CN105132653A - 轧弯组合变形强化金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轧弯组合变形强化金属的方法，金属材料经过轧机轧制成一定的尺寸后，由一对夹送辊引入到一组可实现反复塑性弯曲变形的弯曲辊系进行反复塑性弯曲变形。实现金属材料在一组弯曲辊系中通过反复塑性弯曲变形，在其内部形成由中性层到表层了累积应变递增，晶粒组织细化递增的金属组织结构，从而实现在金属材料尺寸基本不变的情况下，增加金属内部应变量，提高金属材料的强韧性，特别是金属材料的表面强韧性的一种变形方法，即轧弯组合变形强化金属材料。

Description

轧弯组合变形强化金属的方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料的强化方法，尤其是一种轧弯组合变形强化金属的方法。

背景技术

近年来，在全球经济的高速发展同时，人们对资源的消耗和绿色环境的保护意识日以增强。对人类赖以生存的对金属需求量消耗不断增加的同时，希望研发高强度的金属材料来替代常规金属材料，以达到节省金属资源。提高金属材料的强度方法，一是合金化，这是一种资源消耗性的强化机制；二是组织(晶粒)细化，这是一种资源节约性的强化机制，根据Hal1-Petch关系式σ_s＝σ₀+k·d^-1/2(d为晶粒的尺寸)，细化晶粒，可以有效提高金属材料强韧性。目前，通过金属材料的塑性变形以及相应的热处理制度来细化金属晶粒，甚至细化晶粒向纳米化发展成为材料科学工作者研究的热点。如强烈塑性变形(severeplasticdeformation)的等径角挤压(ECAP)工艺、高压扭转(HPT)法、累积轧制(ARB)、多向锻造(MF)等工艺都是从对金属反复进行挤压或扭转等变形，从而积累大量应变，进而能够有效地将块体材料内部的晶粒细化，制备出块体超细晶(纳米晶)材料。但这种方法制备的试样尺寸小，难于实现连续化生产。金属材料的局部强化方法，以满足用户的要求也是一种有效节约金属资源的方法，例如喷丸，渗氮等工艺可以有效提高金属表面强度，增加耐磨性。但喷丸对薄板工件的处理，容易使工件变形，对带有油污的工件，需要清理表层油污，清理效率低，操作人员多，劳动强度大等缺点进一步限制其应用范围；渗氮工艺易出现硬度偏低，硬度和渗层不均匀，变形过大，外观质量差，脉状氮化物，生产工艺复杂，金属应用范围窄等缺点，同样使其应用受到限制。

发明内容

本发明是要提供一种轧弯组合变形强化金属的方法，针对轧制产品后续增设一个金属材料的反复塑性弯曲的装置，实现金属材料在一组弯曲辊系中通过反复塑性弯曲变形，在其内部形成由中性层到表层了累积应变递增，晶粒组织细化递增的金属组织结构，从而实现在金属材料尺寸基本不变的情况下，增加金属内部应变量，提高金属材料的强韧性，特别是金属材料的表面强韧性的一种变形方法，即轧弯组合变形强化金属材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种轧弯组合变形强化金属的方法，金属材料经过轧机轧制成一定的尺寸后，由一对夹送辊引入到一组可实现反复塑性弯曲变形的弯曲辊系进行反复塑性弯曲变形，形成在金属材料内部由中性层到表层了累积应变递增，晶粒组织细化递增的金属组织结构。

根据所需的累积应变和晶粒组织要求，增减弯曲辊系的数量。

金属材料完成反复塑性弯曲变形后，用另一对夹送辊送出，进入到轧制线的后续工序。

所采用的弯曲辊的大小通过：

1)n个周期弯曲变形后，工件上表面的累积真应变公式：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{\Σ}=2nln\left(1+\frac{1}{\frac{r}{h}}\right)& (n=1,2,\mathrm{3......})\end{array}---\left(6\right)$

2)距离中性面x距离的累积真应变公式：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{\Σ}=2nln\left(\frac{r/h+1/2+x/h}{r/h+1/2-x/h}\right)& (n=1,2,\mathrm{3.....})\end{array}---\left(7\right)$

式中：r为金属板材试样的弯曲曲率半径、h为金属板材试样的厚度，x＝0～h/2,即：x＝0试样中性面处，x＝h/2为试样上下表面；计算来实现最佳的累积变形效果。

通过改变弯曲辊辊身的形状，实现金属板材、简单断面型材的反复塑性弯曲变形过程，强化金属材料。

本发明的有益效果是：

1)实现过程简单。只要在现行的轧制生产现上，增设一套弯曲辊系、二个夹送辊，并利用轧机轧出轧件的动力，实现金属材料的牵引导入，使金属材料在一套弯曲辊系中发生反复塑性弯曲变形，在其内部形成由中性层到表层了累积应变递增，晶粒组织细化递增的金属组织结构。

2)轧件的尺寸基本维持不变。即轧制设备不增强的基础上，实现轧件的大变形，进一步提高金属材料内部变形储能，有力提高金属材料的强韧性。

3)弯曲辊系中的弯曲辊数量可以根据不同的累积应变量要求，进行调整。

4)通过公式(6)、公式(7)的计算，可以优化设计弯曲辊的大小，以实现最佳的累积变形效果。

5)通过设计弯曲辊辊身的形状，实现金属板材、简单断面型材实现反复塑性弯曲变形过程，强化金属材料。

附图说明

图1是工件弯曲变形示意图；

图2是不同径厚比r/h试样反复弯曲1～10个周期的累积真应变分布；

其中：(a)径厚比r/h＝1，(b)径厚比r/h＝1.5，(c)径厚比r/h＝2，(d)径厚比r/h＝4

图3是轧弯组合变形装置示意图；

图4是沿试样厚度方向取样的位置图；

图5是H85黄铜退火后板料和经过不同周期弯曲变形后试样的金相组织；

其中：(a)退火板料的金相图，(b)r/h＝1.5，3个周期弯曲变形后边部金相图，(C)r/h＝4，5个周期弯曲变形后边部金相图，(d)r/h＝4，5个周期弯曲变形后中性面金相图

图6是工件变形前后不同位置的显微硬度值。

其中：(a)r/h＝1.5，(b)r/h＝4

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施过程：

1、轧弯组合变形强化金属材料的原理

根据金属板材塑性弯曲变形过程中的几何尺寸变化，计算其累积应变量。如图1所示，假定金属板材塑性弯曲变形过程中，沿厚度方向的中性面几何长度不变，而其内外侧发生塑性压缩或延伸变形。依据塑性变形叠加效应，确定其内部的塑性累积变形量。

根据设计的试验方案，试样工件的一个周期弯曲变形，即经过“平直—弯曲—压平—反向弯曲—再压平”(称之为一个周期，即1T)，其累积真应变量为：

设试样工件原长(即中性面长度)：l₀＝α(r+h/2)

试样工件上表面受延伸变形后长度为：l₁＝α(r+h)

试样工件下表面受压缩变形后长度为：l₂＝αr

其中：r为金属板材试样的弯曲曲率半径、h为金属板材试样的厚度。

以上表面为例，工件由平直到弯曲的真应变为：

又由弯曲到平直的真应变为： $e_2=ln\frac{l_0}{l_1}---\left(2\right)$

反向弯曲变形的真应变为： $e_3=ln\frac{l_2}{l_0}---\left(3\right)$

再次由弯曲展平的真应变为： $e_4=ln\frac{l_0}{l_2}---\left(4\right)$

由(1)～(4)可得到一个弯曲变形周期的工件上表面累积真应变为：

$e=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}\left|e_i\right|=2ln\left(1+\frac{1}{\frac{r}{h}}\right)---\left(5\right)$

因此,n个周期弯曲变形后，工件上表面的累积真应变为：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{\Σ}=2nln\left(1+\frac{1}{\frac{r}{h}}\right)& (n=1,2,\mathrm{3.....})\end{array}---\left(6\right)$

同样推导，距离中性面x距离的累积真应变为：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{\Σ}=2nln\left(\frac{r/h+1/2+x/h}{r/h+1/2-x/h}\right)& (n=1,2,\mathrm{3.....})\end{array}---\left(7\right)$

式中：x＝0～h/2,即：x＝0试样中性面处，x＝h/2为试样上下表面。

根据上述推导的金属板材在塑性弯曲变形过程中，其内部的累积真应变计算，如图2所示。

由图2所示，金属材料通过反复塑性弯曲变形，其内部累积真应变量随着弯曲周期(n)的增加而线性增大、随着径厚比(r/h)的减小而增大、随着距中性面距离(x/h)的增加而增大。即形成在金属材料内部由中性层到表层了累积应变递增，晶粒组织细化递增的金属组织结构，达到强化金属，特别是强化金属表层的作用。

2、轧弯组合变形强化金属的实施方案

如图3所示，金属材料8经过轧机9轧制成一定的尺寸后，由一对夹送辊6引入到一组可实现反复塑性弯曲变形的弯曲辊系(图3所示的弯曲辊Ⅰ～弯曲辊Ⅴ1，2，3，4，5)，进行反复塑性弯曲变形，形成在金属材料8内部由中性层到表层了累积应变递增，晶粒组织细化递增的金属组织结构。可以根据所需的累积应变和晶粒组织要求，增减弯曲辊系的数量。金属材料完成反复塑性弯曲变形后，有另一对夹送辊7送出，进入到轧制线的后续工序。

本发明的具体实施例：

1、金属板材弯曲变形后金相组织实验分析

为了进一步分析H85黄铜板材经过反复塑性弯曲变形后，其内部累积应变对金属组织影响的效应。沿试样厚度方向不同位置取样(如图4所示，为取样位置)，进行金相组织观察分析。

所取的金相试样为：弯曲变形前的完全退火处理试样、径厚比r/h＝1.5的弯曲变形3个周期试样、径厚比r/h＝4的弯曲变形5个周期试样，试样的金相显微组织如图5所示。从图5(a)可以看出，退火料的晶粒多为等轴状，平均晶粒尺寸约为60μm。图5(b)为r/h＝1.5，3个周期弯曲变形后，边部取样的金相图，即晶粒发生细化破碎，平均晶粒尺寸减小到20微米，大约为退火后出的三分之一。图5(c)为r/h＝4，5个周期弯曲变形后，边部取样的金相图，晶粒细化破碎更大，部分晶粒尺寸已不足10μm。图5(d)为r/h＝4，5个周期弯曲变形后，中性面处的金相图，平均晶粒尺寸约为50微米，其尺寸略小于退火后的晶粒，反映了前所分析的试样弯曲过程中，其中性面部位有少量塑性变形的结果。

2、金属板材塑性弯曲变形后的显微硬度试验分析

在试样径厚比r/h＝1.5和4，并经过不同周期弯曲变形后，板料试样的内部晶粒尺寸发生变化，同时其显微硬度也相应发生了变化。如图6所示，为金属板料内部显微硬度变化情况。

H85黄铜板料退火后的平均硬度为86.3HV，经过径厚比r/h＝1.5，进行1T,2T,3T弯曲变形后，板料表面硬度最大值分别为153.9HV，168.6HV,187.3HV,分别增加了117.0％，95.4％，78.3％。经过径厚比r/h＝4，弯曲变形之后，板料处硬度也都有很大的提高，经过五个周期弯曲变形后，最大硬度增加81.5％，如表1所示。

表1工件变形前后表层显微硬度值

H85黄铜板料显微硬度的变化，反映了工件在变形之后其内部应变的累积效应。在距离中性面较远的边缘处(x/h比较大的部位)，由于其累积应变比较大，导致其位错密度增加，位错的交互作用也随之增加，使其显微硬度提高。

在反复塑性弯曲变形过程中，由于工件中间部位也存在少量的塑性变形，结果使工件的中性面部位显微硬度也得到提高，并随着径厚比(r/h)的减小而增大。

3、轧弯组合变形强化金属材料的试验结果说明

金属材料的经过反复塑性弯曲变形，可有效强化其性能，是一种有效提高金属板材的强化的方法。试验通过对金属材料反复塑性弯曲变形后，其内部累积应变量的推导计算、金相分析以及显微硬度测量后，得到如下结论：

1)金属材料经过反复塑性弯曲变形后，可有效提高其内部的累计应变量。累积应变量随着弯曲周期(n)的增加而线性增大、随着径厚比(r/h)的减小而增大、随着距中性面距离(x/h)的增加而增大。

2)金属材料的反复塑性弯曲变形，其内部的等效累积应变不仅在材料表层存在，而且可以渗透到金属材料的中心层部位。

3)金属材料的反复塑性弯曲变形可以有效地破碎和细化晶粒，其破碎细化效果随径厚比r/h的减小而增加，并由板材的中性面到其边缘而增强。

4)金属材料的反复塑性弯曲变形可以有效强化其强韧性能指标，材料表面的显微硬度提高了一倍以上，而且其中心层的显微硬度也提高了20％以上。

Claims (5)

1.一种轧弯组合变形强化金属的方法，其特征在于：金属材料经过轧机轧制成一定的尺寸后，由一对夹送辊引入到一组可实现反复塑性弯曲变形的弯曲辊系进行反复塑性弯曲变形，形成在金属材料内部由中性层到表层了累积应变递增，晶粒组织细化递增的金属组织结构。

2.根据权利要求1所述的轧弯组合变形强化金属的方法，其特征在于：根据所需的累积应变和晶粒组织要求，增减弯曲辊系的数量。

3.根据权利要求1所述的轧弯组合变形强化金属的方法，其特征在于：金属材料完成反复塑性弯曲变形后，用另一对夹送辊送出，进入到轧制线的后续工序。

4.根据权利要求1所述的轧弯组合变形强化金属的方法，其特征在于：所述弯曲辊系中的弯曲辊大小通过：

1)n个周期弯曲变形后，工件上表面的累积真应变公式：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{\Σ}=2nln\left(1+\frac{1}{\frac{r}{h}}\right)& (n=1,2,\mathrm{3.....})\end{array}---\left(6\right)$

2)距离中性面x距离的累积真应变公式：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{\Σ}=2nln\left(\frac{r/h+1/2+x/h}{r/h+1/2-x/h}\right)& (n=1,2,\mathrm{3.....})\end{array}---\left(7\right)$

式中：r为金属板材试样的弯曲曲率半径、h为金属板材试样的厚度，x＝0～h/2,即：x＝0试样中性面处，x＝h/2为试样上下表面；计算来实现最佳的累积变形效果。

5.根据权利要求1所述的轧弯组合变形强化金属的方法，其特征在于：通过改变弯曲辊辊身的形状，实现金属板材、简单断面型材的反复塑性弯曲变形过程，强化金属材料。