利用深冷电磁复合场提高金属材料强韧性的方法及装置

1.本发明属于材料强韧化处理技术领域，具体涉及一种利用深冷电磁复合场提高金属材料强韧性的方法及装置。


背景技术：

2.在工业生产过程中，随着冷加工变形程度的增大，金属材料的加工硬化程度显著增加，表现为塑性下降，强度和硬度提高，往往需要对其进行多次中间退火处理(如钟罩式或箱式等温退火)才能继续进行加工，或者通过成品退火调控材料的组织和性能。但传统的等温退火方式存在生产效率低、处理周期长、产品表面质量差和组织性能不均匀、成本高等问题。
3.近年来，国内外学者已经开展了大量的脉冲电流对冷加工金属(cu及其合金、铝合金、镁合金、钛合金等)再结晶行为的影响研究。结果表明，脉冲电流可以明显促进再结晶过程，推迟退火孪晶的形成，阻碍再结晶晶粒的长大，晶粒细化效果显著，有利于提高材料的加工性能和韧性。但传统的电脉冲处理过程中，受电流产生的焦耳热和外部条件的影响，其温度存在随机性，对于定量研究材料的性能具有一定的局限性，不利于准确的应用到工业生产加工中。
4.材料电磁制备是将电磁场应用到材料制备、加工等环节中，利用磁场来调控材料的组织及性能，已经成为材料领域新的研究热点。随着研究的不断深入，许多新的磁现象被不断发现，磁场在调控材料力学性能的方面也取得了显著的进展及性能的控制。且深冷环境下，金属材料的层错能降低，会产生大量的孪晶，孪晶有利于材料的性能强化。因此有必要开发一种利用深冷电磁复合场提高金属材料强韧性的方法。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种利用深冷电磁复合场提高金属材料强韧性的方法及装置，可以达到提高金属材料强韧性的目标，克服许多金属材料强韧性匹配度不高的缺点。
6.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
7.一种利用深冷电磁复合场提高金属材料强韧性的方法，包括以下步骤：
8.s1、将金属材料安装于深冷处理箱内的试样夹具上，在金属材料外周缠绕励磁线圈，并使励磁线圈不与金属材料接触；将深冷处理箱与液氮存储罐连通，将金属材料与脉冲电流发生器连接；将励磁线圈与脉冲磁场发生器连接；
9.s2、打开液氮存储罐开关，向深冷处理箱内输送液氮；通过深冷处理箱内的温度传感器实时监测箱内温度，设置温度阈值为液氮温度-196℃，在达到温度阈值之前，持续通入液氮；在达到温度阈值之后，关闭液氮存储罐开关和增压阀控制器，使深冷处理箱内温度保持在温度阈值的时间为1～2h；
10.s3、深冷处理箱内温度稳定后，设置好脉冲电流发生器和脉冲磁场发生器参数，打
开脉冲电流发生器和脉冲磁场发生器；
11.s4、电磁复合场处理结束后，关闭脉冲电流发生器和脉冲磁场发生器，关闭液氮存储罐开关，取出金属材料，在室温中进行升温处理，直至室温。
12.上述方案中，设置的脉冲电流发生器参数包括：电流大小0～500a、脉冲频率50hz、冲击时间0～2s；设置的脉冲磁场发生器参数包括：磁场强度0～1t、通电时间0～2s。
13.上述方案中，步骤s2中的深冷处理是从室温开始下降，冷却速度为5～10℃5555。
14.上述方案中，步骤s4中的升温速度为5～10℃5555。
15.相应的，本发明还提出一种利用深冷电磁复合场提高金属材料强韧性的装置，用于实现上述的利用深冷电磁复合场提高金属材料强韧性的方法，所述装置包括深冷处理箱，设置于所述深冷处理箱外部的液氮存储罐、脉冲电流发生器、脉冲磁场发生器、计算机系统，以及设置于所述深冷处理箱外部的试样夹具、温度传感器；所述液氮存储罐通过液氮导管与深冷处理箱连通，所述液氮导管上设有存储罐开关、增压阀控制器、流量控制阀；待处理的金属材料安装于所述试样夹具上，金属材料外周缠绕有励磁线圈，且励磁线圈不与金属材料接触，所述金属材料与脉冲电流发生器连接，所述励磁线圈与脉冲磁场发生器连接；所述温度传感器、增压阀控制器、流量控制阀分别与计算机系统连接。
16.上述方案中，所述试样夹具包括两个相对设置的u形卡槽，金属材料的两端分别设置于u形卡槽内部，并通过第一螺栓固定；两个u形卡槽分别与所述脉冲电流发生器的正负极连接以将电流传导给金属材料；两个u形卡槽的间距能够调节，以适应不同尺寸的金属材料。
17.上述方案中，所述深冷处理箱内部间隔设置两根金属导轨，两根金属导轨上分别设有一个金属滑块，两个金属滑块分别通过金属支架与两个u形卡槽连接，金属滑块能在金属导轨上移动，以调节两个u形卡槽的间距；两根金属导轨底部分别设有一个导电块，两个金属滑块分别通过导线与所述脉冲电流发生器的正负极连接。
18.上述方案中，所述深冷处理箱外表面设置隔热层。
19.上述方案中，所述隔热层为涂覆于深冷处理箱外表面的隔热的金属材料薄膜。
20.上述方案中，所述深冷处理箱与其他构件连接的接口处用密封胶密封，防止热量的传递。
21.本发明的有益效果在于：
22.1、本发明在深冷环境下采用电磁复合场对金属材料进行强化处理，在深冷环境下耦合了电场和磁场，深冷环境下金属材料会产生孪晶结构，孪晶有利于金属材料塑性的提高，使材料在电磁复合场处理时保持较好的韧性。金属材料在动态磁场中产生振动，形成塑性变形，变形过程中通以脉冲电流时，由于电致塑性效应，流变应力大大降低，有利于原子的扩散和晶界的滑移，造成位错的重新分布以及结构变化。在单独的电场处理和磁场处理的基础上，将两者融合到一起，能够更大程度的提高其机械、力学性能，在提高其强度的同时保证较好的延伸率。
23.2、本发明通过实时准确的监控深冷处理箱内的温度，保证处理过程的准确性，能够提高应用到金属加工过程中的可靠性。
24.3、本发明对金属材料的强化是由表及里强化整个材料，并非强化材料的表层。
附图说明
25.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
26.图1是本发明方法采用的利用深冷电磁复合场提高金属材料强韧性的装置的结构示意图；
27.图2是本发明实施例中室温环境和深冷电磁复合场处理后的屈服强度图；
28.图3是本发明实施例中室温环境和深冷电磁复合场处理后的延伸率图。
29.图1中：1、液氮存储罐；2、存储罐开关；3、液氮导管；4、增压阀控制器；5、流量控制阀；6、深冷处理箱；7、隔热层；8、温度传感器；9、第一螺栓；10、试样夹具；11、金属滑块；12、金属导轨；13、导电块；14、导线；15、第二螺栓；16、脉冲电流发生器；17、计算机系统；18、金属材料试样；19、励磁线圈；20、脉冲磁场发生器。
具体实施方式
30.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
31.本发明提出一种利用深冷电磁复合场提高金属材料强韧性的方法，包括以下步骤：
32.s1、将金属材料安装于深冷处理箱6内的试样夹具10上，在金属材料外周缠绕励磁线圈19，并使励磁线圈19不与金属材料接触；将深冷处理箱6与液氮存储罐1连通，将金属材料与脉冲电流发生器16连接；将励磁线圈19与脉冲磁场发生器20连接；然后封闭深冷处理箱6；
33.s2、打开存储罐开关，向深冷处理箱6内输送液氮；通过深冷处理箱6内的温度传感器8实时监测箱内温度，设置温度阈值为液氮温度-196℃，在达到温度阈值之前，持续通入液氮；在达到温度阈值之后，关闭存储罐开关2和增压阀控制器4，使深冷处理箱内温度保持在温度阈值的时间为1～2h；
34.s3、深冷处理箱6内温度稳定后，设置好脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20参数，打开脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20；
35.s4、电磁复合场处理结束后，关闭脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20，关闭存储罐开关，取出金属材料，在室温中进行升温处理，直至室温。
36.进一步优化，根据不同的金属材料设置的脉冲电流发生器16参数：电流大小0～500a、脉冲频率50hz、冲击时间0～2s；设置的脉冲磁场发生器参数包括：磁场强度0～1t、通电时间0～2s。
37.进一步优化，步骤s2中的深冷处理是从室温开始下降，冷却速度为5～10℃5555，避免因温度下降太快导致的金属材料试样18样发生氢脆断裂现象。
38.进一步优化，步骤s4中的升温速度为5～10℃5555，避免金属材料试样18发生再结晶等现象，影响其性能。
39.相应的，本发明提出一种应用于上述方法的装置，如图1所示，该装置包括深冷处理箱6，设置于深冷处理箱6外部的液氮存储罐1、脉冲电流发生器16、脉冲磁场发生器20、计算机系统17，以及设置于深冷处理箱6外部的试样夹具10、温度传感器8。液氮存储罐1通过液氮导管3与深冷处理箱6连通，液氮导管3上设有存储罐开关2、增压阀控制器4、流量控制
阀5。待处理的金属材料试样18安装于试样夹具10上，金属材料试样18外周缠绕有励磁线圈19，且励磁线圈19不与金属材料试样18直接接触，金属材料试样18与脉冲电流发生器16连接，励磁线圈19与脉冲磁场发生器20连接。温度传感器8、增压阀控制器4、流量控制阀5分别与计算机系统17连接，实现数据的传输与装置的自动控制。
40.进一步优化，试样夹具10包括两个相对设置的u形卡槽，金属材料的两端分别设置于u形卡槽内部，并通过第一螺栓9固定；两个u形卡槽分别与脉冲电流发生器16的正负极连接以将电流传导给金属材料；两个u形卡槽的间距能够调节，以适应不同尺寸的金属材料。
41.进一步优化，深冷处理箱6内部间隔设置两根金属导轨12，两根金属导轨12上分别设有一个金属滑块11，两个金属滑块11分别通过金属支架与两个u形卡槽连接，金属滑块11能在金属导轨12上移动，以调节两个u形卡槽的间距，间距调节之后金属滑块11通过第二螺栓15固定在金属导轨12上；两根金属导轨12底部分别设有一个导电块13，两个金属滑块11分别通过导线14与脉冲电流发生器16的正负极连接。
42.进一步优化，金属导轨12、导电块13与深冷处理箱6连接处由绝缘材料隔开。
43.进一步优化，深冷处理箱6由金属制作，外表面设置隔热层7使保温隔热效果更好。具体的，隔热层7为涂覆于金属箱体表面的一层隔热的金属材料薄膜。
44.进一步优化，深冷处理箱6与其他构件连接的接口处用密封胶密封，防止热量的传递。
45.本发明在深冷环境下采用电磁复合场对金属材料进行强化处理，在深冷环境下耦合了电场和磁场，深冷环境中，金属材料的层错能降低，有利于金属材料内部产生高密度的孪晶，提高金属材料的延展性。金属材料在动态磁场中产生振动，形成塑性变形，变形过程中通以脉冲电流时，由于电致塑性效应，流变应力大大降低，有利于原子的扩散和晶界的滑移，造成位错的重新分布以及结构变化。电场和磁场的耦合能够有效的提高金属材料的强度，深冷处理产生的孪晶有利于提高金属材料的延展性，因此在深冷环境下进行电磁复合场对金属材料处理，能够实现提高金属材料强韧化的目标。
46.为了验证本发明方法在提高金属材料的强韧性上的有效性，进行如下试验：
47.试验1：常温电磁复合场处理高熵合金0.5s。
48.将5055
×
555
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155的高熵合金金属材料试样18安放在试样夹具10上，在金属材料试样18外周缠绕励磁线圈19，设置好脉冲电流发生器16参数，脉冲电流大小为500a，频率为50hz，通电时间为0.5s，根据金属材料试样18的横截面积及电流大小计算得到电流密度为100a5552，设置好脉冲磁场发生器20参数，磁场强度b＝0.5t，通电时间为0.5s，打开脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20，对金属材料试样18进行常温电磁复合场处理。等待电磁复合场处理结束后，关闭脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20，取出金属材料试样18。
49.经过相应的检测仪器可以看到，材料内部有少量的孪晶，材料的屈服强度为600mpa，延伸率为20％。
50.试验2：常温电磁复合场处理高熵合金1s。
51.将5055
×
555
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155的高熵合金金属材料试样18安放在试样夹具10上，在金属材料试样18外周缠绕励磁线圈19，设置好脉冲电流发生器16参数，脉冲电流大小为500a，频率为50hz，通电时间为1s，根据金属材料试样18及电流大小计算得到电流密度为100a5552，设置好脉冲磁场发生器20参数，磁场强度b＝0.5t，通电时间为1s，打开脉冲电流发生器16和脉
冲磁场发生器20，对金属材料试样18进行常温电磁复合场处理。等待电磁复合场处理结束后，关闭脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20，取出金属材料试样18。
52.经过相应的检测仪器可以看到，材料内部有少量的孪晶，材料的屈服强度为680mpa，延伸率为23％。
53.试验3：深冷电磁复合场处理高熵合金0.5s。
54.将5055
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555
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155的高熵合金金属材料试样18安放在试样夹具10上，在金属材料试样18外周缠绕励磁线圈19，打开存储罐开关2，打开增压阀控制器4，打开计算机系统17，根据温度传感器8的实时反馈，实时记录深冷处理箱6内的温度，设置温度阈值-196℃，达到温度阈值-196℃之前，自动控制增压阀控制器4输送液氮，调节液氮流量控制阀5，使得深冷处理箱内温度以5～10℃5555速率下降，在达到温度阈值之后，关闭存储罐开关2和增压阀控制器4，深冷处理箱6温度在-196℃保温1h。深冷处理箱6保温的同时，设置好脉冲电流发生器16参数，脉冲电流大小为500a，频率为50hz，通电时间为0.5s，根据金属材料试样18及电流大小计算得到电流密度为100a5552，设置好脉冲磁场发生器20参数，磁场强度b＝0.5t，通电时间为0.5s，打开脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20，对金属材料试样18进行深冷电磁复合场处理。等待电磁复合场处理结束后，关闭脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20，关闭存储罐开关2，关闭增压阀控制器4，关闭计算机系统17，取出金属材料试样18，在室温环境中进行升温处理，直至室温。
55.经过相应的检测仪器可以看到，材料内部有大量的孪晶，材料的屈服强度为710mpa，延伸率为28％。
56.试验4：深冷电磁复合场处理高熵合金1s。
57.将5055
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555
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155的高熵合金金属材料试样18安放在试样夹具10上，在金属材料试样18外周缠绕励磁线圈19，打开存储罐开关2，打开增压阀控制器4，打开计算机系统17，根据温度传感器8的实时反馈，实时记录深冷处理箱6内的温度，设置温度阈值-196℃，达到温度阈值-196℃之前，自动控制增压阀控制器4输送液氮，调节液氮流量控制阀5，使得深冷处理箱6内温度以5～10℃5555速率下降，在达到温度阈值之后，关闭存储罐开关2和增压阀控制器4，深冷处理箱6温度在-196℃保温1h。深冷处理箱6保温的同时，设置好脉冲电流发生器16参数，脉冲电流大小为500a，频率为50hz，通电时间为1s，根据金属材料试样18及电流大小计算得到电流密度为100a5552，设置好脉冲磁场发生器20参数，磁场强度b＝0.5t，通电时间为1s，打开脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20，对金属材料试样18进行深冷电磁复合场处理。等待电磁复合场处理结束后，关闭脉冲电流发生器16和脉冲磁场发生器20，关闭存储罐开关2，关闭增压阀控制器4，关闭计算机系统17，取出金属材料试样18，在室温环境中进行升温处理，直至室温。
58.经过相应的检测仪器可以看到，材料内部有大量的孪晶，材料的屈服强度为742mpa，延伸率为31％。
59.试验1-试验4中，材料在室温环境和深冷电磁复合场处理后的屈服强度和延伸率分别如图2、图3所示，可以看出，相较于未处理的试样，室温环境下的电磁复合场处理后试样的屈服强度由500mpa提升到680mpa，延伸率由15％提升到23％；深冷环境下的电磁复合场处理后试样的屈服强度由500mpa提升到742mpa，延伸率由15％提升到31％。室温环境下的电磁复合场处理在一定程度上提高了试样的强韧性，但是在同样的电磁复合场参数下，
相较于室温环境，深冷电磁复合场处理材料的屈服强度和延伸率均有更大幅度的提升，说明深冷环境的电磁复合场处理能够有效的提高金属材料的强韧性，强化金属材料的性能。
60.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。