[发明专利]一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及对金属棒/板带材进行金属严重塑性变形的装置及方法，特别涉及一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置及方法。

背景技术

金属材料的强韧化控制一直是材料领域关注的技术，在常见的强化方式中只有细晶强化是能够同时提高强度和改善塑性与韧性的方法。近年来，晶粒尺寸小于1μm的亚微米晶（大于100nm）和纳米晶（小于100nm）材料的制备技术、微观组织和性能的研究引起国内外学者的高度关注。20世纪80年代初，Gleiter等人采用惰性气体冷凝法获得纳米颗粒，通过原位加压的方法制备了Pd、Cu和Fe等金属纳米晶体，使纳米材料迅速成为人们研究的热点，但对晶粒尺寸在100nm~1μm之间的超细晶材料的研究却较少。至90年代，在Segal提出的获得大塑性变形思想的基础上，Valiev等研究并发展了严重塑性变形（Severe Plastic Deformation, SPD）方法制备超细晶的技术，提出了SPD技术应该满足大的塑性变形量、相对低的变形温度以及变形材料内部承受高压等条件，为发展新的SPD技术提供了参考依据。在目前已知的SPD方法中，等通道转角挤压法（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）是研究最为广泛和最具代表性的一种方法，此技术产生以来就在材料科学领域引起持续的高度关注，并成功地用于金属Al、Cu和Ti及合金等、以及Mg合金和钢铁等超细晶材料的制备。目前国际上一些发达国家如俄罗斯、美国、德国、日本等都开展了较多的研究工作，我国在这方面的研究工作也不断增加，SPD技术在制备块体纳米和超细晶材料上的特殊优势和应用前景已被国内外材料领域的专家和学者所共识。

由于超细晶材料的晶粒细小，且内部仍可存在位错、孪晶等缺陷，晶界所占的体积分数较大，且处于高能、非平衡态，这些特性对超细晶材料的物理、化学和力学性能有重要影响。人们曾经认为超细晶材料的塑性较差，尤其是晶粒尺寸小于100nm的完全纳米晶材料，拉伸至断裂的延伸率大多在2~5%以下。原因之一是晶粒尺寸接近或小于常规塑性变形机制发生作用的尺度范围，使位错源的启动及位错运动受到抑制；再者，以狭窄剪切带形式出现的局部应变集中也极大地降低塑性；另外，材料的致密度差异对塑性的影响结果也不同。在改善塑性方面，用ECAP方法制备的超细晶材料可同时获得高的屈服强度和大延伸率。Tellkamp等人最早发现在纯铝纳米晶基体上存在的某些大晶粒区域可以改善整体塑性。2002年，Wang等人在Nature上报道了纯铜（99.99%）经过低温大变形轧制和短时退火处理后，形成了主要由大于1.5μm的微米晶和300nm的超细晶组成的双峰组织，屈服强度和拉伸强度分别达到330MPa和420MPa，延伸率高达65%，揭示了双峰组织在改善纳米材料塑性方面的作用。上述工作表明了超细晶材料不仅可以具有较高的强度，而且同时完全可以获得较高塑性，对于工业化应用具有重要意义。