[发明专利]一种超低温冲击动载大塑性变形装置及方法

说明书

本发明属于超低温冲击动载变形金属块体材料超细晶/纳米晶制备技术领域，公开了一种超低温冲击动载大塑性变形装置及方法，在液氮温度下连续进行高速动态加载的塑性变形；在超低温度下抑制金属塑性变形过程中的动态回复；获得更高的形变能，有效累积位错密度，得到超细晶/纳米尺度金属材料。公开的超低温冲击动载大塑性变形装置底板放置在一块空旷的平地上，底板上放置有内筒和外筒，金属样品固定在随动冲击模具中，随动冲击模具在装置中与气动冲击锤的锤杆相连，装置内充满液氮。本发明具有超低温度、样品随动模具冲击、连续高速动态加载的特点，实现了块体金属超细晶/纳米晶的制备，力学性能显著提升。

技术领域

本发明属于超低温冲击动载变形金属块体材料超细晶/纳米晶制备技术领域，旨在设计一种超低温冲击动载大塑性变形装置及方法。

背景技术

目前，要获得超细晶/纳米晶的细化效果必须对金属进行极大的形变加工或使金属获得极大的累积变形量，即大塑性变形，用以实现更高的变形应变和引入复杂应力/应变状态(如强烈的剪切变形)。目前已有的大塑性变形技术有：高压扭转、等径角挤压、累计叠轧等。大塑性变形技术由于简单高效，适用范围广，是制备纳米金属材料的主要方法之一。

在低温或超低温环境下变形会抑制室温变形过程中的动态回复而获得更高形变储能，位错运动至孪晶界或晶界处不断塞积，提高过饱和位错密度，累积高的变形量，产生更多丰富的变形缺陷及缺陷密度，从而极大的提高金属材料强度。

同时，低温下的动态塑性变形和表面机械研磨处理中高层错能金属纯镍也获得了显著的研究成果。利用低温+高速变形多晶纯镍，获得了高密度的含有大量小角晶界的纳米片层结构，小角晶界也是一种低能态界面，这种含有大量小角晶界的纳米片层结构具有高强度和高热稳定性，主要变形机制为位错滑移。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：大塑性变形有效累积变形的效率较低，需多道工序累计变形；金属纳米化区域小，超细晶/纳米晶多集中在表层，对于块体金属材料整体纳米化制备较为困难；变形过程中金属材料的组织均匀性较难控制，不同区域力学性能差异大。

解决以上问题及缺陷的难度为：

1)现有变形工艺及设备主要在常温或中高温条件下对金属采取塑性变形，而低温条件的获取较难实现；2)常规加工方法可获得静态及准静态条件下的塑性变形，但较难获得高速冲击下的大塑性变形；3)现有变形方法较难获得连续塑性变形，塑性变形累计量不足；4)现有金属微米纳米化制备技术很难针对大块体金属实施。

解决以上问题及缺陷的意义为：

通过低温高速冲击动载大变形，可以使得金属材料在晶粒内部及晶界处累计大量位错缺陷，从而有效促进晶粒向亚晶转变。同时在低温条件下可以有效抑制金属材料在变形过程及变形终了时所产生的回复与再结晶发生，从而保证晶粒细化效果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超低温冲击动载大塑性变形装置及大塑性变形方法。

本发明是这样实现的，一种超低温冲击动载大塑性变形方法，所述超低温冲击动载大塑性变形方法包括以下步骤：

步骤一，在液氮温度下进行高速连续冲击动态加载的塑性变形；

步骤二，在超低温度下抑制金属塑性变形过程中回复与再结晶的发生；

步骤三，获得更高的形变能，有效累积位错密度，有效促进晶粒向亚晶转变，有效保证晶粒细化效果，得到超细晶/纳米尺度金属材料。

进一步，所述变形温度：-196℃；应变速率：10²～10³s^-1；真应变：≥1.2。

进一步，所述步骤一高速冲击动态加载的塑性变形过程中，随动冲击模具和金属样品全部始终浸泡在液氮浸泡式冷却装置中的液氮介质里。