轧弯组合变形强化金属的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种金属材料的强化方法，尤其是一种乳弯组合变形强化金属的方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来，在全球经济的高速发展同时，人们对资源的消耗和绿色环境的保护意识 日以增强。对人类赖以生存的对金属需求量消耗不断增加的同时，希望研发高强度的金属 材料来替代常规金属材料，以达到节省金属资源。提高金属材料的强度方法，一是合金化， 这是一种资源消耗性的强化机制；二是组织（晶粒）细化，这是一种资源节约性的强化机 制，根据Hall-Petch关系式 〇s= 〇 Q+k*d1/2(d为晶粒的尺寸），细化晶粒，可以有效提 高金属材料强韧性。目前，通过金属材料的塑性变形以及相应的热处理制度来细化金属晶 粒，甚至细化晶粒向纳米化发展成为材料科学工作者研究的热点。如强烈塑性变形（severe plastic deformation)的等径角挤压（ECAP)工艺、高压扭转（HPT)法、累积乳制（ARB)、多 向锻造（MF)等工艺都是从对金属反复进行挤压或扭转等变形，从而积累大量应变，进而能 够有效地将块体材料内部的晶粒细化，制备出块体超细晶（纳米晶）材料。但这种方法制 备的试样尺寸小，难于实现连续化生产。金属材料的局部强化方法，以满足用户的要求也是 一种有效节约金属资源的方法，例如喷丸，渗氮等工艺可以有效提高金属表面强度，增加耐 磨性。但喷丸对薄板工件的处理，容易使工件变形，对带有油污的工件，需要清理表层油污， 清理效率低，操作人员多，劳动强度大等缺点进一步限制其应用范围；渗氮工艺易出现硬度 偏低，硬度和渗层不均匀，变形过大，外观质量差，脉状氮化物，生产工艺复杂，金属应用范 围窄等缺点，同样使其应用受到限制。
【发明内容】
[0003] 本发明是要提供一种乳弯组合变形强化金属的方法，针对乳制产品后续增设一 个金属材料的反复塑性弯曲的装置，实现金属材料在一组弯曲辊系中通过反复塑性弯曲变 形，在其内部形成由中性层到表层了累积应变递增，晶粒组织细化递增的金属组织结构，从 而实现在金属材料尺寸基本不变的情况下，增加金属内部应变量，提高金属材料的强韧性， 特别是金属材料的表面强韧性的一种变形方法，即乳弯组合变形强化金属材料。
[0004] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种乳弯组合变形强化金属的方法，金属 材料经过乳机乳制成一定的尺寸后，由一对夹送辊引入到一组可实现反复塑性弯曲变形的 弯曲辊系进行反复塑性弯曲变形，形成在金属材料内部由中性层到表层了累积应变递增， 晶粒组织细化递增的金属组织结构。
[0005] 根据所需的累积应变和晶粒组织要求，增减弯曲辊系的数量。
[0006] 金属材料完成反复塑性弯曲变形后，用另一对夹送辊送出，进入到乳制线的后续 工序。
[0007] 所采用的弯曲辊的大小通过：
[0008] l)n个周期弯曲变形后，工件上表面的累积真应变公式：
[0009]
[0010] 2)距离中性面x距离的累积真应变公式：
[0011]
[0012] 式中：r为金属板材试样的弯曲曲率半径、h为金属板材试样的厚度，x = 0~h/2, 即：x = 0试样中性面处，x = h/2为试样上下表面；计算来实现最佳的累积变形效果。
[0013] 通过改变弯曲辊辊身的形状，实现金属板材、简单断面型材的反复塑性弯曲变形 过程，强化金属材料。
[0014] 本发明的有益效果是：
[0015] 1)实现过程简单。只要在现行的乳制生产现上，增设一套弯曲辊系、二个夹送辊， 并利用乳机乳出乳件的动力，实现金属材料的牵引导入，使金属材料在一套弯曲辊系中发 生反复塑性弯曲变形，在其内部形成由中性层到表层了累积应变递增，晶粒组织细化递增 的金属组织结构。
[0016] 2)乳件的尺寸基本维持不变。即乳制设备不增强的基础上，实现乳件的大变形，进 一步提尚金属材料内部变形储能，有力提尚金属材料的强初性。
[0017] 3)弯曲辊系中的弯曲辊数量可以根据不同的累积应变量要求，进行调整。
[0018] 4)通过公式（6)、公式（7)的计算，可以优化设计弯曲辊的大小，以实现最佳的累 积变形效果。
[0019] 5)通过设计弯曲辊辊身的形状，实现金属板材、简单断面型材实现反复塑性弯曲 变形过程，强化金属材料。
【附图说明】
[0020] 图1是工件弯曲变形示意图；
[0021] 图2是不同径厚比r/h试样反复弯曲1~10个周期的累积真应变分布；
[0022] 其中：（a)径厚比r/h = 1，（b)径厚比r/h = 1. 5，（c)径厚比r/h = 2，（d)径厚 比 r/h = 4
[0023] 图3是乳弯组合变形装置示意图；
[0024] 图4是沿试样厚度方向取样的位置图；
[0025] 图5是H85黄铜退火后板料和经过不同周期弯曲变形后试样的金相组织；
[0026] 其中：（a)退火板料的金相图，（b)r/h= 1. 5,3个周期弯曲变形后边部金相图，（C) r/h = 4, 5个周期弯曲变形后边部金相图，（d)r/h = 4, 5个周期弯曲变形后中性面金相图
[0027] 图6是工件变形前后不同位置的显微硬度值。
[0028] 其中：（a)r/h = 1. 5，（b)r/h = 4
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0030] 本发明的实施过程：
[0031] 1、乳弯组合变形强化金属材料的原理
[0032] 根据金属板材塑性弯曲变形过程中的几何尺寸变化，计算其累积应变量。如图1 所示，假定金属板材塑性弯曲变形过程中，沿厚度方向的中性面几何长度不变，而其内外侧 发生塑性压缩或延伸变形。依据塑性变形叠加效应，确定其内部的塑性累积变形量。
[0033] 根据设计的试验方案，试样工件的一个周期弯曲变形，即经过"平直一弯曲一压 平一反向弯曲一再压平"（称之为一个周期，即1T)，其累积真应变量为：
[0034] 设试样工件原长（即中性面长度）：1。= a (r+h/2)
[0035] 试样工件上表面受延伸变形后长度为山=a (r+h)
[0036] 试样工件下表面受压缩变形后长度为：12= a r
[0037] 其中：r为金属板材试样的弯曲曲率半径、h为金属板材试样的厚度。
[0038] 以上表面为例，工件由平直到弯曲的真应变为
d
[0039] 又由弯曲到平直的真应变为：
（2)
[0040] 反向弯曲变形的真应变为：
（3)
[0041] 再次由弯曲展平的真应变为
（4)
[0042]由（1)~（4)可得到一个弯曲变形周期的工件上表面累积真应变为：
[0043]
(5)
[0044] 因此，n个周期弯曲变形后，工件上表面的累积真应变为：
[0045]<