CN107419207A - 一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置 - Google Patents

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苗笑楠
孙巧艳
张宏宝
辛超
孙军
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Abstract

本发明公开了一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，包括固定在底座上的刀具和能够固定在车床上的容器，容器用于放置锆四合金试样，刀具指向容器，刀具的底部设置有滚珠，滚珠采用钨钴合金硬质材料制成，容器内能够注入冷却剂。本发明通过将锆四合金置于低温环境中，再通过钨钴合金硬质材料制成的滚珠对锆四合金进行滚压，对于密排六方结构金属材料来说，低温下经过剧烈的变形后，会形成更多的变形孪晶，通过孪晶片的碎裂从而得到的纳米晶，其纳米晶粒尺寸更小。同时，低温下抑制动态回复，位错密度依然很高。另外，孪晶界作为低角晶界，起着强化材料的作用，从而提高了材料的力学性能。

Description

一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置
技术领域
本发明属于梯度纳米结构材料制备和材料表面处理，具体涉及一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置。
背景技术
梯度纳米结构材料是指材料的结构单元尺寸(如晶粒尺寸或层片厚度)在空间上呈梯度变化，从纳米尺度连续增加到宏观尺度；或者说，材料的一部分由纳米结构组成，一部分由粗晶结构组成，这两部分之间结构单元尺寸呈梯度连续变化。结构尺寸的梯度变化有效避免了结构特征尺寸突变引起的性能突变，可以使具有不同特征尺寸的结构相互协调，同时表现出各特征尺寸所对应的多种作用机制，使材料的整体性能和服役行为得到优化和提高。
梯度纳米结构材料通常可通过梯度塑性变形方法来制备，如表面机械研磨技术、表面机械碾磨技术和表面机械滚压技术。而表面机械滚压技术与前两者相比，其变形层更厚可达几百微米；变形更均匀，从最表面的纳米晶组织逐步过渡到芯部的粗晶组织；表面粗糙度更低，表面非常光亮。
塑性变形机制主要包括位错滑移、孪晶、孪晶与位错的交互作用以及孪晶与孪晶的交互作用等。影响变形机制的因素主要有两种：一是材料的本身特性如晶体结构和层错能等；二是加工条件如变形速度和温度等。关于温度和变形速率对材料晶粒组织的影响，有一个经验公式：ln Z＝lnε+Q/RT,ε是应变率，Q是扩散激活能，R是气体常数，T是温度。Z越高，平均晶粒尺寸越小，孪晶所占的比例越高。
现有技术中，通常在常温下利用梯度塑性变形方法来制备梯度纳米结构材料。常温下，塑性变形过程中晶粒细化的原理是变形使位错大量增殖，位错交互作用产生大量亚晶界和晶界，将原始的粗大晶粒逐步切分为细小晶粒，当晶粒细化到一定程度后，位错的产生与结构回复导致位错湮灭相平衡，晶粒尺寸趋于稳定。而在低温下，位错活性低，能有效储存位错，位错密度依然很高，晶粒尺寸有可能更小，这是因为低温抑制了动态回复和再结晶。另一方面，低温下会激发大量的变形孪晶，孪晶界将原始粗晶“切割”成纳米尺度厚的层片结构，进一步变形使这些纳米层片碎化，形成随机取向的纳米晶粒。而且，研究表明，通过孪晶破碎得到的纳米晶粒，尺寸更细小，强化效果更好。因此，在低温环境下制备出的梯度纳米结构材料，其晶粒尺寸更小，其强度和硬度更高。因此，本领域的技术人员致力于开发一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，能够提升制备出的金属材料的力学性能。
为了达到上述目的，本发明包括固定在底座上的刀具和能够固定在车床上的容器，容器用于放置锆四合金试样，刀具指向容器，刀具的底部设置有滚珠，滚珠采用钨钴合金硬质材料制成，容器内能够注入冷却剂。
所述刀具包括第一套筒，第一套筒内设置有第二套筒，第二套筒通过丝杆与第一套筒连接，第一套筒顶部设置有用于控制丝杆的把手，丝杆能够控制第二套筒在第一套筒内伸缩运动。
所述第二套筒内设置有轴承，滚珠设置在第二套筒的底部，并与轴承接触。
所述第二套筒的侧面与第一套筒的侧面通过键连接。
所述第一套筒的顶部设置有刻度线。
所述滚珠的直径为14mm。
所述容器的外侧为铝合金，容器的内侧为聚四氟乙烯。
所述容器通过漏斗添加了冷却剂。
所述冷却剂采用液氮。
所述刀具通过支撑架固定在底座上。
与现有技术相比，本发明通过将锆四合金置于低温环境中，再通过钨钴合金硬质材料制成的滚珠对锆四合金进行滚压，对于密排六方结构金属材料来说，低温下经过剧烈的变形后，会形成更多的变形孪晶，通过孪晶片的碎裂从而得到的纳米晶，其纳米晶粒尺寸更小。同时，低温下抑制动态回复，位错密度依然很高。另外，孪晶界作为低角晶界，起着强化材料的作用，从而提高了材料的力学性能。
进一步的，本发明通过丝杠控制第二套筒，不仅能够调节第二套筒的调节，而且能够调节滚珠的挤压力度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明刀具的结构示意图；
图3为本发明容器的结构示意图；
图4为对锆四合金表面机械滚压10道次后的透射组织示意图；
其中，1、刀具；2、支撑架；3、底座；11、第一套筒；12、第二套筒；13、滚珠；14、把手；15、轴承；16、键；17、丝杠。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1、图2和图3，本发明包括固定在底座3上的刀具1和能够固定在车床上的容器4，刀具1通过支撑架2固定在底座3上，刀具1的外表面与支承架2通过焊接连在一起；支承架2通过焊接与底座3固定在一起；底座3固定在车床上，容器4用于放置锆四合金试样，刀具1指向容器4，刀具1的底部设置有滚珠13，滚珠13采用钨钴合金硬质材料制成，容器4内能够注入冷却剂，容器4通过漏斗添加了冷却剂。
参见图2，刀具1包括第一套筒11，第一套筒11内设置有第二套筒12，第二套筒12通过丝杆17与第一套筒11连接，第一套筒11顶部设置有用于控制丝杆17的把手14，转动把手14即可把回转运动转化为第二套筒12的直线运动，第一套筒11的顶部设置有刻度线，丝杆17能够控制第二套筒12在第一套筒11内伸缩运动，第二套筒12内设置有轴承15，滚珠13设置在第二套筒12的底部，并与轴承15接触，所述第二套筒12的侧面与第一套筒11的侧面通过键16连接。
优选的，滚珠13的直径为14mm。
优选的，容器4由两层材料组成，外侧为铝合金，内侧为聚四氟乙烯。
优选的，冷却剂采用液氮。
参见图4，使用时，把容器4装夹在车床上，同时试样棒状锆四合金试样置于盛有液氮的容器4内，滚压刀具1处于试样的正上方。然后，向漏斗内浇液氮，以保证容器4内有足量的液氮来保证低温环境。开始滚压，通过转动把手14，第二套筒12往下移动，从而滚珠13接触试样表面后开始滚压，滚压了10道次。
加工参数如下：车床转速为500转/分钟，走刀速度为0.014mm/s，每道次的进刀量为50微米，环境温度为-196度。如附图4所示，经过低温下表面滚压后，组织中富含大量的变形孪晶。
通过调节加工参数和滚压道次数量，可以实现在液氮温度下对不同金属材料表面滚压。

Claims (10)

1.一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，包括固定在底座(3)上的刀具(1)和能够固定在车床上的容器(4)，容器(4)用于放置锆四合金试样，刀具(1)指向容器(4)，刀具(1)的底部设置有滚珠(13)，滚珠(13)采用钨钴合金硬质材料制成，容器(4)内能够注入冷却剂。
2.根据权利要求1所述的一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，所述刀具(1)包括第一套筒(11)，第一套筒(11)内设置有第二套筒(12)，第二套筒(12)通过丝杆(17)与第一套筒(11)连接，第一套筒(11)顶部设置有用于控制丝杆(17)的把手(14)，丝杆(17)能够控制第二套筒(12)在第一套筒(11)内伸缩运动。
3.根据权利要求2所述的一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，所述第二套筒(12)内设置有轴承(15)，滚珠(13)设置在第二套筒(12)的底部，并与轴承(15)接触。
4.根据权利要求2所述的一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，所述第二套筒(12)的侧面与第一套筒(11)的侧面通过键(16)连接。
5.根据权利要求2所述的一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，所述第一套筒(11)的顶部设置有刻度线。
6.根据权利要求1所述的一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，所述滚珠(13)的直径为14mm。
7.根据权利要求1所述的一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，所述容器(4)的外侧为铝合金，容器(4)的内侧为聚四氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，所述容器(4)通过漏斗添加了冷却剂。
9.根据权利要求1所述的一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，所述冷却剂采用液氮。
10.根据权利要求1所述的一种在低温环境下制备出梯度纳米结构金属材料的装置，其特征在于，所述刀具(1)通过支撑架(2)固定在底座(3)上。
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