電致塑性變斷面轉角擠壓制備細晶的裝置及其方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬塑性加工領域，涉及電致塑性變斷面轉角擠壓制備細晶的裝置及 其方法。
【背景技術】
[0002] 大塑性變形技術(SPD)作為一種能夠有效細化晶粒，提高材料力學性能的深度塑 性變形方法，在制備細晶材料方面具有明顯的優勢，目前，受到科學界青睞的大塑性變形技 術有等通道轉角擠壓技術(ECAP)、往復擠壓技術(CEC)、高壓扭轉變形技術(HPT)等，這些制 備細晶材料的方法得到了廣泛應用。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在制備的細晶材料存在著織構傾向，試樣在變形過程中，變形區較小，擠壓道次較 多等問題。CEC、HPT制備細晶材料時，因為模具需要承受的壓力過大，因為制備的材料尺寸 較小。往復擠壓過程中，由于工件受到約束，因而易開裂。近年新出連續變斷面循環擠壓技 術(CVCE)，連續變斷面循環擠壓過程中，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，電流會位錯施加電子 風力作用，從而促進位錯的運動，降低材料的變形抗力，及提高材料的塑性(成型性），這個 現象稱為電致塑性現象。國內外研究表明，電致塑性可以達到細化晶粒，提高材料塑性和強 度的效果，較少變形過程中的裂紋等缺陷，使得成型性更好。
【發明內容】
[0004] 針對上述現有技術中存在的問題或缺陷，本發明的目的在于，提供一種電致塑性 變斷面轉角擠壓制備細晶的裝置及其方法。
[0005] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0006]電致塑性變斷面轉角擠壓制備細晶的裝置，包括模具和擠壓桿，所述裝置還包括 加電裝置，所述模具內設置有圓柱體模腔和圓臺體模腔；圓柱體模腔和圓臺體模腔相連通， 二者連接位置形成轉角;擠壓工件在擠壓桿的作用下，在圓柱體模腔和圓臺體模腔內往復 運動;加電裝置用于對擠壓工件施加電流。
[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] 進一步地，所述裝置還包括導電擠壓裝置，所述加電裝置一端通過導電擠壓裝置 與所述擠壓工件連接。
[0009] 具體地，所述導電擠壓裝置包括第一導電擠壓桿，第一導電擠壓桿與所述圓臺體 模腔配合使用，第一導電擠壓桿的兩端分別連接所述擠壓工件和加電裝置。
[0010]進一步地，所述導電擠壓裝置還包括第二導電擠壓桿和壓力器，第二導電擠壓桿 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] 進一步地，其特征在于，所述轉角的外角Ψ的大小為0°-18°。
[0012] 進一步地，所述轉角的內角Φ的半徑大小為〇-9mm,所述內角Φ的大小為94° -97°。
[0013] 進一步地，所述圓臺體模腔的錐度α的大小為5°-7°。
[0014] 進一步地，加電裝置中通過的電流大于106A/m2。
[0015] 應用所述的電致塑性變斷面轉角擠壓制備細晶的裝置進行擠壓的方法，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，利用擠壓桿對擠壓工件進行擠壓，擠壓 工件在壓力作用下經過轉角進行轉角變形后，到達圓臺體模腔，在圓臺體模腔內形成圓臺 體；
[0018] 步驟3,將裝置逆時針旋轉90°，利用擠壓桿對圓臺體模腔內的擠壓工件進行擠壓， 擠壓工件經過轉角進行轉角變形，進入圓柱體模腔中，成型為圓柱體；
[0019] 步驟4,將擠壓工件取出，并首尾顛倒，重復步驟1~3,則擠壓過程結束。
[0020] 與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：
[0021] 1、本發明的裝置將圓柱體模腔和圓臺體模腔相結合，即將擠壓工件的純剪切變形 和擠壓工件的墩粗變形相結合，不僅使得擠壓工件的晶粒細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、本發明的裝置在一次擠壓過程中，擠壓工件始終處于模具當中，可以減少擠壓 工件的熱能損失，同時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、本發明的裝置設置轉角，目的在于使得擠壓工件在轉角完成后晶粒得到一定程 度的細化，隨之進行變斷面變形，擠壓工件在圓柱體模腔內完成第一次變形之后，在轉角處 受到連續的整體性壓力，使得在剪切應力下的擠壓工件受到的擠壓變形力更加均勻，使得 晶粒細化程度提高并且更加均勻。
[0024] 4、本發明的擠壓方法為一種新的細化晶粒方法，克服了現有轉角擠壓和循環變斷 面的技術問題，變斷面擠壓可以使得在轉角擠壓工件內外角的死區減少，轉角變形使得循 環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;可以使得材料細化速率 提高，并且使得材料細化程度提高，效率提高，大大節約時間成本和能耗成本。
[0025] 5、本發明的變斷面轉角擠壓裝置和方法可以通過其原理可以實現材料的冷擠壓， 同時也可以滿足熱擠壓的要求，設備較為簡單，同時操作較為方便。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明的裝置整體結構示意圖；
[0027]圖2為變斷面轉角擠壓工件變形機理分析示意圖；
[0028]圖3為擠壓工件為圓臺體和圓柱體的示意圖；其中，（a)為圓臺體，（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角擠壓7道次之后的工件表面；
[0031] 圖6為變斷面循環擠壓2道次后工件外形；
[0032]圖中標號代表：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-圓臺體模腔，6-轉角，7-擠壓工件，8-導電擠壓裝置，8-1-第一導電擠 壓桿，8-2-第二導電擠壓桿，8-3-壓力器，9一第一變形死區，10-第二變形死區。
[0033] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的方案做進一步詳細地解釋和說明。
【具體實施方式】
[0034] 遵從上述技術方案，參見圖1，本發明的電致塑性變斷面轉角擠壓制備細晶的裝 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內設置有圓柱體模腔4和 圓臺體模腔5;圓柱體模腔4和圓臺體模腔5相連通，二者連接位置形成轉角6;擠壓工件7在 擠壓桿2的作用下，在圓柱體模腔4和圓臺體模腔5內往復運動;加電裝置3用于對擠壓工件7 施加電流。
[0035] 本發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，利用加電裝置3 對擠壓工件7施加電流，利用擠壓桿2對擠壓工件7進行擠壓，擠壓工件7在壓力作用下經過 轉角6進行轉角變形后到達圓臺體模腔5,在圓臺體模腔5內形成圓臺體;將裝置逆時針旋轉 90°，利用擠壓桿2對圓臺體模腔5內的擠壓工件7進行擠壓，擠壓工件7經過轉角6進行轉角 變形，進入圓柱體模腔4中，成型為圓柱體;上述過程完成后，由于轉角6的存在，導致擠壓工 件7存在一定的變形死區，因而需對擠壓工件7進行二次擠壓，即將擠壓工件7取出，并首尾 顛倒，重復以上步驟，則擠壓過程結束，上述擠壓過程為一個循環過程。
[0036] 本發明的裝置將圓柱體模腔4和圓臺體模腔5相結合，即將擠壓工件7的純剪切變 形和擠壓工件7的墩粗變形相結合，不僅使得擠壓工件7的晶粒細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當中，可以減少擠壓 工件7的熱能損失，同時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] 本發明的裝置設置轉角6,目的在于保證擠壓工件7在轉角6變形后晶粒得到一定 程度的細化，隨之進行變斷面變形，擠壓工件7在圓柱體模腔4內完成第一次變形之后，在轉 角6處受到連續的整體性壓力，使得在剪切應力下的擠壓工件7受到的擠壓變形力更加均 勻，使得晶粒細化程度提高并且更加均勻。
[0039] 本發明設置加電裝置，對擠壓工件7施加電流，電流運動產生的電子風力可以促進 位錯移動，添加以交流電流可以使得位錯往阻力最小的方向運動，使得位錯塞積減少，使得 金屬的塑性流動性更好，使得變斷面轉角擠壓變形過程中的變形死區減少；電流在流經模 具1和擠壓工件7時，會產生焦耳熱，熱量同樣會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，所述裝置還包括導電擠壓裝置8,所述加 電裝置3-端通過導電擠壓裝置8與擠壓工件7連接。所述導電擠壓裝置8包括第一導電擠壓 桿8-1，第一導電擠壓桿8-1與所述圓臺體模腔5配合使用，第一導電擠壓桿8-1的兩端分別 連接所述擠壓工件7和加電裝置3。所述第一導電擠壓桿8-1用于墩粗變形過程對擠壓工件7 進行擠壓，將擠壓工件7由圓臺體變為圓柱體，同時，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在由圓柱體變為圓臺體時金屬在模具2外角處的變形死區 減少，材料在流動過程中的均勻性得到提高，同時防止擠壓工件7表面出現裂紋，對擠壓工 件7施加背向壓力，【具體實施方式】為:導電擠壓裝置8還包括第二導電擠壓桿8-2和壓力器8-3,第二導電擠壓桿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變形材料變形的難易程度進行確定，在電流合適的 情況下，可不必添加背向壓力。
[0043]假設本發明的裝置的轉角6的內角為Φ，內角Φ的中心點為〇，外角為Ψ，本發明的 裝置的應變量分別兩部分，第一部分為剪切變形后的剪切應變量，第二部分為在進行變斷 面擠壓后的真應變量。在進行剪切應變量的計算時，假設在擠壓過程中，材料的流動均勻且 連續，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，材料的流動速度一致，即 Vffi=V水τ，在同樣時間內，水平方向移動材料的位移和豎直方向材料的路徑相等，因而可以 選擇任意一個變形單元，通過幾何分析的方法獲取變形的機理。
[0044] 參見圖2，選取變形單元abed，經過變斷面轉角擠壓之后變為等邊梯形a ' b ' c ' d '， 過c'點坐c'f丄ef，且有c'e| |na'，a'b' I |c'd'其中，n為oa'與轉角的交點，ef為水平線，d'r 與水平線的夾角為a，d'r為圓臺體模腔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] 由于材料在流動過程中各質點的材料流動速度一致，則在相同