[发明专利]两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置及工艺

说明书

本发明提供的两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置及工艺，涉及金属表面晶粒细化的技术。其方法是在处于两相区的碳钢工件上进行一定程度的塑性变形的同时施加超声振动激励，使金属工件表面形成细晶层；其装置包括工具台、马弗炉、超声波发生器、导线、水箱、水泵、进水管、出水管、压力机机架、上工具头、高频高压交流电源、下工具头装置、变幅杆、变幅杆支架和螺栓，通过马弗炉将碳钢试样进行加热处理，对下工具头预热保温处理，上工具头压缩处理加热处理后的碳钢试样，同时加载超声振动处理。本发明在碳钢工件表层形成尺寸均匀晶粒细化层，提高金属工件的力学性能。

本研究得到山东省重点研发计划项目(2017GGX30129)和中央高校基本科研业务费专项资金(18CX02090A)资助。

技术领域

本发明涉及金属表面晶粒细化的技术，具体涉及两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置及工艺，该装置和工艺是在处于Ae3～Ar3温度区间碳钢工件上进行一定程度的塑性变形的同时对碳钢工件表面施加超声振动激励，使金属工件表面形成细晶层并改善表层的应力状态。

背景技术

金属材料的力学性能与材料的微观组织结构密切相关。一般认为，细化晶粒可以同时提高金属材料的强度和塑性，是一种有效且常用的金属力学性能强化手段。新一代高性能钢铁材料的开发，以获得微观组织的超细化或适度细化为主要目标。

碳钢金属表面细化晶粒有多种方法，主要有超声加工方法和高低温塑性变形制备工艺。超声加工方法在金属表面改性工艺中具有非常重要的价值，在各种工程应用领域研发出了许多不同的加工处理方法，其中广泛应用的是利用超声冲击设备直接对金属表面进行处理超声冲击设备包括超声波发生器、换能器、变幅杆、工作台、加压和进给系统等。其工作机理是利用振荡电路产生振荡电流并转换为超声频机械振动，通过变幅杆将振幅放大，超声加工常用频率从20kHz～40kHz，振幅一般在5～50μm；高低温塑性变形制备工艺的机理是在变形过程中引入大的应变量，从而有细化晶粒，获得完整的大尺寸块体试样。

上述超声冲击处理细化晶粒工艺设备简单，操作简单，并且工程实际应用效果较好，大量应用于工程和工业生产中。特别是大型金属结构的处理。但该工艺存在的不足之处也是非常明显，主要归结有：超声冲击后金属表面出现很大的加工硬化，是金属构件发生脆性倾向。其次，由于金属自身的形变抗力，超声冲击只能造成局部的塑性变形，晶粒细化的深度有限。单纯的超声冲击需要较长的时间才能使金属表面产生晶粒细化层，导致生产成本增加。

上述高低温塑性变形制备工艺作为一种新兴的塑性变形方法，可以在变形过程中引入大的应变量，从而有效细化金属，且获得完整大尺寸块体试样，通过在变形过程中微观组织的控制，可以同时获得具有高强度与大塑性的块体纳米材料。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“一种电脉冲和超声耦合实现金属表面晶粒细化的工艺”，公开号CN104531979A，公开日2015年4月22日；中国发明专利“一种细化钛合金晶粒的高低温剧烈塑性变形制备工艺”，公开号CN105714224A，公开日2016年6月29日。该两项专利分别涉及了超声冲击和高低温塑性变形细化金属表面晶粒的工艺。

目前，在两相区将塑性变形和和超声耦合作用于碳钢表面，细化碳钢表层晶粒，改善其表层微观组织结构和应力状态，提高其力学性能的方法，未见有关文献披露。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出的两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置及工艺，在两相区(Ae3～Ar3温度区)用超声振动强化形变和铁素体相变过程，分析在超声振动强化造成的特殊热变形条件下铁素体相变产物的显微组织特征及其形成机制，在金属构件表层形成晶粒适度细化且尺寸均匀微观组织层，提高金属工件的力学性能，延长寿命，提高构件安全性。