形，实现晶粒细化。在低于再结晶温度下，交织的剪切变形使块体材料的粗晶内部形成大角度晶界，导致晶粒细化，从而直接将材料的内部组织细化。因此，实现多方向的、大的塑性变形，是利用大塑性变形制备超细晶材料的关键。

目前利用大塑性变形制备块体超细晶材料的主要方法有：径角挤压法，高压扭转法，叠轧合法，反复折皱压直法，循环挤压法等，利用这些方法，可以使晶粒细化到亚微米。

自由锻造过程简单，容易实现，据报道采用多向自由锻造，在0.1～0.5T_熔的温度范围内，对纯Ti及Ti合金、镁合金进行变形处理，可以获得晶粒尺寸为50～500nm的超细块体材料；铸态AZ80镁合金在300℃左右进行多向自由锻造，经过7道次锻造的变形，获得1—2微米的细晶组织。但是，在自由锻造时，由于变形的不均匀性，在坯料内部容易产生拉应力作用，从而导致裂纹，使变形无法进一步进行，因而无法进一步细化晶粒。因此，利用自由锻造过程，仅能进行几道次的变形，无法实现坯料的大变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于多种材料、利用两套模具进行反复镦挤实现材料大变形制备超细晶粒的方法，能够克服由于变形的不均匀性，在坯料内部容易产生拉应力作用，从而导致裂纹的缺陷。

本发明使坯料的内部微观组织变成超细晶粒的原理是镦挤变形时，坯料内部在与受力方向呈45度角的方向上产生平行的滑移带，将变形后的坯料沿周向水平旋转或垂直旋转90度，在下一次镦挤变形时，产生的新的滑移带与上一次变形产生的滑移带呈90度，两次变形产生的滑移带相互交织，形成网状分布，实现坯料内部组织的细化过程。通过多次的镦挤变形过程，利用反复的、不同方向的变形，获得具有超细晶粒内部组织的坯料。

在镦挤变形时，坯料在与受力方向呈90度的方向产生水平滑动，并且由于摩擦力的作用使变形不均匀，形成凸肚现象，产生拉应力作用，使坯料在变形过程中容易产生裂纹，使变形无法继续进行。本发明是利用模具的型腔，限制凸肚的产生，同时通过控制变形量，使坯料的变形均匀，减小坯料在墩粗变形时的拉应力作用，推迟或消除由于拉应力导致的裂纹，实现在两套模具中的反复镦挤变形过程。

本发明利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法的技术解决方案是：将两套型腔尺寸不同的模具组合在一起，将坯料(5)放入第一套模具的镦挤凹模(2)内，镦挤冲头(1)向下镦挤坯料(5)，使坯料(5)充满镦挤凹模(2)的型腔，然后，取出变形后的坯料(5)，改变坯料(5)的方向，放入第二套模具的镦挤凹模(2)内，镦挤冲头(1)向下镦挤坯料(5)，使坯料(5)充满镦挤凹模(2)的型腔，然后，取出变形后的坯料(5)，改变坯料(5)的方向，重新放入第一套模具的镦挤凹模(2)内，再使坯料(5)发生变形，通过坯料(5)在第一套模具和第二套模具中的反复的墩粗变形，实现坯料(5)的大变形，使坯料(5)的内部微观组织变成超细晶粒。

第一套模具的镦挤凹模(2)横截面尺寸长a1、宽b1与第二套模具的镦挤凹模(2)横截面尺寸长a2、宽b2，满足a1>a2；b1＝b2的关系。

坯料(5)经过第一套模具变形后的高度h1<b2或h1<a2；经过第二套模具变形后的高度h2<b1或h2<a1。

坯料(5)发生变形时，每次变形的方法是将坯料(5)沿周向旋转角度，即对于变形一次的坯料，在下一次变形时与沿周向水平旋转或垂直旋转90度。

在进行变形时，镦挤冲头(1)向下的速度在1mm/min到10m/s之间变化。

变形过程在室温下进行，也可以在高温下进行，加热温度T低于坯料(5)材料的再结晶T_在，即T<T_在。

利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的设备，包括镦挤冲头(1)、镦挤凹模(2)。镦挤冲头(1)和镦挤凹模(2)连接在一起，放置在支撑垫板(3)，必要时，将连接在一起的镦挤冲头(1)、镦挤凹模(2)和支撑垫板(3)放置在加热套(4)内。