电致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属塑性加工领域，涉及电致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置及 其方法。
【背景技术】
[0002] 大塑性变形技术(SPD)作为一种能够有效细化晶粒，提高材料力学性能的深度塑 性变形方法，在制备细晶材料方面具有明显的优势，目前，受到科学界青睐的大塑性变形技 术有等通道转角挤压技术(ECAP)、往复挤压技术(CEC)、高压扭转变形技术(HPT)等，这些制 备细晶材料的方法得到了广泛应用。上述大塑性变形方法还存在着诸多问题，需要加以克 月艮。ECAP在制备的细晶材料存在着织构倾向，试样在变形过程中，变形区较小，挤压道次较 多等问题。CEC、HPT制备细晶材料时，因为模具需要承受的压力过大，因为制备的材料尺寸 较小。往复挤压过程中，由于工件受到约束，因而易开裂。近年新出连续变断面循环挤压技 术(CVCE)，连续变断面循环挤压过程中，工件变形量较小，易造成晶粒大小分布不均匀。
[0003] 在金属塑性变形的过程中，在材料变形的方向辅助以电流，电流会位错施加电子 风力作用，从而促进位错的运动，降低材料的变形抗力，及提高材料的塑性(成型性），这个 现象称为电致塑性现象。国内外研究表明，电致塑性可以达到细化晶粒，提高材料塑性和强 度的效果，较少变形过程中的裂纹等缺陷，使得成型性更好。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术中存在的问题或缺陷，本发明的目的在于，提供一种电致塑性 变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006]电致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置，包括模具和挤压杆，所述装置还包括 加电装置，所述模具内设置有圆柱体模腔和圆台体模腔；圆柱体模腔和圆台体模腔相连通， 二者连接位置形成转角;挤压工件在挤压杆的作用下，在圆柱体模腔和圆台体模腔内往复 运动;加电装置用于对挤压工件施加电流。
[0007] 具体地，所述加电装置包括电源和变压器，二者通过导线连接，二者连接形成的电 路的两端均与所述挤压工件连接。
[0008] 进一步地，所述装置还包括导电挤压装置，所述加电装置一端通过导电挤压装置 与所述挤压工件连接。
[0009] 具体地，所述导电挤压装置包括第一导电挤压杆，第一导电挤压杆与所述圆台体 模腔配合使用，第一导电挤压杆的两端分别连接所述挤压工件和加电装置。
[0010]进一步地，所述导电挤压装置还包括第二导电挤压杆和压力器，第二导电挤压杆 的两端分别连接压力器和所述挤压工件，压力器连接所述的加电装置。
[0011] 进一步地，其特征在于，所述转角的外角Ψ的大小为0°-18°。
[0012] 进一步地，所述转角的内角Φ的半径大小为〇-9mm,所述内角Φ的大小为94° -97°。
[0013] 进一步地，所述圆台体模腔的锥度α的大小为5°-7°。
[0014] 进一步地，加电装置中通过的电流大于106A/m2。
[0015] 应用所述的电致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置进行挤压的方法，具体包括 以下步骤：
[0016] 步骤1，开启加电装置，对挤压工件施加电流；
[0017] 步骤2,将挤压工件放置在圆柱体模腔内，利用挤压杆对挤压工件进行挤压，挤压 工件在压力作用下经过转角进行转角变形后，到达圆台体模腔，在圆台体模腔内形成圆台 体；
[0018] 步骤3,将装置逆时针旋转90°，利用挤压杆对圆台体模腔内的挤压工件进行挤压， 挤压工件经过转角进行转角变形，进入圆柱体模腔中，成型为圆柱体；
[0019] 步骤4,将挤压工件取出，并首尾颠倒，重复步骤1~3,则挤压过程结束。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
[0021] 1、本发明的装置将圆柱体模腔和圆台体模腔相结合，即将挤压工件的纯剪切变形 和挤压工件的墩粗变形相结合，不仅使得挤压工件的晶粒细化的效率和均匀性得到提高， 并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变形的 缺陷消失。
[0022] 2、本发明的装置在一次挤压过程中，挤压工件始终处于模具当中，可以减少挤压 工件的热能损失，同时可以确保变形过程中没有其他的赃物被压入挤压工件中。
[0023] 3、本发明的装置设置转角，目的在于使得挤压工件在转角完成后晶粒得到一定程 度的细化，随之进行变断面变形，挤压工件在圆柱体模腔内完成第一次变形之后，在转角处 受到连续的整体性压力，使得在剪切应力下的挤压工件受到的挤压变形力更加均匀，使得 晶粒细化程度提高并且更加均匀。
[0024] 4、本发明的挤压方法为一种新的细化晶粒方法，克服了现有转角挤压和循环变断 面的技术问题，变断面挤压可以使得在转角挤压工件内外角的死区减少，转角变形使得循 环变断面挤压过程中工件中部变形不均匀甚至不变形的情况消失;可以使得材料细化速率 提高，并且使得材料细化程度提高，效率提高，大大节约时间成本和能耗成本。
[0025] 5、本发明的变断面转角挤压装置和方法可以通过其原理可以实现材料的冷挤压， 同时也可以满足热挤压的要求，设备较为简单，同时操作较为方便。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的装置整体结构示意图；
[0027]图2为变断面转角挤压工件变形机理分析示意图；
[0028]图3为挤压工件为圆台体和圆柱体的示意图；其中，（a)为圆台体，（b)为圆柱体； [0029]图4为挤压工件变形死角示意图；
[0030] 图5为电致塑性变断面转角挤压7道次之后的工件表面；
[0031] 图6为变断面循环挤压2道次后工件外形；
[0032]图中标号代表：1 一模具，2-挤压杆，3-加电装置，3-1-电源，3-2-变压器，4一 圆柱体模腔，5-圆台体模腔，6-转角，7-挤压工件，8-导电挤压装置，8-1-第一导电挤 压杆，8-2-第二导电挤压杆，8-3-压力器，9一第一变形死区，10-第二变形死区。
[0033] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的方案做进一步详细地解释和说明。
【具体实施方式】
[0034] 遵从上述技术方案，参见图1，本发明的电致塑性变断面转角挤压制备细晶的装 置，包括模具1和挤压杆2,所述装置还包括加电装置3,所述模具1内设置有圆柱体模腔4和 圆台体模腔5;圆柱体模腔4和圆台体模腔5相连通，二者连接位置形成转角6;挤压工件7在 挤压杆2的作用下，在圆柱体模腔4和圆台体模腔5内往复运动;加电装置3用于对挤压工件7 施加电流。
[0035] 本发明的装置的工作原理为:将挤压工件7放置在圆柱体模腔4内，利用加电装置3 对挤压工件7施加电流，利用挤压杆2对挤压工件7进行挤压，挤压工件7在压力作用下经过 转角6进行转角变形后到达圆台体模腔5,在圆台体模腔5内形成圆台体;将装置逆时针旋转 90°，利用挤压杆2对圆台体模腔5内的挤压工件7进行挤压，挤压工件7经过转角6进行转角 变形，进入圆柱体模腔4中，成型为圆柱体;上述过程完成后，由于转角6的存在，导致挤压工 件7存在一定的变形死区，因而需对挤压工件7进行二次挤压，即将挤压工件7取出，并首尾 颠倒，重复以上步骤，则挤压过程结束，上述挤压过程为一个循环过程。
[0036] 本发明的装置将圆柱体模腔4和圆台体模腔5相结合，即将挤压工件7的纯剪切变 形和挤压工件7的墩粗变形相结合，不仅使得挤压工件7的晶粒细化的效率和均匀性得到提 高，并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变 形的缺陷消失。
[0037] 本发明的装置在一次挤压过程中，挤压工件7始终处于模具1当中，可以减少挤压 工件7的热能损失，同时可以确保变形过程中没有其他的赃物被压入挤压工件7中。
[0038] 本发明的装置设置转角6,目的在于保证挤压工件7在转角6变形后晶粒得到一定 程度的细化，随之进行变断面变形，挤压工件7在圆柱体模腔4内完成第一次变形之后，在转 角6处受到连续的整体性压力，使得在剪切应力下的挤压工件7受到的挤压变形力更加均 匀，使得晶粒细化程度提高并且更加均匀。
[0039] 本发明设置加电装置，对挤压工件7施加电流，电流运动产生的电子风力可以促进 位错移动，添加以交流电流可以使得位错往阻力最小的方向运动，使得位错塞积减少，使得 金属的塑性流动性更好，使得变断面转角挤压变形过程中的变形死区减少；电流在流经模 具1和挤压工件7时，会产生焦耳热，热量同样会使得金属的塑性得到提高，并且可以使得热 变形工件所需要加热的时间减少。
[0040] 所述加电装置3包括电源3-1和变压器3-2,二者通过导线连接，二者连接形成的电 路的两端均与所述挤压工件7连接。
[0041] 为了简化加电装置3与挤压工件7的连接，所述装置还包括导电挤压装置8,所述加 电装置3-端通过导电挤压装置8与挤压工件7连接。所述导电挤压装置8包括第一导电挤压 杆8-1，第一导电挤压杆8-1与所述圆台体模腔5配合使用，第一导电挤压杆8-1的两端分别 连接所述挤压工件7和加电装置3。所述第一导电挤压杆8-1用于墩粗变形过程对挤压工件7 进行挤压，将挤压工件7由圆台体变为圆柱体，同时，起到连接加电装置3和挤压工件7的作 用。
[0042] 为了使得在挤压工件7在由圆柱体变为圆台体时金属在模具2外角处的变形死区 减少，材料在流动过程中的均匀性得到提高，同时防止挤压工件7表面出现裂纹，对挤压工 件7施加背向压力，【具体实施方式】为:导电挤压装置8还包括第二导电挤压杆8-2和压力器8-3,第二导电挤压杆8-2的两端分别连接压力器8-3和所述挤压工件7,压力器8-3连接所述的 加电装置3。背向压力的大小确定可根据变形材料变形的难易程度进行确定，在电流合适的 情况下，可不必添加背向压力。
[0043]假设本发明的装置的转角6的内角为Φ，内角Φ的中心点为〇，外角为Ψ，本发明的 装置的应变量分别两部分，第一部分为剪切变形后的剪切应变量，第二部分为在进行变断 面挤压后的真应变量。在进行剪切应变量的计算时，假设在挤压过程中，材料的流动均匀且 连续，忽略挤压工件7与模具1之间的摩擦力，那么在挤压过程中，材料的流动速度一致，即 Vffi=V水τ，在同样时间内，水平方向移动材料的位移和竖直方向材料的路径相等，因而可以 选择任意一个变形单元，通过几何分析的方法获取变形的机理。
[0044] 参见图2，选取变形单元abed，经过变断面转角挤压之后变为等边梯形a ' b ' c ' d '， 过c'点坐c'f丄ef，且有c'e| |na'，a'b' I |c'd'其中，n为oa'与转角的交点，ef为水平线，d'r 与水平线的夹角为a，d'r为圆台体模腔4的底壁，由于变形过程中有Vige= V水平，则:
[0045] W C7 cosa = bc = ad = a/ d7 cosa
[0046] 由于材料在流动过程中各质点的材料流动速度一致，则在相同