本发明专利技术提供的两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置及工艺，涉及金属表面晶粒细化的技术。其方法是在处于两相区的碳钢工件上进行一定程度的塑性变形的同时施加超声振动激励，使金属工件表面形成细晶层；其装置包括工具台、马弗炉、超声波发生器、导线、水箱、水泵、进水管、出水管、压力机机架、上工具头、高频高压交流电源、下工具头装置、变幅杆、变幅杆支架和螺栓，通过马弗炉将碳钢试样进行加热处理，对下工具头预热保温处理，上工具头压缩处理加热处理后的碳钢试样，同时加载超声振动处理。本发明专利技术在碳钢工件表层形成尺寸均匀晶粒细化层，提高金属工件的力学性能。
【技术实现步骤摘要】
两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置及工艺本研究得到山东省重点研发计划项目(2017GGX30129)和中央高校基本科研业务费专项资金(18CX02090A)资助。
本专利技术涉及金属表面晶粒细化的技术，具体涉及两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置及工艺，该装置和工艺是在处于Ae3～Ar3温度区间碳钢工件上进行一定程度的塑性变形的同时对碳钢工件表面施加超声振动激励，使金属工件表面形成细晶层并改善表层的应力状态。
技术介绍
金属材料的力学性能与材料的微观组织结构密切相关。一般认为，细化晶粒可以同时提高金属材料的强度和塑性，是一种有效且常用的金属力学性能强化手段。新一代高性能钢铁材料的开发，以获得微观组织的超细化或适度细化为主要目标。碳钢金属表面细化晶粒有多种方法，主要有超声加工方法和高低温塑性变形制备工艺。超声加工方法在金属表面改性工艺中具有非常重要的价值，在各种工程应用领域研发出了许多不同的加工处理方法，其中广泛应用的是利用超声冲击设备直接对金属表面进行处理超声冲击设备包括超声波发生器、换能器、变幅杆、工作台、加压和进给系统等。其工作机理是利用振荡电路产生振荡电流并转换为超声频机械振动，通过变幅杆将振幅放大，超声加工常用频率从20kHz～40kHz，振幅一般在5～50μm；高低温塑性变形制备工艺的机理是在变形过程中引入大的应变量，从而有细化晶粒，获得完整的大尺寸块体试样。上述超声冲击处理细化晶粒工艺设备简单，操作简单，并且工程实际应用效果较好，大量应用于工程和工业生产中。特别是大型金属结构的处理。但该工艺存在的不足之处也是非常明显，主要归结有：超声冲击后金属表面出现很大的加工硬化，是金属构件发生脆性倾向。其次，由于金属自身的形变抗力，超声冲击只能造成局部的塑性变形，晶粒细化的深度有限。单纯的超声冲击需要较长的时间才能使金属表面产生晶粒细化层，导致生产成本增加。上述高低温塑性变形制备工艺作为一种新兴的塑性变形方法，可以在变形过程中引入大的应变量，从而有效细化金属，且获得完整大尺寸块体试样，通过在变形过程中微观组织的控制，可以同时获得具有高强度与大塑性的块体纳米材料。经对现有技术的文献检索发现，中国专利技术专利“一种电脉冲和超声耦合实现金属表面晶粒细化的工艺”，公开号CN104531979A，公开日2015年4月22日；中国专利技术专利“一种细化钛合金晶粒的高低温剧烈塑性变形制备工艺”，公开号CN105714224A，公开日2016年6月29日。该两项专利分别涉及了超声冲击和高低温塑性变形细化金属表面晶粒的工艺。目前，在两相区将塑性变形和和超声耦合作用于碳钢表面，细化碳钢表层晶粒，改善其表层微观组织结构和应力状态，提高其力学性能的方法，未见有关文献披露。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提出的两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置及工艺，在两相区(Ae3～Ar3温度区)用超声振动强化形变和铁素体相变过程，分析在超声振动强化造成的特殊热变形条件下铁素体相变产物的显微组织特征及其形成机制，在金属构件表层形成晶粒适度细化且尺寸均匀微观组织层，提高金属工件的力学性能，延长寿命，提高构件安全性。本专利技术提供的两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置，包括工具台、马弗炉、超声波发生器、导线、水箱、水泵、进水管、出水管、压力机机架、上工具头、高频高压交流电源、下工具头装置、变幅杆、变幅杆支架和螺栓，所述工具台底层放置马弗炉，中层放置超声波发生器，上层放置水箱，上述超声波发生器通过导线与变幅杆连接，水箱上端安装有水泵，水泵通过进水管给下工具头装置供水，水箱外接出水管收集由下工具头装置排出的水，上述进水管与出水管末端套在水管转接头上，工具台左侧放置压力机，压力机机架上方安装有上工具头，上工具头正下方是下工具头装置，下工具头装置与变幅杆通过螺纹连接，变幅杆安装在变幅杆支架上，变幅杆支架下端有圆柱凸台，与压力机机架下端工作台定位孔配合，变幅杆支架通过螺栓固定在压力机机架下端工作台上。所述下工具头装置包括下工具头、线圈、耐高温保温棉和水管转接头，所述下工具头下端有螺纹结构，下工具头中下端部分加工有排热孔，排热孔与水管转接头通过螺纹连接，下工具头中间部分缠绕有20mm～25mm的耐高温保温棉，耐高温保温棉外缠绕有线圈，线圈与高频高压交流电源连接，下工具头上端面加工有圆柱形凹槽，以便安放碳钢试样。两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性工艺，包括如下步骤：通过马弗炉将碳钢试样进行加热处理，打开高频高压交流电源，对下工具头装置预热保温处理，打开水泵通过进水管给下工具头装置通入冷水，携带热量的水通过出水管流回水箱，防止热量传递到变幅杆上，将加热处理后的碳钢试样移至下工具头装置上端面凹槽中，上工具头压缩处理，使碳钢试样产生塑性变形，同时打开超声波发生器，通过变幅杆将振幅放大，通过下工具头装置加载超声振动处理。所述碳钢试样加热处理，是指：通过马弗炉将碳钢试样加热，然后冷却到两相区，即Ae3～Ar3温度区。所述预热保温处理，是指：下工具头装置外缠绕的线圈通高频高压交流电源，下工具头装置被缠绕部分产生热涡流效应，释放大量焦耳热，通过控制交变电流的频率使下工具头被缠绕部分温度保持在Ae3～Ar3温度区。所述上工具头压缩处理，是指：上工具头压缩速度为恒定速度V，使碳钢试样产生塑性变形。所述超声振动处理，是指：超声波发生器的频率设定为20kHz，超声波发生器的振幅设定为5μm，加载超声振动时间20s。与现有技术相比本专利技术的优点和积极效果如下：本专利技术在两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性，快速的改善其微观组织结构，细化表层晶粒并得到强度和塑性的良好匹配，是材料表面得到强韧化的效果，进而使碳钢构件的寿命和服役的安全性得到较大的改善。两相区塑性变形和超声耦合细化碳钢表面晶粒大幅度降低超声冲击后金属表面出现的加工硬化、提高碳钢表层晶粒细化的深度、提高碳钢工件的加工质量、缩短加工时间。本专利技术主要研究意义主要是在现有旋挤、等角挤压、累积叠轧焊、逆相变和多向变形加工等基础上，提供一种超细晶粒金属加工的新方法，进一步拓展超声振动技术的应用领域：在大尺寸金属工件表层制备深度可以控制的(超)细化铁素体晶粒，探索一种实现金属表层组织超细化的新处理工艺。金属构件表层组织的超细化可大幅提高金属构件的使用寿命。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为下工具头装置的结构示意图；图3为Q235在两相区塑性变形和超声耦合处理后试样的常温组织；图4为试验台实物图；图5为工作部分实物图；图中，1、工具台，2、马弗炉，3、超声波发生器，4、导线，5、水箱,6、水泵，7、进水管,8、出水管,9、压力机机架,10、上工具头，11、高频高压交流电源，12、下工具头装置,1201、下工具头,1202、线圈,1203、耐高温保温棉，1204、水管转接头，13、变幅杆，14、变幅杆支架，15、螺栓。具体实施方式下面结合实例、附图对本专利技术做进一步详细说明。如图1和图5所示，两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置，包括工具台1、马弗炉2、超声波发生器3、导线4、水箱5、水泵6、进水管7、出水管8、压力机机架9、上工具头10、高频高压交流电源11、下工具头本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置，包括工具台(1)、马弗炉(2)、超声波发生器(3)、导线(4)、水箱(5)、水泵(6)、进水管(7)、出水管(8)、压力机机架(9)、上工具头(10)、高频高压交流电源(11)、下工具头装置(12)、变幅杆(13)、变幅杆支架(14)和螺栓(15)，其特征在于：工具台(1)底层放置马弗炉(2)，中层放置超声波发生器(3)，上层放置水箱(5)，上述超声波发生器(3)通过导线(4)与变幅杆(13)连接，水箱(5)上端安装有水泵(6)，水泵(6)通过进水管(7)给下工具头装置(12)供水，水箱(5)外接出水管(8)收集由下工具头装置(12)排出的水，上述水管末端套在水管转接头(1204)上，工具台(1)左侧放置压力机，压力机机架(9)上方安装有上工具头(10)，上工具头(10)正下方是下工具头装置(12)，下工具头装置(12)与变幅杆(13)通过螺纹连接，变幅杆(13)安装在变幅杆支架(14)上，变幅杆支架(14)下端有圆柱凸台，与压力机机架(9)下端工作台定位孔配合，变幅杆支架(14)通过螺栓(15)固定在压力机机架(9)下端工作台上。
【技术特征摘要】
1.两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置，包括工具台(1)、马弗炉(2)、超声波发生器(3)、导线(4)、水箱(5)、水泵(6)、进水管(7)、出水管(8)、压力机机架(9)、上工具头(10)、高频高压交流电源(11)、下工具头装置(12)、变幅杆(13)、变幅杆支架(14)和螺栓(15)，其特征在于：工具台(1)底层放置马弗炉(2)，中层放置超声波发生器(3)，上层放置水箱(5)，上述超声波发生器(3)通过导线(4)与变幅杆(13)连接，水箱(5)上端安装有水泵(6)，水泵(6)通过进水管(7)给下工具头装置(12)供水，水箱(5)外接出水管(8)收集由下工具头装置(12)排出的水，上述水管末端套在水管转接头(1204)上，工具台(1)左侧放置压力机，压力机机架(9)上方安装有上工具头(10)，上工具头(10)正下方是下工具头装置(12)，下工具头装置(12)与变幅杆(13)通过螺纹连接，变幅杆(13)安装在变幅杆支架(14)上，变幅杆支架(14)下端有圆柱凸台，与压力机机架(9)下端工作台定位孔配合，变幅杆支架(14)通过螺栓(15)固定在压力机机架(9)下端工作台上。2.如权利要求1所述的两相区塑性变形和超声耦合实现碳钢表面改性装置，其特征在于：下工具头装置(12)包括下工具头(1201)、线圈(1202)、耐高温保温棉(1203)和水管转接头(1204)，所述下工具头(1201)下端有螺纹结构，下工具头(1201)中下端部分加工有排热孔，排热孔与水管转接头(1204)通过螺纹连接，下工具头(1201)中间部分缠绕有20mm～25mm的耐高温保温棉(1203)，耐高温保温棉(1203)外缠绕有线圈(1202)，线圈(1202)与高频高压交流电源...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺庆强，刘建国，朱寒，柴万里，赵军友，耿春丽，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37
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