CN112853069A - 一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，包括：对金属棒杆丝材进行扭转变形前去应力退火或预加热处理；根据不同金属棒杆丝材确定不同的弯曲半径R、弯曲圈数、扭转方向和扭转次数N；选择不同直径和不同材料的圆棒；将金属棒杆丝材缠绕于圆棒上，采用热变形方式使金属棒杆丝材发生弯曲变形，将弯曲变形后的金属棒杆丝材两端固定，将金属棒杆丝材拉直；对加工后的材料进行去应力退火。通过控制弯曲曲率和弯曲次数来改变金属棒杆丝材的晶粒取向以及晶粒尺寸，通过调控金属材料内部织构来改变金属棒杆丝材的强韧性，该方法可实现更高强度金属材料的扭转变形性能强化。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料强化技术领域，涉及一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法。
背景技术
金属材料由于具有良好的综合力学性能被广泛应用于航空航天、石油化工、交通运输等领域，是人类社会不可缺少的材料。一致以来，材料研究的核心问题一直是如何提高材料的强度。迄今为止，研究人员已经研发出一系列通过调控材料的成分、微观组织和内部结构缺陷来强化材料强度的技术，其中包括弥散强化、形变强化、固溶强化等。但这些技术在提高材料强度的同时会对材料塑性和韧性产生影响，而且制备过程复杂。
近年来，微观结构梯度的概念被逐渐应用于工程材料设计中，即将材料结构单元(如晶粒尺寸)减至纳米尺度，其显著机构特点是含有大量晶界或其他界面。大量研究表明利用扭转变形可将金属的微米晶粒尺寸均匀细化至纳米尺度，材料强度获得显著提升。
针对上述概念，目前工业上大都利用等通道转角变形、高压扭转等方式对材料进行加工，上述办法适用于短棒状且强度不是很大的材料，对于钼合金钨合金等高强度且耐高温的材料，目前的设备技术难以对其进行大角度扭转，因此，提供一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，成为目前本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，通过将金属材料丝材或者棒材在常温或者高温环境下进行弯曲后再拉直，通过控制弯曲曲率、弯曲圈数和弯曲次数来改变金属丝材或棒材的晶粒取向以及晶粒尺寸，通过调控金属材料内部织构来改变金属丝材或棒材的强韧性，该方法相对于传统的等通道转角变形、高压扭转等方式而言，操作简单，试验便捷，且可实现更高强度金属材料的扭转变形性能强化。
本发明目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，包括：
对金属棒杆丝材进行扭转变形前去应力退火或预加热处理；
根据不同金属棒杆丝材确定不同的弯曲半径R、弯曲圈数S、扭转方向和扭转次数N；
根据不同的弯曲半径R、不同力学性能的金属丝材或棒材，选择不同直径和不同材料的缠绕用圆棒；
将金属棒杆丝材缠绕于所述圆棒上，采用热变形方式使金属棒杆丝材发生弯曲变形，将弯曲变形后的金属棒杆丝材两端固定，将金属棒杆丝材拉直；
对加工后的材料进行去应力退火。
优选的，所述金属棒杆丝材按照韧性分为硬质金属和软质金属，所述硬质金属包括钼、钢或钛镍；所述软质金属包括镁、铜、铁或铝。
优选的，在进行变形前将金属棒杆丝材根据不同的金属特性选择退火工艺进行去应力退火，其中硬质金属退火温度为800-1500℃，软质金属退火温度为300-800℃，消除弯曲过程中造成的内应力。
优选的，所述金属棒杆弯曲半径R不小于50mm、弯曲圈数S为0.5～5、扭转次数N为1～5；所述金属丝材弯曲半径R为10～50mm、弯曲圈数S为1～10、扭转次数N为5～10。
优选的，采用热变形方式为在扭转变形前进行预加热，或在高温炉中进行热弯曲变形；若在高温炉中进行热弯曲变形，圆棒熔点应高于待加工金属棒杆丝材熔点；预加热温度低于待加工金属棒杆丝材的熔点。
优选的，采用热变形方式在扭转变形前进行预加热为在400～1450℃高温炉中加热25～60min。
优选的，所述扭转方向为顺时针方向和逆时针方向交叉进行。
优选的，将金属棒杆丝材拉直后去应力退火根据不同材料选择不同对应的工艺，将金属棒杆丝材拉直后，进行去应力退火，其中硬质金属退火温度为800-1500℃，软质金属退火温度为300-800℃。目的在于消除弯曲过程中产生的内应力。
本发明的非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，具有以下特点：
1)本发明相对于传统扭转变形工艺而言，方法简单，工业化成本大大降低。
2)本发明通过弯曲强化的方式，可对棒材、杆材、丝材等不同形态的金属进行强韧性调控，相对于传统机械变形工艺只能对金属棒材进行扭转强化，适用范围更广。
3)本发明可以通过改变弯曲半径R、弯曲圈数S和弯曲次数N来实现传统工艺中的扭转角度和循环次数，从而实现金属材料强度和塑性之间的量化调控。
附图说明
图1为弯曲扭转变形过程示意图；
图2为纯铁丝材去应力退火工艺示意图；
图3为钼合金棒材去应力退火工艺示意图；
图4为实施例1不锈钢棒材变形前和变形后应力应变对比示意图；
图5为实施例2钼棒变形前和变形后应力应变对比示意图；
图6为实施例3TiNi合金杆材变形前和变形后应力应变对比示意图；
图7为实施例4镁合金棒材变形前和变形后应力应变对比示意图；
图8为实施例5铁丝变形前和变形后应力应变对比示意图；
图9为实施例6铁丝变形前和变形后应力应变对比示意图；
图10为实施例7纯铜丝材变形前和变形后应力应变对比示意图；
图11为实施例8纯铝丝材变形前和变形后应力应变对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明提供的一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，包括如下步骤：
1)丝材或棒材预处理
金属棒杆丝材进行扭转变形前对丝材进行去应力退火及表面净化处理，保证丝材表面不附着小颗粒导致扭转过程中点受力造成断裂。其中，金属棒杆丝材按照韧性分为硬质金属和软质金属，硬质金属包括钼、钢或钛镍，软质金属包括镁、铜、铁或铝。硬质金属退火温度为800-1500℃，软质金属退火温度为300-800℃。
2)确定变形参数
金属强度和韧性大小呈负相关，其递减系数受弯曲半径R、弯曲圈数S和扭转次数N影响，可通过控制R、S和N的值来调控强度和韧性之间的变化值；根据不同金属棒杆丝材确定不同的弯曲半径R，弯曲圈数S，扭转方向和扭转次数N。
其中，金属棒杆和杆材弯曲半径R不小于50mm、弯曲圈数S为0.5～5、扭转次数N为1～5；金属丝材弯曲半径R为10～50mm、弯曲圈数S为1～10、扭转次数N为5～10。
3)扭转变形
根据不同的弯曲半径R选择不同直径的缠绕用圆棒；根据不同力学性能的金属棒杆丝材选择不同材料的圆棒。将金属棒杆丝材缠绕于圆棒上，硬质金属采用热变形方式，在扭转变形前进行预加热，采用热变形方式在扭转变形前进行预加热为在400～1450℃高温炉中加热25～60min；或在高温炉中进行热扭转变形；若在高温炉中进行热扭转变形，圆棒熔点应高于待加工金属丝材或棒材熔点；预加热温度低于待加工金属丝材或棒材的熔点。软质金属可在室温下进行冷扭转变形。
将金属棒杆丝材缠绕于圆棒上，确定扭转方向；采用热变形或冷弯曲方式使金属棒杆丝材发生弯曲变形，将弯曲变形后的金属棒杆丝材从圆棒取出，将弯曲变形后的金属棒杆丝材两端固定，保证金属棒杆丝材两端不发生滑动，将金属棒杆丝材拉直。
4)热处理
弯曲扭转后的金属棒杆丝材由于受到较大变形，材料内部产生内应力可能会对性能产生较大影响，需对加工后的材料进行去应力退火，其中硬质金属退火温度为800-1500℃，软质金属退火温度为300-800℃。
下面给出不同的实施例来进一步说明本发明：
实施例1
本实施例取直径为6.5mm的不锈钢棒材进行实验，将不锈钢棒材进行去应力退火。钢棒弯曲半径R为60mm，缠绕圈数为2圈，扭转次数N为3次。先将钢棒至于1200℃高温炉中加热20分钟，用工具将钢棒缠绕于φ60mm的圆棒上，使钢棒发生弯曲变形，将弯曲变形后的钢棒从圆棒取出，固定钢棒两端，保证钢棒两端不发生滑动，将钢棒拉直，弯曲过程示意图如图1所示。变形后的钢棒在1200℃下进行去应力退火。
将加工后的钢棒进行室温拉伸测试，和未弯曲变形的钢棒强韧性对比如图4所示，由图可知，原始不锈钢棒材屈服强度为786MPa，延伸率为15.2％，经过弯曲变形后屈服强度为847MPa，延伸率为14.3％。与原始钢棒相比，弯曲变形后屈服强度提高了将近10％，韧性降低约6％，实现了不锈钢棒材的强韧性转换。
实施例2
本实施例取直径为7.8mm的钼合金棒材进行实验，将钼棒进行去应力退火，其中退火工艺为：随炉升温至800℃，保温1小时，然后随炉冷却至室温出炉，退火工艺示意图如图3所示。钼棒弯曲半径R为80mm，缠绕圈数为0.5圈，扭转次数N为5次。先将钼棒至于1450℃高温炉中加热25min，用工具将钼棒缠绕于φ80mm的圆棒上，使钼棒发生弯曲变形，将弯曲变形后的钼棒从圆棒取出，固定钼棒两端，保证钼棒两端不发生滑动，将钼棒拉直，弯曲过程示意图如图1所示。变形后的钼棒按照图3所示的退火工艺在1500℃下进行去应力退火。
将加工后的钼棒进行室温拉伸测试，和未弯曲变形的钼棒强韧性对比如图5所示，由图可知，原始钼合金棒材屈服强度为547MPa，延伸率为47.2％，经过弯曲变形后屈服强度为621MPa，延伸率为41.3％。与原始钼棒相比，弯曲变形后屈服强度提高了13.5％，韧性降低约12.5％，实现了钼合金棒材的强韧性调控。
实施例3
本实施例取直径为4.8mm的钛镍合金杆材进行实验，将钛镍合金杆材进行去应力退火，随炉升温至1500℃，保温1小时，然后随炉冷却至室温出炉，退火工艺示意图如图3所示。钛镍合金杆材弯曲半径R为50mm，缠绕圈数为5，扭转次数N为1次。先将钛镍合金杆材至于400℃高温炉中加热60分钟，用工具将钛镍合金杆材缠绕于φ40mm的圆棒上，使钛镍合金杆材发生弯曲变形，将弯曲变形后的钛镍合金杆材从圆棒取出，固定钛镍合金杆两端，保证杆材两端不发生滑动，将杆材拉直，弯曲过程示意图如图1所示。变形后的钛镍合金杆材在800℃下进行去应力退火。
将加工后的钛镍合金杆材进行室温拉伸测试，和未弯曲变形的钛镍合金杆材强韧性对比如图6所示，由图可知，原始钛镍合金杆材屈服强度为508MPa，延伸率为21.8％，经过弯曲变形后屈服强度为864MPa，延伸率为8.1％。与原始钛镍合金杆相比，弯曲变形后屈服强度提高了将近70％，韧性降低约62.8％，钛镍合金杆材的强韧性出现及其显著的强韧性转换。
实施例4
本实施例取直径为5.0mm的镁合金棒材进行实验。将镁合金棒材进行去应力退火，随炉升温至800℃，保温1小时，然后随炉冷却至室温出炉，退火工艺示意图如图2所示。镁合金棒材弯曲半径R为50mm，缠绕圈数为5，扭转次数N为4次。用工具将镁合金棒材缠绕于φ40mm的圆棒上，使镁合金棒材发生弯曲变形，将弯曲变形后的镁合金棒材从圆棒取出，固定镁合金棒两端，保证棒材两端不发生滑动，将棒材拉直，弯曲过程示意图如图1所示。变形后的镁合金棒材在500℃下进行去应力退火。
将加工后的镁合金棒材进行室温拉伸测试，和未弯曲变形的镁合金棒材强韧性对比如图7所示，由图可知，原始镁合金棒材屈服强度为177MPa，延伸率为15.6％，经过弯曲变形后屈服强度为262MPa，延伸率为12.7％。与原始镁合金棒相比，弯曲变形后屈服强度提高了将近48％，韧性降低约18.6％，实现了镁合金棒材的强韧性调控。
实施例5
本实施例取直径为2.3mm的纯铁丝材进行实验，将铁丝进行去应力退火，其中退火工艺为：在600℃装炉，随炉升温至850℃，保温4小时，然后以50℃/h的冷速降温至500℃出炉，退火工艺示意图如图2所示。铁丝弯曲半径R为38mm，缠绕圈数为8，扭转次数N为1次。将铁丝缠绕于φ38mm的圆棒上，使铁丝发生弯曲变形，将弯曲变形后的铁丝从圆棒取出，固定铁丝两端，保证铁丝两端不发生滑动，将铁丝拉直，弯曲过程示意图如图1所示。变形后的铁丝按照图2所示的退火工艺在300℃下进行去应力退火。
将加工后的铁丝进行室温拉伸测试，和未弯曲变形的铁丝强韧性对比如图8所示，由图可知，原始纯铁丝材屈服强度为264MPa，延伸率为19.1％，经过弯曲变形后屈服强度为367MPa，延伸率为10.3％。与原始铁丝相比，弯曲变形后屈服强度提高了将近39％，韧性降低约46％，实现了纯铁丝材的强韧性调控。
实施例6
本实施例取直径为2.3mm的纯铁丝材进行实验，将铁丝进行去应力退火，其中退火工艺为：在280℃装炉，随炉升温至300℃，保温4小时，然后以50℃/h的冷速降温至100℃出炉，退火工艺示意图如图2所示。铁丝弯曲半径R为50mm，缠绕圈数为6，扭转次数N为5次。将铁丝缠绕于φ50mm的圆棒上，使铁丝发生弯曲变形，将弯曲变形后的铁丝从圆棒取出，固定铁丝两端，保证铁丝两端不发生滑动，将铁丝拉直，弯曲过程示意图如图1所示。变形后的铁丝按照图2所示的退火工艺在800℃下进行去应力退火。
将加工后的铁丝进行室温拉伸测试，和未弯曲变形的铁丝强韧性对比如图9所示，由图可知，原始纯铁丝材屈服强度为264MPa，延伸率为19.1％，经过弯曲变形后屈服强度为403MPa，延伸率为7.1％。与原始铁丝相比，弯曲变形后屈服强度提高了将近52.7％，韧性降低约62.8％，实现了纯铁丝材的强韧性调控。
实施例7
本实施例取直径为0.5mm的纯铜丝材进行实验。将铜丝材进行去应力退火，随炉升温至800℃，保温1小时，然后随炉冷却至室温出炉，退火工艺示意图如图2所示。纯铜丝材弯曲半径R为45mm，缠绕圈数为7，扭转次数N为10次。用工具将纯铜丝材缠绕于φ45mm的圆棒上，使纯铜丝材发生弯曲变形，将弯曲变形后的纯铜丝材从圆棒取出，固定铜丝两端，保证铜丝两端不发生滑动，将铜丝拉直，弯曲过程示意图如图1所示。变形后的纯铜丝材在600℃下进行去应力退火。
将加工后的纯铜丝材进行室温拉伸测试，和未弯曲变形的纯铜丝材强韧性对比如图10所示，由图可知，在原始纯铜丝材屈服强度为131MPa，延伸率为35％，经过弯曲变形后屈服强度为150MPa，延伸率为33.4％。与原始铜丝相比，弯曲变形后屈服强度提高了14.5％，韧性降低约4.6％，实现了纯铜丝材的强韧性调控。
实施例8
本实施例取直径为0.3mm的纯铝丝材进行实验。将铝丝材进行去应力退火，随炉升温至500℃，保温1小时，然后随炉冷却至室温出炉，退火工艺示意图如图2所示。纯铝丝材弯曲半径R为25mm，缠绕圈数为10，扭转次数N为8次。用工具将纯铝丝材缠绕于φ25mm的圆棒上，使纯铝丝材发生弯曲变形，将弯曲变形后的纯铝丝材从圆棒取出，固定铝丝两端，保证丝材两端不发生滑动，将丝材拉直，弯曲过程示意图如图1所示。变形后的纯铝丝材在400℃下进行去应力退火。
将加工后的纯铝丝材进行室温拉伸测试，和未弯曲变形的纯铝丝材强韧性对比如图11所示，由图可知，在原始纯铝丝材抗拉强度为72.3MPa，延伸率为18.4％，经过弯曲变形后屈服强度为81MPa，延伸率为15.3％。与原始铝丝相比，弯曲变形后屈服强度提高了12％，韧性降低约16.8％，实现了纯铝丝材的强韧性调控。
表1.为经过弯曲变形后金属强韧性的变化情况；
综合以上实施例可知，本发明的弯曲变形方式可以对金属棒材、杆材和丝材的强度和韧性均能起到明显的调控作用，如表1所示为上述实施例中强韧性的变化数据汇总，从表中可看出，对于不同金属棒杆丝材，均可以通过控制不同弯曲半径R、弯曲圈数S、弯曲次数和工艺条件对其强韧性进行调控。对于不同金属棒杆丝材弯曲变形后屈服强度均有不同程度的提高，韧性均有大幅度的降低。本发明为一种提高非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的有效的方法。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，其特征在于，包括：
对金属棒杆丝材进行表面清洁处理和扭转变形前去应力退火；
根据不同金属棒杆丝材的强度和韧性，确定不同的弯曲半径R、弯曲圈数S和扭转次数N；
根据不同的弯曲半径R选择不同直径的缠绕用圆棒；根据不同力学性能的金属棒杆丝材选择不同材料的圆棒；
将金属棒杆丝材缠绕于所述圆棒上，确定扭转方向；采用热变形或冷弯曲方式使金属棒杆丝材发生弯曲变形，将弯曲变形后的金属棒杆丝材两端固定将其拉直；
对加工后的材料进行去应力退火。
2.根据权利要求1所述的一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，其特征在于，所述金属棒杆丝材按照韧性分为硬质金属和软质金属，所述硬质金属包括钼、钢或钛镍；所述软质金属包括镁、铜、铁或铝。
3.根据权利要求2所述的一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，其特征在于，在进行变形前将金属棒杆丝材根据不同的金属特性选择退火工艺进行去应力退火，其中硬质金属退火温度为800-1500℃，软质金属退火温度为300-800℃。
4.根据权利要求1所述的一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，其特征在于，所述金属棒杆弯曲半径R不小于50mm、弯曲圈数S为0.5～5、扭转次数N为1～5；所述金属丝材弯曲半径R为10～50mm、弯曲圈数S为1～10、扭转次数N为5～10。
5.根据权利要求1所述的一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，其特征在于，采用热变形方式为在扭转变形前进行预加热，或在高温炉中进行热弯曲变形；若在高温炉中进行热弯曲变形，圆棒熔点应高于待加工金属棒杆丝材熔点；预加热温度低于待加工金属棒杆丝材的熔点。
6.根据权利要求5所述的一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，其特征在于，采用热变形方式在扭转变形前进行预加热为在400～1450℃高温炉中加热25～60min。
7.根据权利要求1所述的一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，其特征在于，所述扭转方向为顺时针方向和逆时针方向交叉进行。
8.根据权利要求2所述的一种非形变加工调控金属棒杆丝材强韧性能的方法，其特征在于，将金属棒杆丝材拉直后，进行去应力退火，其中硬质金属退火温度为800-1500℃，软质金属退火温度为300-800℃。
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