[发明专利]一种多线扭转‑强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械领域，具体涉及一种多线扭转-强剪挤压应变路径下大塑性变形装置。

背景技术

目前高性能的微晶、亚微晶、纳米结构晶等超细晶材料的需求在电子信息、化工、生物工程、医药、航空航天、国防等高尖端领域有着广泛的应用前景。随着微、纳材料研究的深入，如何高效率地实现微、纳材料的制备已成为各国以及世界范围内研究的热点之一。大塑性变形工艺(Severe Plastic Deformation，SPD)技术是目前制备微、纳结构材料等超细晶材料常用的塑性加工方法，材料在SPD过程中承受的独特的应力状态还可使材料形成不同于普通塑性变形所形成的组织，使材料的性能得以提高。压缩-剪切(简称压剪)复合变形是SPD加工工艺的一种，常被用来制备超细晶、甚至获得局部纳米晶的材料。专利号CN106238488A提出了不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的方法和装置。该方法通过设计压剪弯曲模各功能段的尺寸，配以其它方向的压缩变形来达到不同应力状态。该方法需要大量不同厚度的板料，一般仅在局部会达到纳米结构晶，严重影响材料的制备效率。苏联科学家提出的等径角挤压(Equal Channel Angular Extrusion and Pressing，ECAE or ECAP)是一类新颖高效的块体类金属超细晶材料的制备技术。该工艺的变形机理主要为弯角处的剪切变形，世界上许多学者已经对此做了较深入的研究，尽管该方法仅限于实验室研究，但经过多道次变形后可用于制备大块亚微晶、纳米晶等超细晶组织。另外一类生产块体亚微米、纳米晶材料的行之有效的塑性加工方法是高压扭转法。该方法利用扭转变形促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形，研究发现经过高压下的严重扭转变形后，材料内部形成了大角度晶界的均匀结构，晶粒得到明显细化，材料的性能也发生了质的变化。专利号CN103785702A提出了一种涡旋挤压式大塑性变形装置。该方法为直通式扭转挤压工艺，该方法依靠扭转挤压腔的入口锥和出口锥的夹角以及腔内壁凸起和凹槽实现大塑性变形。物料塑性变形程度取决于入口锥与出口锥的夹角，当该夹角不足，腔内壁的凸起与凹槽形成的剪切应力便不足以从物料的外部区域作用到物料的内部，因此需要足够的角度来发生塑性变形。而较大的角度意味着出口模腔口部变小，所以需要较大的挤压力，这对于一些难变形合金提出了更高的要求。专利号CN106238488A方法制备的仅为局部超细晶组织，剪切变形仅仅发生局部。而ECAP和专利号CN103785702A的方法都存在挤压力大、加工坯料尺寸受限、剪切变形不均匀、不充分等缺点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，主要依靠挤压杆推动模具中挤压筒中物料进入多线扭转预变形型腔进行预变形，然后进入弯曲角为β的区域内进行强剪切变形与压缩变形作用后，实现均匀的强剪切变形。该方法可通过多道次累计变形加工实现剧烈塑性变形的累积。本装置一般适用于棒材加工，特别是塑性较差的难加工材料，可用于高性能微晶、亚微晶，纳米结构晶等超细晶材料制备领域，是集扭转、强剪切、挤压于一体的大塑性变形装置。

具体技术方案如下：

一种多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，包括多线扭转模具，所述多线扭转模具包括入料挤压筒、入口过渡带、多线扭转预变形型腔、多线扭转-强剪切挤压变形型腔、变形出口带、出口过渡带和出料筒；所述入料挤压筒通过过渡圆角同入口过渡带、多线扭转预变形型腔相连；所述多线扭转预变形型腔右端口与多线扭转-强剪切挤压变形型腔相连；所述多线扭转预变形型腔和多线扭转-强剪切挤压变形型腔均设计有凹凸变形带，所述变形带有凸起和凹槽，并有一定螺旋升角α；所述多线扭转强剪切挤压变形型腔与变形出口带平滑相连，变形出口带与出口过渡带及出料筒通过过渡圆角相连。

所述凹凸变形带的螺旋升角α＝30～75°。

所述凹凸变形带的凸起和凹槽线差为3～30mm。

所述凹凸变形带的线数为2～40线。

所述凹凸变形带分布在弯曲角β全部区域，弯曲角β可以为多角度；该区域中入口处空间较出口处空间大20％～60％，所述弯曲角β区域出口处可以根据材料后期加工需要设计为规则形状。

所述多线扭转模具由模具固定板压紧，并用沉头螺钉固定在挤压设备上。

所述多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置适用于棒材加工，特别是塑性较差的难加工材料以及纳米晶等超细晶材料的制备。

本方法的优点是：