材料的塑性变形设备的制作方法

本发明涉及材料(主要指金属，包括合金，下同)的大塑性变形技术，特别涉及材料的塑性变形方法、材料的塑性变形设备以及铝或铝合金及它们的制造方法。

背景技术：

材料的大塑性变形技术手段主要包括锻造、轧制、高压扭转变形以及等通道转角挤压(equalchannelangularpressing，简称ecap)等，它们的普遍作用是对材料进行晶粒细化从而改善材料微观结构提升材料性能。其中，现有的等通道转角挤压方法具体是一种通过液压机等常规驱动机械推动材料从等通道转角挤压模具的转角挤压通道的初始位向结束位运动而使材料产生强烈剪切应变且保持材料横截面基本不变从而在所述结束位获得超细晶材料的大塑性变形方法，该方法已被普遍视为制备超细晶材料的重要方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种材料的塑性变形方法和材料的塑性变形设备，以解决改善材料微观结构的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种材料的塑性变形方法，该方法包括使待操作的材料被推动从模具转角挤压通道的初始位以≥10³·s^-1或10⁴·s^-1或10⁵·s^-1或10⁶·s^-1的应变率到达所述转角挤压通道的结束位而转变形成已操作的材料的过程。

进一步地是，上述方法具体包括：使待操作的材料处于所述转角挤压通道的初始位；使冲击装置向所述模具的材料推动部件释放冲击能量；以及在所述转角挤压通道的结束位获得由受冲击能量激发的材料推动部件的推动而经过转角挤压通道转变形成的已操作的材料。

进一步地是，所述冲击装置是一种利用被膨胀中气体驱动并在膛内加速而在炮口获得所需速度的弹丸来撞击材料推动部件的气炮。

进一步地是，所述气炮采用一级轻气炮；则该一级轻气炮的炮口弹丸出速≥100m/s或200m/s或300m/s或400m/s或500m/s。

进一步地是，所述弹丸包含作为基础的弹丸后部以及设置在弹丸后部上用于直接撞击材料推动部件的弹丸前部，弹丸后部的材料的密度和硬度均小于弹丸前部的材料的密度和硬度。

进一步地是，所述材料推动部件包含用于直接接受弹丸撞击的材料推动部件后部以及设置在材料推动部件后部上用于与模具转角挤压通道上所述初始位所在的初始通道适配的材料推动部件前部，所述材料推动部件后部的横截面面积大于材料推动部件前部的横截面面积。

进一步地是，所述转角挤压通道优选为一个t形通道或内角φ为60°-160°的l形通道。所述模具优选为一个等通道转角挤压模具。

进一步地是，使所述材料在该材料与转角挤压通道之间存在接触面润滑的条件下从所述初始位到达结束位。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种材料的塑性变形设备，包括：模具，包含转角挤压通道和材料推动部件，所述转角挤压通道具有用于配置待操作的材料的初始位以及用于配置已操作的材料的结束位；和，冲击装置，用于向材料推动部件释放冲击能量从而激发所述材料推动部件推动处于所述初始位的待操作的材料经过转角挤压通道到达结束位而转变形成已操作的材料。

进一步地是，所述冲击装置是一种能够使处于所述初始位的待操作的材料以≥10³·s^-1或10⁴·s^-1或10⁵·s^-1或10⁶·s^-1的应变率到达所述结束位的冲击装置。

进一步地是，所述冲击装置是一种利用被膨胀中气体驱动并在膛内加速而在炮口获得所需速度的弹丸来撞击材料推动部件的气炮。

进一步地是，所述气炮采用炮口弹丸出速≥100m/s或200m/s或300m/s或400m/s或500m/s的一级轻气炮。

进一步地是，所述弹丸包含作为基础的弹丸后部以及设置在弹丸后部上用于直接撞击材料推动部件的弹丸前部，弹丸后部的材料的密度和硬度均小于弹丸前部的材料的密度和硬度。

进一步地是，所述弹丸后部是一个塑料圆柱体，所述弹丸前部是一个金属薄片，该金属薄片安装在塑料圆柱体的端面上。所述塑料圆柱体优选由pc塑料制成，所述金属薄片优选由不锈钢制成。

进一步地是，所述材料推动部件包含用于直接接受弹丸撞击的材料推动部件后部以及设置在材料推动部件后部上用于与模具转角挤压通道上所述初始位所在的初始通道适配的材料推动部件前部，所述材料推动部件后部的横截面面积大于材料推动部件前部的横截面面积。

进一步地是，所述材料推动部件后部与材料推动部件前部同轴设置，所述模具中具有用于安装所述材料推动部件的台阶孔，该台阶孔的大孔与材料推动部件后部相适配而小孔与材料推动部件前部相适配并形成转角挤压通道上所述初始位所在的初始通道。所述材料推动部件后部的横截面面积优选为材料推动部件前部的横截面面积的5－15倍。

进一步地是，所述转角挤压通道优选为一个t形通道或内角φ为60°-160°的l形通道。所述模具优选为一个等通道转角挤压模具。

根据本发明的又一个方面，提供了一种铝或铝合金，含有微米-毫米级形变孪晶，所述微米-毫米级形变孪晶的长度为1-1000微米而宽度为0.1-100微米。该铝或铝合金可以使用上述材料的塑性变形方法、上述材料的塑性变形设备制备得到。

通过模具的转角挤压通道使材料发生大塑性变形从而改善材料组织结构的技术构思已被本文“背景技术”中提及的等通道转角挤压方法所涉及。但令人意外的是，当使材料以10³·s^-1以上的应变率通过该转角挤压通道或利用冲击装置最终使材料以快的速度(此处的“快”是相对于常规驱动机械推动材料的速度而言)通过该转角挤压通道时，将有助于在材料中形成形变孪晶，甚至可在一定条件下形成巨型形变孪晶，从而提高材料性能。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明材料的塑性变形设备的一个实施例的结构示意图。

图2为本发明材料的塑性变形设备的一个实施例的结构示意图。

图3为本发明材料的塑性变形方法一个实施例所得单晶铝电子背散射衍射(ebsd)照片。

图4为本发明材料的塑性变形方法一个实施例所得单晶铝电子背散射衍射(ebsd)照片。

图5为本发明材料的塑性变形方法一个实施例所得铝合金电子背散射衍射(ebsd)照片。

图6为本发明材料的塑性变形方法一个对比例的单晶铝的透射电子显微镜照片。

图7为本发明材料的塑性变形方法一个对比例的铝合金的透射电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案、技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案、技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明的一部分实施例而不是全部实施例，因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“应变率”的含义及单位根据本领域的通常理解。

本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“弹丸出速”的单位“m/s”具体指“米/秒”。

图1为本发明材料的塑性变形设备的一个实施例的结构示意图。图2为本发明材料的塑性变形设备的另一个实施例的结构示意图。图1和图2中，重点阐释了模具的结构。根据图1、图2所示，本发明的材料的塑性变形设备包括冲击装置100和模具200。

其中，如图1、图2所示，模具200包含材料推动部件210和转角挤压通道220，所述转角挤压通道220具有用于配置待操作的材料的初始位以及用于配置已操作的材料的结束位。

所述冲击装置100用于向材料推动部件210释放冲击能量从而激发所述材料推动部件210推动处于初始位的待操作的材料经过转角挤压通道到达结束位而转变形成已操作的材料。

上述冲击装置100不同于本文“背景技术”中提及的“常规驱动机械”。首先，该冲击装置100采用向材料推动部件210释放冲击能量从而激发所述材料推动部件210运动的技术手段实现对象的运动，而常规驱动机械一般采用液压机或类似液压机的技术手段实现对象运动。

其次，从效果上讲，利用冲击装置最终可使材料以快的速度经过转角挤压通道220，即一般能够使所述初始位的待操作的材料以高应变率或比高应变率更高的应变率(如超高应变率)到达所述结束位，而通过常规驱动机械一般只能达到低应变率水平。需指出，本段中所说的“高应变率”和“超高应变率”在本领域具有通常含义，应按照通常含义理解。

在本发明的材料的塑性变形设备的实施例中，所述冲击装置100是一种能够使处于所述初始位的待操作的材料以≥10³·s^-1或10⁴·s^-1或10⁵·s^-1或10⁶·s^-1的应变率到达所述结束位的冲击装置。也就是说，有关的实施例中的冲击装置100是能够使处于所述初始位的待操作的材料至少以10³·s^-1以上的应变率到达所述结束位的冲击装置。

这些实施例中的冲击装置100可采用相应的利用被膨胀中气体驱动并在膛内加速而在炮口获得所需速度的弹丸110来撞击材料推动部件210的气炮。

所述气炮具体可以是一级轻气炮。一级轻气炮在本领域中具有通常含义，主要是对弹丸110的质量和炮口弹丸出速进行了一定的要求。

本发明中,作为冲击装置100的一级轻气炮的炮口弹丸出速可以≥100m/s或200m/s或300m/s或400m/s或500m/s。

在本发明的材料的塑性变形设备的优选实施例中，对所述应变率设定为10⁴·s^-1至10⁵·s^-1；相应的，对一级轻气炮的炮口弹丸出速选择为200m/s至400m/s。

如图1、图2所示，在本发明材料的塑性变形设备的实施例中，所述弹丸110包含作为基础的弹丸后部111以及设置在弹丸后部111上用于直接撞击材料推动部件210的弹丸前部112，所述弹丸后部111的材料的密度和硬度均小于弹丸前部112的材料的密度和硬度。

具体而言，在这些实施例中，所述弹丸后部111是一个塑料圆柱体(具体可由pc塑料制成，即由聚碳酸酯塑料制成)，所述弹丸前部112是一个金属薄片(具体可由不锈钢制成)，该金属薄片安装在塑料圆柱体的端面上。

由于弹丸110包含了弹丸后部111和弹丸前部112两个部分，而弹丸后部111的材料的密度和硬度均小于弹丸前部112的材料的密度和硬度，因此，通过弹丸后部111可将弹丸110整体的质量控制在较小的范围内，从而在一定的推力下使弹丸110获得较高的速度，同时，弹丸前部112能够在与材料推动部件210碰撞时避免产生过大的变形而吸能，从而使弹丸110能够更充分的将能量传递给材料推动部件210。

如图1、图2所示，在本发明材料的塑性变形设备的实施例中，所述材料推动部件210还包含用于直接接受弹丸110撞击的材料推动部件后部211以及设置在材料推动部件211后部上用于与所述模具转角挤压通道220上所述初始位所在的初始通道适配的材料推动部件前部212，所述材料推动部件后部211的横截面面积大于材料推动部件前部212的横截面面积。

其中，所述材料推动部件后部211的横截面面积通常可以为材料推动部件前部212的横截面面积的5－15倍。

由于材料推动部件前部212需与转角挤压通道220上所述初始位所在的初始通道适配，因此，材料推动部件前部212的横截面面积较小，此时若弹丸110直接碰撞材料推动部件前部212的后端面，只要弹丸110的轴线与材料推动部件前部212的轴线存在一定偏差，就容易导致材料推动部件前部212碎裂；而材料推动部件210包括材料推动部件后部211与材料推动部件前部212以后，由于材料推动部件后部211的横截面面积大于材料推动部件前部212的横截面面积，即使弹丸110的轴线与材料推动部件后部211的轴线存在一定偏差，也不易导致材料推动部件后部211和材料推动部件前部212碎裂。

如图1、图2所示，在本发明的材料的塑性变形设备的实施例中，所述材料推动部件后部211与材料推动部件前部212同轴设置；所述模具中具有用于安装所述材料推动部件的台阶孔，该台阶孔的大孔与材料推动部件后部211相适配而小孔与材料推动部件前部212相适配并形成转角挤压通道上所述初始位所在的初始通道。

通过台阶孔的方式分别对材料推动部件后部211和材料推动部件前部212进行导向，进一步保证了材料推动部件前部212运行的稳定性，更有效的避免材料推动部件前部212在高速运动时碎裂。

当待操作的材料位于转角挤压通道220的初始位时，材料推动部件后部211可以整体位于台阶孔的大孔内部，也可以部分伸出台阶孔的大孔外侧。

在本发明的材料的塑性变形设备的上述实施例中，当待操作的材料位于转角挤压通道220的初始位时材料推动部件后部211部分伸出台阶孔的大孔外侧，这样，既能够利用台阶孔的大孔对材料推动部件后部211进行导向，又能够减少材料推动部件后部211与台阶孔的大孔之间的摩擦力。

优选的，当待操作的材料位于转角挤压通道220的初始位时材料推动部件后部211伸出台阶孔大孔外侧的长度占材料推动件后部211总长度的2/3左右且该材料推动件后部211伸出台阶孔大孔外侧的长度与材料推动件后部211横截面等效直径的比值≤5。

结合图1、图2所示，本发明材料的塑性变形方法，具体包括使待操作的材料被推动从模具200转角挤压通道220的初始位以≥10³·s^-1或10⁴·s^-1或10⁵·s^-1或10⁶·s^-1的应变率到达所述转角挤压通道220的结束位而转变形成已操作的材料的过程。

所述方法具体可以包括：使待操作的材料处于所述转角挤压通道220的初始位；使冲击装置100向所述模具200的材料推动部件210释放冲击能量；以及，在所述转角挤压通道220的结束位获得由受冲击能量激发的材料推动部件210的推动而经过转角挤压通道220转变形成的已操作的材料。

其中，最好使所述材料在该材料与转角挤压通道220之间存在接触面润滑的条件下从所述初始位到达结束位，以减少材料与转角挤压通道220之间的摩擦。

下面结合相关实施例对上述材料的塑性变形方法、材料的塑性变形设备进行进一步说明。

实施例1

a.材料的塑性变形设备

如图1所示，材料的塑性变形设备包括冲击装置100和模具200；其中，冲击装置100采用一级轻气炮，其弹丸110包含弹丸后部111和弹丸前部112，弹丸后部111是一个pc塑料制成的塑料圆柱体(长度20mm,直径13.95mm)，弹丸前部112是一个不锈钢制成的金属薄片(厚度4mm，直径10mm)，该金属薄片粘接在在塑料圆柱体的端面上，金属薄片的中心与塑料圆柱体的中心对齐。

模具200是一个等通道转角挤压模具(由不锈钢钢制成)，其转角挤压通道220为t形通道(直径为3mm)，其材料推动部件210包含材料推动部件后部211(长度30mm，直径9.8mm)和材料推动部件前部212(长度28mm，直径2.9mm)，材料推动部件后部211与材料推动部件前部212同轴设置并由轴承钢(即高碳铬钢)一体加工而成，模具200中具有用于安装材料推动部件210的台阶孔，该台阶孔的大孔与材料推动部件后部211相适配而小孔与材料推动部件前部212相适配并形成t形通道的横向通道(如图1所示)，模具200中还加工有与台阶孔的小孔垂直并形成t形通道的纵向通道的通孔。

b.材料的塑性变形方法

将铸造成型的单晶铝棒材沿轴向切成直径为3mm、长度为14mm的圆柱棒材，表面涂抹mos2润滑剂后放置于t形通道的横向通道中，然后再将材料推动部件210安装于模具200上，使材料推动部件前部212插入t形通道的横向通道；使用氮气(3mpa)对弹丸110加速，经磁测速装置测得炮口弹丸出速为230m/s，材料推动部件210经弹丸110撞击后高速挤压圆柱棒材，圆柱棒材在经过t形通道时发生动态剧烈塑性变形，最后在t形通道的纵向通道中得到变形后的样品300。

取出经过1道次挤压后的样品，对样品进行电子背散射衍射(ebsd)表征(参见图3所示)。如图3所示，在样品中发现产生众多条状对称的新晶粒(形变孪晶)。上述方法在纯铝中制得微米-毫米级形变孪晶，所述微米-毫米级形变孪晶的长度为普遍大于50微米而宽度普遍大于1微米。

实施例2

a.材料的塑性变形设备

如图2所示，材料的塑性变形设备包括冲击装置100和模具200；其中，冲击装置100采用一级轻气炮，其弹丸110包含弹丸后部111和弹丸前部112，弹丸后部111是一个pc塑料制成的塑料圆柱体(长度20mm,直径13.95mm)，弹丸前部112是一个不锈钢制成的金属薄片(厚度4mm，直径10mm)，该金属薄片粘接在在塑料圆柱体的端面上，金属薄片的中心与塑料圆柱体的中心对齐。

模具200是一个等通道转角挤压模具(由不锈钢钢制成)，其转角挤压通道220为l形通道(直径为3mm)，其内角φ为90°，材料推动部件210包含材料推动部件后部211(长度30mm，直径9.8mm)和材料推动部件前部212(长度28mm，直径2.9mm)，材料推动部件后部211与材料推动部件前部212同轴设置并由轴承钢(即高碳铬钢)一体加工而成，模具200中具有用于安装材料推动部件210的台阶孔，该台阶孔的大孔与材料推动部件后部211相适配而小孔与材料推动部件前部212相适配并形成l形通道的横向通道(如图2所示)，模具200中还加工有与台阶孔的小孔垂直并形成l形通道的纵向通道的通孔。

b.材料的塑性变形方法

将铸造成型的单晶铝棒材沿轴向切成直径为3mm、长度为14mm的圆柱棒材，表面涂抹mos2润滑剂后放置于l形通道的横向通道中，然后再将材料推动部件210安装于模具200上，使材料推动部件前部212插入l形通道的横向通道；使用氮气(5mpa)对弹丸110加速，经磁测速装置测得炮口弹丸出速为315m/s，材料推动部件210经弹丸110撞击后高速挤压圆柱棒材，圆柱棒材在经过l形通道时发生动态剧烈塑性变形，最后在l形通道的纵向通道中得到变形后的样品300。

取出经过1道次挤压后的样品，对样品进行电子背散射衍射(ebsd)表征(参见图4所示)。上述方法在纯铝中制得微米-毫米级形变孪晶，所述微米-毫米级形变孪晶的长度为普遍大于50微米而宽度普遍大于5微米。

形变孪晶，作为金属变形的一种重要变形机制，可以有效消除局部应力集中，降低微裂纹形核点密度，提高金属材料的破坏强度；此外，形变孪晶界亦可作为位错运动形核点，提高金属材料的塑性变形能力。

对比例1

单晶铝样品尺寸为8mm×8mm×20mm，表面涂抹mos2润滑剂后，在室温下通过直角ecap模头将单晶挤出一次，挤出速率为5mm/min。在ecap之后，通过使用透射电子显微镜观察制得孪晶为纳米级，如图6所示。

实施例3

a.材料的塑性变形设备

如图1所示，材料的塑性变形设备包括冲击装置100和模具200；其中，冲击装置100采用一级轻气炮，其弹丸110包含弹丸后部111和弹丸前部112，弹丸后部111是一个pc塑料制成的塑料圆柱体(长度20mm,直径13.95mm)，弹丸前部112是一个不锈钢制成的金属薄片(厚度4mm，直径10mm)，该金属薄片粘接在在塑料圆柱体的端面上，金属薄片的中心与塑料圆柱体的中心对齐。

模具200是一个等通道转角挤压模具(由不锈钢钢制成)，其转角挤压通道220为t形通道(直径为3mm)，其材料推动部件210包含材料推动部件后部211(长度30mm，直径9.8mm)和材料推动部件前部212(长度28mm，直径2.9mm)，材料推动部件后部211与材料推动部件前部212同轴设置并由轴承钢(即高碳铬钢)一体加工而成，模具200中具有用于安装材料推动部件210的台阶孔，该台阶孔的大孔与材料推动部件后部211相适配而小孔与材料推动部件前部212相适配并形成t形通道的横向通道(如图1所示)，模具200中还加工有与台阶孔的小孔垂直并形成t形通道的纵向通道的通孔。

b.材料的塑性变形方法

从轧制成型的6061铝合金板材中，沿轧制方向切出直径3mm、长度14mm的圆柱棒材，表面涂抹mos2润滑剂后放置于t形通道的横向通道中，然后再将材料推动部件210安装于模具200上，使材料推动部件前部212插入t形通道的横向通道；使用氮气(3mpa)对弹丸110加速，经磁测速装置测得炮口弹丸出速为230m/s，材料推动部件210经弹丸110撞击后高速挤压圆柱棒材，圆柱棒材在经过t形通道时发生动态剧烈塑性变形，最后在t形通道的纵向通道中得到变形后的样品300。

取出经过1道次挤压后的样品，对样品进行电子背散射衍射(ebsd)表征(参见图5所示)。上述方法在铝合金中制得微米级形变孪晶，所述微米级形变孪晶的长度为普遍大于10微米而宽度普遍大于1微米。

对比例2

6061铝合金样品为直径12mm、厚度4.76mm圆片，在-180℃的条件下，使用一级轻气炮，以13gpa的压力进行冲击加载。在冲击加载后，通过使用透射电子显微镜观察制得孪晶为亚微米，如图7所示。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他优选实施方式和实施例，都应当属于本发明保护的范围。