CN103643191A - 一种提高铝材延伸率的预应力微变形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属塑性加工，特指一种提高铝材延伸率的预应力微变形方法，在铝材大尺寸塑性变形前，对包括铝合金或铝基复合材料在内的铝材施加应力源，所述应力源为光照处理、磁场处理或深冷处理，以提高铝材的延伸率和强度。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性加工，特指一种提高铝材延伸率的预应力微变形方法，即在变形加工之前对材料施加预应力，促使材料内部发生微塑性变形，该处理方法有助于提高材料延伸率，并同步提高材料强度。
背景技术
金属塑性加工是以材料高塑性为前提并在外力作用下进行的，从金属塑性加工的角度出发，具有高塑性变形能力将是材料的重要优势之一，但众所周知，对于金属材料，高强度和低塑性往往是伴生的，在实际生产中往往需要对这些逐渐出现的“高强度、低塑性”材料进行塑性变形加工，目的在于改善制品尺寸或提高材料综合性能，因此探索一条行之有效的提高此类塑性变形能力的途径是非常迫切的，在备受关注的高性能铝材研究和应用领域中，在铝基复合材料出现之前，对铝材的研发和应用主要集中在不同系列铝合金方面，强化机制主要涉及固溶强化、析出相强化、细晶强化等方面，材料的强韧性和弹性模量在较长时间内停留在一个不太高的极值水平，近十余年来国家各主要支撑行业如轨道交通、军事国防的迅速发展对轻质高强韧铝材提出了迫切需求，在此应用背景下铝基复合材料应运而生,其中原位内生颗粒增强铝基复合材料满足了研发新材料新工艺必备的“高性能、高效率、低成本、低污染”的外在和内在需求，且日渐受到关注,从组织特征上看，内生颗粒尺寸细小且容易控制，基体与颗粒界面结合良好，无副产物生成，材料具有综合优异的使用性能，包括高比强度、高比刚度、高比模量、高耐磨、高耐腐蚀、低热膨胀（尺寸稳定性好）等，在轨道交通、航空航天、军事装备、电子器件等领域有着广泛应用前景,申请者所在团队经过十余年的努力，现已能制备出尺寸处于纳米级，且在基体中弥散分布的颗粒增强铝基复合材料（以下简称复合材料），形成了涵盖“设计→合成→加工→组织→性能”各环节的较完整理论；但研究同时也发现：因为硬质颗粒的存在弱化了材料塑性变形能力，复合材料的延展性不及基体材料，较大程度上限制了复合材料在更广度和更深度层面的使用，因此亟待寻找一条能提高复合材料塑性变形能力的有效途径以弥补其塑性变形能力差之关键缺陷。
目前来看，与材料高塑性变形能力直接相关的研究是超塑性材料,使金属具备超塑性的方法主要是使其发生特定的组织变性并获得晶粒直径10μm以下的稳定等轴超细晶粒，通常采用剧烈变形方法通过大应变实现基体晶粒纳米化和超塑性，控制并优化超塑性变形时的温度、应变速率、加热方式等使金属更易获得超塑性，但分析可知：通过剧烈变形实现晶粒纳米化和超塑性的方法只适合于延展性好的铝合金，比如变形铝等，换句话说：通过晶粒纳米化实现塑性提高或者超塑性的途径只适合某些高塑性金属材料；并且在剧烈变形过程中材料尺寸变形、组织变形和残余应力都很大，对于有特殊要求的构件并不适合。
本发明结合前期实验研究，提出一种“预应力微变形”方法，即在材料大尺寸塑性变形之前对材料施以外场，促使材料发生微塑性变形，该方法处理后的材料延伸率得以大幅提高，强度同步提高。
发明内容
本发明提供一种提高铝材（包括铝合金或铝基复合材料）延伸率的方法，即“预应力微变形”方法，即在铝材大尺寸塑性变形前对材料施加一定种类和一定强度的应力源，可选择的应力源有光照、磁场处理和深冷处理等，同时控制预应力处理作用时间，经过“预应力微变形”处理后，材料的延伸率有了明显改善和提高，具体实施过程为：
第一种方法为光照处理法，要求光照频率要大于铝的临界频率（即铝原子中的电子能被激发时需要的最小频率，为1.035×1015），相应地光的波长要小于铝的临界波长（光速/临界频率，为329nm），在可获得的光源中符合条件的光种类有：①紫外光，又被划分为A 射线、B 射线和C 射线(简称UVA、UVB 和UVC),波长范围分别为A 射线400-315nm,B射线315-280nm,C射线280-190nm；②X射线波长0.01-10nm；③γ射线波长，波长短于0.02nm，结合实验成本和对光特征的要求，常选择紫外光中的UVA、UVB 和UVC；研究表明：光照种类不是决定塑性变形能力的重要因素，只要频率和波长满足要求即可；再者，适宜的光子能量范围为2~10eV适宜的处理时间范围30min-90min，光子能量和处理时间低于下限时不能达到预期的微塑性变形量，高于上限时会超过预期微塑性变形量，在设定范围内时，光子能量大和处理时间延长时，微塑性变形量增加，有助于提高材料延伸率，分析光照处理法促进材料发生微塑性变形的机制认为：当光子能量达到一定值时，材料中的电子会被激发出来，填充在材料内部位错沟壑之间，光照效果相当于弱磁场，对电子流有力的作用，当电子流在位错沟壑间运动时，促进位错运动，综合表现为微塑性变形。
第二种方法为磁场处理法，将材料置于一定磁感应强度的磁场中，磁场类型可以是静磁场和脉冲磁场，磁感应强度在2~10T为宜，对于静磁场，处理时间2~10min为宜，对于脉冲磁场，脉冲处理数30~50脉冲为宜，磁感应强度、处理时间和脉冲数低于下限时不能达到预期微塑性变形量，高于上限时会超过预期微塑性变形量，在设定范围内时，磁感应强度、处理时间和脉冲数增加时，微塑性变形量增加，有助于提高材料延伸率，分析磁场处理法促进材料发生微塑性变形的机制认为主要是基于磁致塑性效应，即在有磁场条件下，原子中无序排列的电子发生取向，并在磁场力作用下发生运动，电子群的运动导致原子排列顺序改变，促进了位错运动，综合表现为塑性变形。
第三种方法为深冷处理法，将材料置于冷处理参数（降温速度、处理温度和处理时间）可控的深冷处理箱中，降温速度在5~10℃/min为宜，处理温度-150~-196℃为宜，处理时间24~36h为宜，降温速度、处理温度和处理时间低于下限时不能达到预期微塑性变形量，高于上限时会超过预期微塑性变形量，在设定范围内时，降温速度、处理温度和处理时间增加时，微塑性变形量增加，有助于提高材料延伸率，分析冷处理法促进材料发生微塑性变形的机制认为主要是基于材料热胀冷缩的特征，材料遇冷后体积会收缩，在材料内部造成内应力，促进位错运动，综合表现为微塑性变形。
以上三种方法都是材料获得微塑性变形的应力源，是材料延伸率提高的重要途径，分析微塑性变形后材料延伸率提高的原因认为：经过微塑性变形后，材料释放残余应力，减缓了拉伸变形或者大尺寸塑性加工变形时的变形抗力，有助于提高材料的延伸率，三种条件下材料的延伸率增幅为100-250%，三种条件下抗拉强度有小幅增长，增幅为4.5%~5.5%。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。
实施例1 光照辐射法处理7055铝合金及其延伸率变化
7055铝合金是以Zn、Mg和Cu作为主要合金强化元素的，其主要成分见下表1。
表1 7055铝合金的成分表
| Zn | Mg | Cu | Zr | Fe | Mn | Si | Ti | Cr | Al |
| 8.0 | 2.2 | 0.2 | 0.2 | ≤0.10 | ≤0.05 | ≤0.15 | ≤0.06 | ≤0.04 | Bal |
熔炼铸造并经过热处理后，将7055铝合金用UVB照射，光子能量5eV，光照处理时间为60min，处理后材料的延伸率由原来的7.1%提高到22.5%，增幅217%，即比未处理材料延伸率值增加2.17倍，增幅明显，强度由处理前的640MPa增加到672MPa，增幅5%。
实施例2磁场处理氧化铝颗粒强化7055铝基复合材料及其延伸率变化
通过熔体直接反应法在7055基体中生成氧化铝颗粒，颗粒平均尺寸小于1μm，颗粒体积分数为3vol.%。
熔炼铸造并经过热处理后，将氧化铝颗粒强化7055铝基复合材料置于磁感应强度为5T的脉冲磁场中，脉冲给处理个数为40，处理后材料的延伸率由原来的6.7%提高到15.5%，增幅131%，即比未处理材料延伸率值增加1.31倍，强度由处理前的698MPa增加到730MPa，增幅4.6%。
实施例3冷处理氧化铝颗粒强化7055铝基复合材料及其延伸率变化
通过熔体直接反应法在7055基体中生成氧化铝颗粒，颗粒平均尺寸小于1μm，颗粒体积分数为3vol.%。
熔炼铸造并经过热处理后，将氧化铝颗粒强化7055铝基复合材料置于深冷箱中，控制降温速度为8℃/min，处理温度-175℃，处理时间30h，结束后置于空气中，处理后材料的延伸率由原来的6.7%提高到19.5%，增幅191%，即比未处理材料延伸率值增加1.91倍，强度由处理前的698MPa提高到735MPa，增幅5.3%。
Claims (6)
1.一种提高铝材延伸率的预应力微变形方法，其特征在于：在铝材大尺寸塑性变形前，对包括铝合金或铝基复合材料在内的铝材施加应力源，所述应力源为光照处理、磁场处理或深冷处理，以提高铝材的延伸率和强度。
2.如权利要求1所述的一种提高铝材延伸率的预应力微变形方法，其特征在于：所述光照处理的光照频率要大于铝的临界频率，相应地光的波长要小于铝的临界波长，光子能量范围为2~10eV，处理时间范围30min-90min。
3.如权利要求2所述的一种提高铝材延伸率的预应力微变形方法，其特征在于：所述光照处理中选择紫外光中的UVA、UVB 或UVC。
4.如权利要求1所述的一种提高铝材延伸率的预应力微变形方法，其特征在于：所述磁场处理中的磁场选择静磁场或脉冲磁场，磁感应强度为2~10T；对于静磁场，处理时间2~10min，对于脉冲磁场，脉冲处理数30~50脉冲。
5.如权利要求1所述的一种提高铝材延伸率的预应力微变形方法，其特征在于：所述的深冷处理指将铝材置于深冷处理箱中，降温速度在5~10℃/min，处理温度-150~-196℃为宜，处理时间24~36h。
6.如权利要求1所述的一种提高铝材延伸率的预应力微变形方法，其特征在于：所述提高铝材的延伸率和强度指：材料的延伸率增幅为100-250%，抗拉强度有小幅增长，增幅为4.5%~5.5%。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180613 Address after: 523841, building 745, Sha an Jianan Road, Changan Town, Dongguan, Guangdong. Patentee after: Dongguan Hong Jin metal products Co., Ltd. Address before: No. 301, Xuefu Road, Jingkou District, Zhenjiang, Jiangsu Province Patentee before: Jiangsu University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 523000 2 / F, room 03, building 17, Zhongji Zhigu, No.1, Nanshan Road, Songshan Lake high tech Industrial Development Zone, Dongguan City, Guangdong Province Patentee after: Guangdong Hongjin New Material Technology Co., Ltd Address before: 523841, building 745, Sha an Jianan Road, Changan Town, Dongguan, Guangdong. Patentee before: DONGGUAN HONGJIN METAL PRODUCTS Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A method of prestressing micro deformation for improving elongation of aluminum Effective date of registration: 20201208 Granted publication date: 20160113 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Dongguan branch Pledgor: Guangdong Hongjin New Material Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2020440000388 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 2 / F, unit 03, building 17, Zhongji Zhigu, No.1, Nanshan Road, Shanhu hi tech Industrial Development Zone, Dongguan City, Guangdong Province, 523000 Patentee after: Guangdong Zhongse Yanda New Material Technology Co.,Ltd. Address before: 523000 Dongguan City, Guangdong Province, Songshan Lake High-tech Industrial Development Zone, No. 1 Nanshan Road, Zhongji Zhigu 17 Building, 03 Families, 2 Floors Patentee before: Guangdong Hongjin New Material Technology Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220114 Granted publication date: 20160113 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Dongguan branch Pledgor: Guangdong Hongjin New Material Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2020440000388 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A prestressed micro deformation method for improving aluminum elongation Effective date of registration: 20220119 Granted publication date: 20160113 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Dongguan branch Pledgor: Guangdong Zhongse Yanda New Material Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980000786 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |