[发明专利]变截面剪切挤压技术

说明书

技术领域

本发明属于通过机械加工制备高性能金属材料技术领域，是一种简单挤压产生剧烈塑性变形制备超细晶以提高金属力学及机械性能的方法。 

背景技术

在金属材料的多种强化方式中，细晶强化可同时提高材料的强度和韧性，超细晶材料由于其优越的力学及机械性能一直以来就是科学研究的重点方向。 

大塑性变形技术(Severe Plastic Deformation，简称SPD)具有强烈的晶粒细化能力，可以直接将材料内部组织细化到亚微米乃至纳米级，已被国际材料学界公认为是制备块状纳米和超细晶材料最有前途的方法。大塑性变形技术主要包括：等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing，ECAP)、累积轧(AccumulativeRoll Bonding，ARB)、往复挤压(Cyclic Extrusion Compression，CEC)、多向锻造(Muhiple Forging)和连续变断面循环挤压法等。受到各行业对高性能材料强烈需求的推动，国内外对细晶材料及其制备技术的研究十分活跃。 

之前也有报告提出剪切挤压变形的方法，在特定的挤压通道内，材料横截面积不发生变化，而横截面形状发生变化。方形试样在通道内先挤压变形为平行四边形，后还原为方形，此过程经历的剧烈塑性变形，产生了大量超细晶。但上述方法中段方形材料变形成平行四边形，材料内部必会产生一定的损伤，使材料的力学及机械性能下降。 

在此背景下本发明提出一种新式的剧烈塑性变形方法——变截面剪切挤压变形制备高强度的超细晶材料。 

发明内容：

本发明针对目前剪切挤压制备超细晶微观损伤严重的问题，给出了一种新型塑性成形方法制备工程结构用高质量块体材料的新方法，具有既能发挥剧烈塑性成形强烈剪切变形细化晶粒的能力，同时又能通过提高变形区静水压力闭合成形过程中的微缺陷，显著提高所制备的超细晶材料质量。附图说明：图1是通道结构三维示意图；图2是入口材料横截面图，中段变形横截面图，出口材料横截面图；图3是入口材料横截面图，中段变形横截面图，出口材料横截面图；图4是入口材料横截面图，中段变形横截面图，出口材料横截面图。 

剪切挤压变形过程中，变形区截面面积保持不变，几何形状发生变化，例如斜双鼓形等形状，如图2，根据静水压力大于零时可对材料内部结构有修复作用的原理，可大大改善材料的力学及机械性能，达到更高的生产要求。 

本发明主要包括以下内容： 

1.剪切挤压变形时，变形区截面面积保持不变，变形可以累积，可进行多道次加工直到材料性能满足要求。 

2.改变变形区金属垂直法线方向的金属流体特征，形成压应力，修复微观材料缺陷。 

本发明工作原理： 

挤压材料使其通过特定形状的通道，过程中产生剪切变形，变形前后材料横截面积不发生改变，此过程可重复实现应变累积。同时，中段变形为双鼓形，变形区材料承受三向静水压力，可以修复微观材料缺陷。 

具体实施方式：

本发明具体实施过程中涉及坯料的制备、挤压设备的选择、剧烈剪切挤压模具的制造、剧烈塑性成形挤压变形以及经剧烈塑性成形后的材料组织结构及性能的测试分析。 

一、根据最终成形材料构件的几何尺寸设计加工相应的坯料。由于剪切挤压不改变材料变形前后截面形状，可以反复变形，因此坯料几何尺寸可以与最终所需材料几何尺寸相同，仅留少量加工余量即可。 

二、模具的制造。根据对成形材料构件的要求设计挤压通道模具。 

三、根据剧烈塑性成形工艺进行变截面形状剪切挤压剧烈塑性成形，依托交替的剧烈轴对称剪切变形进行晶粒细化。在此需要注意的是剧烈塑性成形过程需要配合良好的润滑，可选用二硫化钼或高性能纳米润滑剂。 

四、对完成加工过程的棒材进行宏观材料性能及微观组织测试，分析最终材料性能及组织特点，对于未满足设计要求的棒材进行进一步复合剧烈塑性成形加工。 

五、最终成形件的表面处理、截断及后继加工。对于经测试分析的材料进行表面处理，并根据零件尺寸进行截断及后继加工。 

实施例1