一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法
2023-10-18 05:19:14 1
一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法
【專利摘要】本發明涉及金屬塑性加工，特指一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法，在鋁材大尺寸塑性變形前，對包括鋁合金或鋁基複合材料在內的鋁材施加應力源，所述應力源為光照處理、磁場處理或深冷處理，以提高鋁材的延伸率和強度。
【專利說明】一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬塑性加工，特指一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法，即在變形加工之前對材料施加預應力，促使材料內部發生微塑性變形，該處理方法有助於提高材料延伸率，並同步提高材料強度。
【背景技術】
[0002]金屬塑性加工是以材料高塑性為前提並在外力作用下進行的，從金屬塑性加工的角度出發，具有高塑性變形能力將是材料的重要優勢之一，但眾所周知，對於金屬材料，高強度和低塑性往往是伴生的，在實際生產中往往需要對這些逐漸出現的「高強度、低塑性」材料進行塑性變形加工，目的在於改善製品尺寸或提高材料綜合性能，因此探索一條行之有效的提高此類塑性變形能力的途徑是非常迫切的，在備受關注的高性能鋁材研究和應用領域中，在鋁基複合材料出現之前，對鋁材的研發和應用主要集中在不同系列鋁合金方面，強化機制主要涉及固溶強化、析出相強化、細晶強化等方面，材料的強韌性和彈性模量在較長時間內停留在一個不太高的極值水平，近十餘年來國家各主要支撐行業如軌道交通、軍事國防的迅速發展對輕質高強韌鋁材提出了迫切需求，在此應用背景下鋁基複合材料應運而生，其中原位內生顆粒增強鋁基複合材料滿足了研發新材料新工藝必備的「高性能、高效率、低成本、低汙染」的外在和內在需求，且日漸受到關注，從組織特徵上看，內生顆粒尺寸細小且容易控制，基體與顆粒界面結合良好，無副產物生成，材料具有綜合優異的使用性能，包括高比強度、高比剛度、高比模量、高耐磨、高耐腐蝕、低熱膨脹(尺寸穩定性好)等，在軌道交通、航空航天、軍事裝備、電子器件等領域有著廣泛應用前景，申請者所在團隊經過十餘年的努力，現已能製備出尺寸處於納米級，且在基體中彌散分布的顆粒增強鋁基複合材料(以下簡稱複合材料)，形成了涵蓋「設計一合成一加工一組織一性能」各環節的較完整理論；但研究同時也發現:因為硬質顆粒的存在弱化了材料塑性變形能力，複合材料的延展性不及基體材料，較大程度上限制了複合材料在更廣度和更深度層面的使用，因此亟待尋找一條能提高複合材料塑性變形能力的有效途徑以彌補其塑性變形能力差之關鍵缺陷。
[0003]目前來看，與材料高塑性變形能力直接相關的研究是超塑性材料，使金屬具備超塑性的方法主要是使其發生特定的組織變性並獲得晶粒直徑IOym以下的穩定等軸超細晶粒，通常採用劇烈變形方法通過大應變實現基體晶粒納米化和超塑性，控制並優化超塑性變形時的溫度、應變速率、加熱方式等使金屬更易獲得超塑性，但分析可知:通過劇烈變形實現晶粒納米化和超塑性的方法只適合於延展性好的鋁合金，比如變形鋁等，換句話說:通過晶粒納米化實現塑性提高或者超塑性的途徑只適合某些高塑性金屬材料；並且在劇烈變形過程中材料尺寸變形、組織變形和殘餘應力都很大，對於有特殊要求的構件並不適合。
[0004] 本發明結合前期實驗研究，提出一種「預應力微變形」方法，即在材料大尺寸塑性變形之前對材料施以外場，促使材料發生微塑性變形，該方法處理後的材料延伸率得以大幅提聞，強度同步提聞。
【發明內容】
[0005] 本發明提供一種提高鋁材(包括鋁合金或鋁基複合材料)延伸率的方法，即「預應力微變形」方法，即在鋁材大尺寸塑性變形前對材料施加一定種類和一定強度的應力源，可選擇的應力源有光照、磁場處理和深冷處理等，同時控制預應力處理作用時間，經過「預應力微變形」處理後，材料的延伸率有了明顯改善和提高，具體實施過程為:
第一種方法為光照處理法，要求光照頻率要大於鋁的臨界頻率(即鋁原子中的電子能被激發時需要的最小頻率，為1.035X 1015)，相應地光的波長要小於鋁的臨界波長(光速/臨界頻率，為329nm)，在可獲得的光源中符合條件的光種類有:①紫外光，又被劃分為A射線、B射線和C射線(簡稱UVA、UVB和UVC)，波長範圍分別為A射線400_315nm，B射線315-280nm，C射線280_190nm ;@X射線波長0.01-1Onm ?』③\射線波長，波長短於0.02nm,結合實驗成本和對光特徵的要求，常選擇紫外光中的UVA、UVB和UVC;研究表明:光照種類不是決定塑性變形能力的重要因素，只要頻率和波長滿足要求即可；再者，適宜的光子能量範圍為2~IOeV適宜的處理時間範圍30min-90min，光子能量和處理時間低於下限時不能達到預期的微塑性變形量，高於上限時會超過預期微塑性變形量，在設定範圍內時，光子能量大和處理時間延長時，微塑性變形量增加，有助於提高材料延伸率，分析光照處理法促進材料發生微塑性變形的機制認為:當光子能量達到一定值時，材料中的電子會被激發出來，填充在材料內部位錯溝壑之間，光照效果相當於弱磁場，對電子流有力的作用，當電子流在位錯溝壑間運動時，促進位錯運動，綜合表現為微塑性變形。
[0006]第二種方法為磁場處理法,將材料置於一定磁感應強度的磁場中，磁場類型可以是靜磁場和脈衝磁場，磁感應強度在2~10T為宜,對於靜磁場,處理時間2~10min為宜,對於脈衝磁場，脈衝處理數3(T50脈衝為宜，磁感應強度、處理時間和脈衝數低於下限時不能達到預期微塑性變形量，高於上限時會超過預期微塑性變形量，在設定範圍內時，磁感應強度、處理時間和脈衝數增加時，微塑性變形量增加，有助於提高材料延伸率，分析磁場處理法促進材料發生微塑性變形的機制認為主要是基於磁致塑性效應，即在有磁場條件下，原子中無序排列的電子發生取向，並在磁場力作用下發生運動，電子群的運動導致原子排列順序改變，促進了位錯運動，綜合表現為塑性變形。
[0007]第三種方法為深冷處理法，將材料置於冷處理參數(降溫速度、處理溫度和處理時間)可控的深冷處理箱中，降溫速度在5~10°C /min為宜，處理溫度-15(T_196°C為宜，處理時間24~36h為宜，降溫速度、處理溫度和處理時間低於下限時不能達到預期微塑性變形量，高於上限時會超過預期微塑性變形量，在設定範圍內時，降溫速度、處理溫度和處理時間增加時，微塑性變形量增加，有助於提高材料延伸率，分析冷處理法促進材料發生微塑性變形的機制認為主要是基於材料熱脹冷縮的特徵，材料遇冷後體積會收縮，在材料內部造成內應力，促進位錯運動，綜合表現為微塑性變形。
[0008]以上三種方法都是材料獲得微塑性變形的應力源，是材料延伸率提高的重要途徑，分析微塑性變形後材料延伸率提高的原因認為:經過微塑性變形後，材料釋放殘餘應力，減緩了拉伸變形或者大尺寸塑性加工變形時的變形抗力，有助於提高材料的延伸率，三種條件下材料的延伸率增幅為100-250%，三種條件下抗拉強度有小幅增長，增幅為
4.59T5.5%。【具體實施方式】
[0009]以下結合實施例對本發明作進一步的闡述，實施例僅用於說明本發明，而不是以任何方式來限制本發明。
[0010]實施例1光照輻射法處理7055鋁合金及其延伸率變化
7055鋁合金是以Zn、Mg和Cu作為主要合金強化元素的，其主要成分見下表1。
[0011]表1 7055招合金的成分表
【權利要求】
1.一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法，其特徵在於:在鋁材大尺寸塑性變形前，對包括鋁合金或鋁基複合材料在內的鋁材施加應力源，所述應力源為光照處理、磁場處理或深冷處理，以提高鋁材的延伸率和強度。
2.如權利要求1所述的一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法，其特徵在於:所述光照處理的光照頻率要大於鋁的臨界頻率，相應地光的波長要小於鋁的臨界波長，光子能量範圍為2~IOeV,處理時間範圍30min-90min。
3.如權利要求2所述的一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法，其特徵在於:所述光照處理中選擇紫外光中的UVA、UVB或UVC。
4.如權利要求1所述的一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法，其特徵在於:所述磁場處理中的磁場選擇靜磁場或脈衝磁場，磁感應強度為2~10T ;對於靜磁場,處理時間2~IOmin,對於脈衝磁場,脈衝處理數30~50脈衝。
5.如權利要求1所述的一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法，其特徵在於:所述的深冷處理指將鋁材置於深冷處理箱中，降溫速度在5~10°C /min，處理溫度-15(T_196°C為宜，處理時間24~36h。
6.如權利要求1所述的一種提高鋁材延伸率的預應力微變形方法，其特徵在於:所述提高鋁材的延伸率和強度指:材料的延伸率增幅為100-250%，抗拉強度有小幅增長，增幅為 4.5%~5.5%o
【文檔編號】C22F1/04GK103643191SQ201310686676
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】李桂榮, 王宏明 申請人:江蘇大學