CN115821179A - 一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法。所述方法包括如下步骤：将待加工的金属材料置于静磁场内；对所述金属材料施加脉冲电流；对所述金属材料施加外力进行加工。所述方法能够有效降低金属材料的屈服强度和流变强度，无需热加工即可降低材料变形所需的应力，能量利用效率高，能够有效节约能源、降低碳排放；所述方法还能够有效减小微纳米尺度材料变形“应变突跳”的幅度和频率，提高材料变形可控性，实现连续稳定地加工，避免结构突然坍塌。此外，根据不同的加工需求，可直接调节施加载荷、脉冲电流密度或频率、磁场强度、作用时间等参数达到目的，工艺灵活、简单可靠。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法。
背景技术
宏观金属部件的应用离不开热加工成型，但传统的宏观金属热加工技术能源消耗大、能量转化效率低、加工时间长，导致碳排放严重、环境污染高。Hwang和Lay研究发现[Hwang YM,Lay HS.J.Mater.Process.Technol.140,426-431(2003).]，待加工部件重量占比不足总加热部件重量的10％，超过90％的热量被用于加热模具、配件等，大量能量被无效浪费。此外，热加工时，必须先将重量巨大的模具、配件等均匀加热至与部件相同温度才能进行后续成型加工，通常需要数十分钟至数小时的等待时间，加工效率低下[Li etal.Int.J.Adv.Manuf.Technol.63,931-938(2012).]。因此，传统热加工技术通常需要使用大量高功率的加热炉以满足上述要求，造成大量能源消耗和环境污染。数据表明，德国约7％的一次能源用于1000℃以上的工业热处理，消耗巨大[O.Guillon et al.Mater.Today21,527-536(2018).]。
此外，在微纳米机电系统中，需将微纳米尺度材料可控加工为设计的形状以满足构造要求。然而，相较于宏观材料，即使是塑性变形能力良好的金属铜和铝，其塑性变形也会在微纳米尺度下变得不稳定，难以可控塑性成形。Uchic等开创性使用聚焦离子束加工出金属微柱并进行了压缩实验，发现微米尺寸镍表现出远高于块体材料的强度，且强度与样品几何尺寸密切相关，呈现“越小越强”的趋势[Uchic M.D.et al.Science 305,986-989(2004).]。然而，与超高强度同时出现的则是微柱变形频繁出现“应变突跳”现象，变形极易失稳、变形可控性差。此后研究人员对多种材料进行了类似研究，发现变形失稳的特点普遍存在于微纳米尺度金属中，甚至材料在达到一定临界应力后突然发生结构坍塌成饼状失效[Wang Z.J.et al.Acta Mater.60,1368-1377(2012).]，严重制约了微纳米尺度金属塑性成型能力及其在微纳米机电系统中的广泛应用。为解决该问题，研究人员从材料成分结构设计和加工工艺两方面进行了探索。在材料成分结构设计方面，代表性方法是在材料中引入界面。Kunz等对金属铝双晶进行了压缩实验，发现引入晶界后微柱变形仍频繁发生“应变突跳”，变形稳定性没有因晶界的引入而得到改善[Kunz A.et al.Acta Mater.59,4416-4424(2011).]。Li等对双晶铜进行了压缩测试，同样观察到双晶铜变形也是出现大量的应变突跳[Li L.L.et al.Sci.Rep.5,15631(2015).]。实际上，抑制“应变突跳”产生需要特定结构的晶界，然而可控引入需要的晶界结构至今仍很难从技术上实现。在加工工艺方面，Xie等发现在一定的应变范围内，加热压缩确实提高了微纳铝柱变形稳定性[Xie D.G.etal.Acta Mater.188,570-578(2020).]，但高温变形仍会无法避免微纳米尺度材料变形发生突然的结构崩塌，且小尺寸材料表面扩散活跃，加热易导致材料扩散变形，严重影响最终成型形状。因此，现有的材料成分结构设计和加工工艺均存在诸多不足，无法有效解决微纳米尺度材料实际应用中存在的问题。
故基于此，提出本发明技术方案。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法，该方法能够大幅降低材料变形抗力，能量利用高效，加工效率高，减小碳排放、环境友好；能够明显提高微纳米尺度金属材料的变形可控性，降低材料变形时发生“应变突跳”的频率和幅度，避免突然的结构崩塌；通过合理设置加工参数，能够实现连续可控的成型加工。
本发明提供一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将待加工的金属材料置于静磁场内；
(2)对所述金属材料施加脉冲电流；
(3)对所述金属材料施加外力进行加工。
优选地，步骤(1)中，所述金属材料为铜或铝中的一种。
优选地，步骤(1)中，所述静磁场的强度≥2T。
优选地，步骤(2)中，所述脉冲电流的电流密度为105～107A/cm2。
优选地，步骤(2)中，所述脉冲电流的脉冲频率为≥10Hz。
优选地，步骤(2)中，所述脉冲电流的脉冲宽度为≥70μs。
优选地，步骤(3)中，采用导电压头固定连接所述金属材料，并对所述金属材料施加外力进行加工。加工时将导电压头分别与待加工的金属材料和电源接通，以形成通路，在导电压头施加外力的同时一同施加脉冲电流，直至金属材料样品达到设计应变或形状。
优选地，所述静磁场的磁场方向与所述脉冲电流的电流方向垂直设置。
本发明的有益效果为：
本发明所述电磁耦合辅助加工金属材料的方法，能够有效降低金属材料的屈服强度和流变强度，无需热加工即可降低材料变形所需的应力，能量利用效率高，能够有效节约能源、降低碳排放；所述方法能够有效减小微纳米尺度材料变形“应变突跳”的幅度和频率，提高材料变形可控性；所述方法，能够实现连续稳定地加工微纳米尺度材料，避免微纳米尺度材料结构突然坍塌；此外，根据不同的加工需求，可直接调节施加载荷、脉冲电流密度或频率、磁场强度、作用时间等参数达到目的，工艺灵活、简单可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述电磁耦合辅助加工金属材料的方法操作示意图。
图2是金属铜压缩加载变形曲线和电磁耦合压缩加载变形曲线的对比图。
图3是金属铝压缩加载变形曲线和电磁耦合压缩加载变形曲线的对比图。
图4是电磁耦合压缩金属纯铜在2T磁场下不同电流密度的屈服强度图。
图5是电磁耦合压缩金属纯铜的变形可控性因子对比图。
图6是电磁耦合蠕变加工单根纯铜微柱的应变-时间曲线图。
图7是不同载荷、电流密度下的电磁耦合蠕变加工金属纯铜累积塑性应变图。
图中附图标记为：
1-金属铜或铝；
2-导电压头；
3-静磁场；
4-电源(提供脉冲电流)；
5-金属铜在0.02T磁场下压缩加载变形的应力应变曲线；
6-金属铜在0.02T磁场下通电脉冲压缩加载变形的应力应变曲线；
7-金属铜在2T磁场下压缩加载变形的应力应变曲线；
8-金属铜在2T磁场下通电脉冲压缩加载变形的应力应变曲线；
9-金属铝在0.02T磁场下压缩加载变形的应力应变曲线；
10-金属铝在0.02T磁场下通电脉冲压缩加载变形的应力应变曲线；
11-金属铝在2T磁场下压缩加载变形的应力应变曲线；
12-金属铝在2T磁场下通电脉冲压缩加载变形的应力应变曲线；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法，所述方法包括如下步骤，如图1所示：
(1)将待加工的金属铜1置于强度为2T的静磁场3内；
(2)通过电源4对所述金属铜1施加脉冲电流，所述脉冲电流的电流密度为106A/cm2，脉冲电流的脉冲频率为10Hz，脉冲电流的脉冲宽度为70μs；
(3)同时利用导电压头2对所述金属铜1施外力进行加工。
所述静磁场3的磁场方向与所述脉冲电流的电流方向垂直设置。
实施例2
本实施例提供一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法，所述方法包括如下步骤，如图1所示：
(1)将待加工的金属铝1置于强度为2T的静磁场3内；
(2)通过电源4对所述金属铝1施加脉冲电流，所述脉冲电流的电流密度为106A/cm2，脉冲电流的脉冲频率为10Hz，脉冲电流的脉冲宽度为70μs；
(3)同时利用导电压头2对所述金属铝1施外力进行加工。
所述静磁场3的磁场方向与所述脉冲电流的电流方向垂直设置。
对比例1
本实施例提供一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法，与实施例1相比，静磁场的强度为0.02T，其他操作与实施例1均相同。
对比例2
本实施例提供一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法，与实施例2相比，静磁场的强度为0.02T，其他操作与实施例1均相同。
实验例
在实施例1、对比例1的加工过程中，对金属铜进行压缩实验，实验结果如图2所示。图2表明，在2T磁场和106A/cm2脉冲电流的耦合作用下，金属铜变形屈服强度和流变强度均显著下降，且在关闭电脉冲的瞬间铜的变形强度恢复至较高水平；然而，在0.02T磁场下不施加脉冲电流(5)、在0.02T磁场下施加脉冲电流(6)、在2T磁场下不施加脉冲电流(7)均无法降低金属铜的变形强度。
在实施例2、对比例2的加工过程中，对金属铝进行压缩实验，实验结果如图3所示。图3表明，在2T磁场和106A/cm2脉冲电流的耦合作用下，金属铝变形屈服强度和流变强度均显著下降，且在关闭电脉冲的瞬间铝的变形强度恢复至较高水平。然而，在0.02T磁场下不施加脉冲电流(9)、在0.02T磁场下施加脉冲电流(10)、在2T磁场下不施加脉冲电流(11)均无法降低金属铝的变形强度。
图4为使用本发明实施例1的加工方法，在2T磁场、106A/cm2脉冲电流耦合作用下压缩铜的屈服强度统计。由图4可见，在2T磁场下，施加脉冲电流的电流密度越大，则铜的屈服强度越低。
图5为计算的微纳米尺度金属铜在不同电磁耦合条件下变形时的变形可控因子[Z.J.Wang,et al.Science China Technological Sciences 57,663-670(2014).]。由图5可见，在2T磁场、106A/cm2脉冲电流耦合作用下的微纳米尺寸金属铜压缩变形具有更高的变形可控因子，表明样品变形稳定性明显提高。
图6为使用本发明实施例1的加工方法，微纳米尺度金属铜在2T磁场和106A/cm2脉冲电流耦合作用下的蠕变应变-时间曲线。由图6可见，微纳米尺度铜在电磁耦合蠕变变形过程中变形连续可控，除加载开始时的不稳定接触外，变形过程中应变连续可控，无明显“应变突跳”出现。
图7为2T磁场下不同外加载荷和不同电流密度下的铜累积蠕变应变。由图7可见，在外加载荷固定时，电流密度越大，累积蠕变应变越大；在电流密度相同时，外加载荷越大，累积蠕变应变越大；实现相同应变，可通过采用不同的应力与电流密度的组合分别达成，表明加工参数具有良好的可调节性；此外，可通过调节外加载荷和电流密度合理控制最终的累积蠕变应变。
通过以上对比分析，可以发现，在2T(≥2T)磁场和≥105A/cm2脉冲电流耦合作用下，金属铜和铝的变形强度才能显著降低，推测是由于金属内部存在位错网状结构，网状结构含有大量位错钉扎点。钉扎点处晶格畸变严重，能够剧烈散射电子继而形成局部高密度电子，在磁场作用下，运动的局部高密度电子引发局部洛伦兹力，能够帮助位错从网状结构中脱钉扎，继而表现为只需要更低的外加载荷即可引发金属变形。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种电磁耦合辅助加工金属材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将待加工的金属材料置于静磁场内；
(2)对所述金属材料施加脉冲电流；
(3)对所述金属材料施外力进行加工。
2.根据权利要求1所述电磁耦合辅助加工金属材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属材料为铜或铝中的一种。
3.根据权利要求1所述电磁耦合辅助加工金属材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述静磁场的强度≥2T。
4.根据权利要求1所述电磁耦合辅助加工金属材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述脉冲电流的电流密度为105～107A/cm2。
5.根据权利要求1所述电磁耦合辅助加工金属材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述脉冲电流的脉冲频率为≥10Hz。
6.根据权利要求1所述电磁耦合辅助加工金属材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述脉冲电流的脉冲宽度为≥70μs。
7.根据权利要求1所述电磁耦合辅助加工金属材料的方法，其特征在于，步骤(3)中，采用导电压头固定连接所述金属材料，并对所述金属材料施加外力进行加工。
8.根据权利要求1所述电磁耦合辅助加工金属材料的方法，其特征在于，所述静磁场的磁场方向与所述脉冲电流的电流方向垂直设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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