[发明专利]一种等通道转角挤压制备细晶金属材料的方法

说明书

技术领域

本发明属金属材料成形技术领域，具体涉及一种等通道转角挤压制备细晶金属材料的方法。

背景技术

根据Hall-Petch函数关系，晶粒的平均尺寸越小，金属的变形抗力越大；同时，晶粒尺寸减小，金属的韧性指数也会提高，因此金属显微组织细化是同时提高金属材料强度和韧性的有效手段。等通道转角挤压(Equal Channel Angular Processing，简称 ECAP)是一种利用纯剪切变形实现材料晶粒细化的大塑性变形加工方法，是目前获得块状超细晶材料的重要方法之一，已引起国内外材料界的极大关注。等径角挤压是20世纪80年代由前苏联学者Segal提出的，在进行ECAP挤压过程中样品的横截面积不变，因此，可以通过多道次挤压实现对材料的剧烈塑性变形成功获得亚微米晶甚至纳米晶材料，因此这种技术不仅有良好的研究价值，也具有非常广阔的应用前景。

在等通道转角挤压过程中，挤压道次和金属通过通道时的方向对于显微组织的细化十分重要。目前，根据样品在每道次间旋转方向和角度的不同，等通道转角挤压的工艺路线共有四种路径，如说明书附图图1所示，路径A ：每道次挤压后，试样不旋转，直接进行下一道次挤压；路径B_A ：每道次挤压后，试样按90°交替旋转进行挤压；路径B_C：每道次挤压后，试样按同一方向旋转90°，进入下一道次；路径C ：每道次挤压后，试样旋转180°后，进入下一道次。 根据目前的文献报道，都是按照传统这几种工艺路径进行对比试验，研究工艺路径对材料晶粒细化效果的影响，却得出了不同的看似矛盾的实验结果。而到目前为止，采取何种加工路线能够最有效地细化晶粒尚无统一认识，尚未找到最有效的挤压变形工艺路线，而解决这一难题至关重要。

上述对ECAP路线的分类有一定的局限性，忽略了圆形试样可以在相邻道次间旋转角度的自由性，方形试样在相邻道次间只能旋转90°的整数倍，而圆形试样则不然，它可以在进入下一个挤压道次前旋转任意角度。而现有的ECAP法虽然有很多优点，但也存在不足之处，例如生产效率低，通常要进行多道次的变形，才能得到均匀细小的晶粒，因此急需找到金属材料进行ECAP变形的最优挤压路径，减少挤压道次，提高生产效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种等通道转角挤压制备细晶金属材料的方法，目的是通过扩展挤压路径，提高ECAP的细化效果，减少挤压道次，扩大ECAP的应用范围。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）首先将金属锭坯在挤压机上挤压成圆棒，然后制成与挤压模具圆柱形内腔的直径尺寸相匹配的圆柱形坯料；

（2）在圆柱形坯料表面、挤压模具型腔和挤压杆表面涂抹润滑剂，将圆柱形坯料置于挤压模具内进行挤压，每道次挤压结束后切去挤压件的舌头和舌尾，将坯料沿顺时针或逆时针方向旋转角度θ，0°＜θ＜90°或90°＜θ＜180°，再进行下一道次挤压，共进行2~12道次，得到晶粒细化的金属细晶挤压材料。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

（1）本发明在冷挤压前将润滑剂均匀地涂抹于模具型腔、挤压杆表面和挤压件表面，对挤压件进行适当的表面处理和润滑，可使在冷挤压过程中，获得适合于塑性变形条件，从而大大降低摩擦系数，降低载荷，减小模具磨损，延长其使用寿命；

（2）金属材料晶粒细化机理一般是在反复挤压过程中，首先，粗大晶粒被粉碎成一系列具有小角度界面的亚晶，亚晶沿着一定方向拉长形成带状组织，亚晶带宽度一般为几微米或几亚微米；然后，亚晶被继续破坏，开始出现部分具有大角度界面的等轴晶组织；最后，亚晶带消失，显微组织主要为具有大角度晶界的等轴晶组织；

现有的传统挤压技术中，将挤压件的挤压路径的限定为90°或90°的整数倍，而本发明采用圆形金属试样在ECAP每道次挤压之间旋转任意角度θ，在位错开动→位错缠结形成位错墙→亚结构→小角晶界→大角晶界链条上明显优于仅仅为90°或90°的整数倍的传统路线，这是由于相邻道次剪切面的夹角，有利于位错的开动和滑移，从而加速了上述链条的演化，利用这种挤压路径能够大大减少金属材料的ECAP道次，提高生产率；

对于具有不同晶体结构的金属材料，只要选择合适的挤压模具，并在挤压过程旋转适当角度，使试样在ECAP 过程中相邻2 次挤压的剪切平面相互交割成接近滑移面之间夹角的角度，便可大大提高细化效果，缩短挤压流程；