变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属塑性加工领域，涉及变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 大塑性变形技术(SPD)作为一种能够有效细化晶粒，提高材料力学性能的深度塑 性变形方法，在制备细晶材料方面具有明显的优势，目前，受到科学界青睐的大塑性变形技 术有等通道转角挤压技术(ECAP)、往复挤压技术(CEC)、高压扭转变形技术(HPT)等，这些制 备细晶材料的方法得到了广泛应用。上述大塑性变形方法还存在着诸多问题，需要加以克 月艮。ECAP在制备的细晶材料存在着织构倾向，试样在变形过程中，变形区较小，挤压道次较 多等问题。CEC、HPT制备细晶材料时，因为模具需要承受的压力过大，因为制备的材料尺寸 较小。往复挤压过程中，由于工件受到约束，因而易开裂。近年新出连续变断面循环挤压技 术(CVCE)，连续变断面循环挤压过程中，工件变形量较小，易造成晶粒大小分布不均匀。。
【发明内容】
[0003] 针对上述现有技术中存在的问题或缺陷，本发明的目的在于，提供一种变断面转 角挤压制备细晶的装置及其方法。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] 变断面转角挤压制备细晶的装置，包括模具和挤压杆，所述模具内设置有圆柱体 模腔和圆台体模腔；圆柱体模腔和圆台体模腔相连通，二者连接位置形成转角;挤压工件在 挤压杆的作用下，在圆柱体模腔和圆台体模腔内往复运动。
[0006] 具体地，所述挤压杆包括第一挤压杆和第二挤压杆，第一挤压杆与圆柱体模腔配 合使用，第二挤压杆与圆台体模腔配合使用。
[0007] 进一步地，所述转角的外角Ψ的大小为0°-18°。
[0008] 进一步地，所述转角的内角Φ的半径大小为0-9_。
[0009] 进一步地，所述圆台体模腔的锥度α的大小为5°-7°。
[0010] 进一步地，所述内角Φ的大小为94°-97°。
[0011]应用所述的变断面转角挤压制备细晶的装置进行挤压的方法，具体包括以下步 骤：
[0012] 步骤1，将挤压工件放置在圆柱体模腔内，利用挤压杆对挤压工件进行挤压，挤压 工件在压力作用下经过转角进行转角变形后，到达圆台体模腔，在圆台体模腔内形成圆台 体；
[0013] 步骤2,将装置逆时针旋转90°，利用挤压杆对圆台体模腔内的挤压工件进行挤压， 挤压工件经过转角进行转角变形，进入圆柱体模腔中，成型为圆柱体；
[0014] 步骤3,将挤压工件取出，并首尾颠倒，重复步骤1和2,则挤压过程结束。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
[0016] 1、本发明的装置将圆柱体模腔和圆台体模腔相结合，即将挤压工件的纯剪切变形 和挤压工件的墩粗变形相结合，不仅使得挤压工件的晶粒细化的效率和均匀性得到提高， 并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变形的 缺陷消失。
[0017] 2、本发明的装置在一次挤压过程中，挤压工件始终处于模具当中，可以减少挤压 工件的热能损失，同时可以确保变形过程中没有其他的赃物被压入挤压工件中。
[0018] 3、本发明的装置设置转角，目的在于使得挤压工件在转角完成后晶粒得到一定程 度的细化，随之进行变断面变形，挤压工件在圆柱体模腔内完成第一次变形之后，在转角处 受到连续的整体性压力，使得在剪切应力下的挤压工件受到的挤压变形力更加均匀，使得 晶粒细化程度提高并且更加均匀。
[0019] 4、本发明的挤压方法为一种新的细化晶粒方法，克服了现有转角挤压和循环变断 面的技术问题，变断面挤压可以使得在转角挤压工件内外角的死区减少，转角变形使得循 环变断面挤压过程中工件中部变形不均匀甚至不变形的情况消失;可以使得材料细化速率 提高，并且使得材料细化程度提高，效率提高，大大节约时间成本和能耗成本。
[0020] 5、本发明的变断面转角挤压装置和方法可以通过其原理可以实现材料的冷挤压， 同时也可以满足热挤压的要求，设备较为简单，同时操作较为方便。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明的装置整体结构示意图；
[0022]图2为变断面转角挤压工件变形机理分析示意图；
[0023]图3为挤压工件为圆台体和圆柱体的示意图；其中，（a)为圆台体，（b)为圆柱体； [0024]图4为挤压工件变形死角示意图；
[0025] 图5为采用本发明的装置及方法获取的工件金相组织图片；
[0026] 图6为采用变断面循环挤压方式制备样品的金相组织图片
[0027] 图中标号代表：1 一挤压杆，hi一第一挤压杆一第二挤压杆，2一模具，3一转 角，4一圆台体模腔，5-圆柱体模腔，6-挤压工件，7-第一变形死区，8-第二变形死区。
[0028] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的方案做进一步详细地解释和说明。
【具体实施方式】
[0029] 遵从上述技术方案，参见图1，本发明的变断面转角挤压制备细晶的装置，包括模 具2和挤压杆1，所述模具2内设置有圆柱体模腔5和圆台体模腔4,圆台体模腔4的锥度为α; 圆柱体模腔5和圆台体模腔4相连通，二者连接位置形成转角3;挤压工件6在挤压杆1的作用 下，在圆柱体模腔5和圆台体模腔4内往复运动。其中，圆柱体模腔5竖直设置，圆台体模腔4 水平设置。
[0030] 本发明的装置的工作原理为:将挤压工件6放置在圆柱体模腔5内，利用挤压杆1对 挤压工件6进行挤压，挤压工件6在压力作用下经过转角3进行转角变形后到达圆台体模腔 4,在圆台体模腔4内形成圆台体;将装置逆时针旋转90°，利用挤压杆1对圆台体模腔4内的 挤压工件6进行挤压，挤压工件6经过转角3进行转角变形，进入圆柱体模腔5中，成型为圆柱 体;上述过程完成后，由于转角3的存在，导致挤压工件6存在一定的变形"死区"，因而需对 挤压工件6进行二次挤压，即将挤压工件6取出，并首尾颠倒，重复以上步骤，则挤压过程结 束。
[0031] 本发明的装置将圆柱体模腔5和圆台体模腔4相结合，即将挤压工件6的纯剪切变 形和挤压工件6的墩粗变形相结合，不仅使得挤压工件6的晶粒细化的效率和均匀性得到提 高，并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变 形的缺陷消失。
[0032] 本发明的装置在一次挤压过程中，挤压工件6始终处于模具2当中，可以减少挤压 工件6的热能损失，同时可以确保变形过程中没有其他的脏物被压入挤压工件6中。
[0033] 本发明的装置设置转角3,目的在于保证挤压工件6在转角3变形后晶粒得到一定 程度的细化，随之进行变断面变形，挤压工件6在圆柱体模腔5内完成第一次变形之后，在转 角3处受到连续的整体性压力，使得在剪切应力下的挤压工件6受到的挤压变形力更加均 匀，使得晶粒细化程度提高并且更加均匀。
[0034] 所述挤压杆1包括第一挤压杆1-1和第二挤压杆1-2,第一挤压杆1-1的直径比第二 挤压杆1-2的直径大2atanamm，第一挤压杆1-1与圆柱体模腔5配合使用，第二挤压杆1-2与 圆台体模腔4配合使用，其中，a为挤压工件6的高度。
[0035]参见图2,假设本发明的装置的转角3的内角为Φ，内角Φ的中心点为〇,外角为Ψ， 本发明的装置的应变量分别两部分，第一部分为剪切变形后的剪切应变量，第二部分为在 进行变断面挤压后的真应变量。在进行剪切应变量的计算时，假设在挤压过程中，材料的流 动均匀且连续，忽略挤压工件6与模具2之间的摩擦力，那么在挤压过程中，材料的流动速度 一致，即有V!6i：= V7jc平，在同样时间内，水平方向移动材料的位移和竖直方向材料的路径相 等，因而可以选择任意一个变形单元，通过几何分析的方法获取变形的机理。
[0036]参见图2，选取变形单元abed，经过变断面转角挤压之后变为等边梯形a ' b ' c ' d '， 过c'点坐c'f丄ef，且有c'e| |na'，a'b' I |c'd'其中，n为oa'与转角的交点，ef为水平线，d'r 与水平线的夹角为a，d'r为圆台体模腔4的底壁，由于变形过程中有v!gi：= v水平，贝lj:
[0037] b7 cf cosa = bc = ad = a/ d7 cosa
[0038] 由于材料在流动过程中各质点的材料流动速度一致，则在相同时间内，材料流经 过的路径一致，则有：
[0039] dm+ma7 +a7 d7 = cn+nb7 +b7 cf
[0040] 其中，
[0041] ma'=omX Ψ，cn = ocX Ψ
[0042] 贝lj
[0043] nt/ =dm+(om_oc) X Ψ
[0044] 目i由几何关系可以得到：
[0