[發明專利]一種塊體納米結構/超細晶金屬材料制備裝置和方法

有效

• 申請號: 202011189699.2
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112322872B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 王建軍;張曉瓊;王志華
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C21D7/10
• 分類號: C21D7/10;C21D10/00;C22F1/00;C22F3/00
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 張向瑩

1.一種塊體納米結構/超細晶金屬材料制備裝置，其特征在于：包括分離式Hopkinson桿、脈沖電流輔助系統和環境箱(13)，所述脈沖電流輔助系統包括可編程脈沖電源(15)、金屬墊塊(9)和絕緣薄膜(7)，所述分離式Hopkinson桿包括撞擊桿發射裝置(1)、撞擊桿(2)、入射桿法蘭(3)、套管(4)、質量塊(5)、應變片(6)、入射桿(10)、透射桿(11)和能量吸收裝置(12)，所述撞擊桿(2)設置在撞擊桿發射裝置(1)內，所述入射桿法蘭(3)、入射桿(10)、透射桿(11)、能量吸收裝置(12)依次同軸設置，所述入射桿(10)的一端設有套管(4)，所述套管(4)上連接有質量塊(5)，所述入射桿(10)和透射桿(11)上均設有應變片(6)；所述入射桿(10)與透射桿(11)的對接端分別通過絕緣薄膜(7)與金屬墊塊(9)連接，兩個金屬墊塊(9)構成樣品夾持部，所述可編程脈沖電源(15)的輸出端通過銅導線(14)與金屬墊塊(9)連接；所述環境箱(13)設置在入射桿(10)與透射桿(11)的對接處，以使樣品夾持部位于環境箱(13)內。

2.根據權利要求1所述的一種塊體納米結構/超細晶金屬材料制備裝置，其特征在于：所述分離式Hopkinson桿為帶有抑制二次加載功能的分離式Hopkinson桿。

3.根據權利要求1所述的一種塊體納米結構/超細晶金屬材料制備裝置，其特征在于：所述入射桿(10)上的應變片(6)用于記錄反射波，透射桿(11)上的應變片(6)用于記錄透射波。

4.一種利用如權利要求1-3任一項所述的裝置制備塊體納米結構/超細晶金屬材料的方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1.調整撞擊桿(2)、入射桿(10)和透射桿(11)，使其同軸；

步驟2.將樣品(8)加裝在兩個金屬墊塊(9)之間，在測試前利用塞規預先在入射桿法蘭(3)和套管(4)之間預留間隙d；并將環境箱(13)溫度調整到預設溫度；

其中，預留間隙d是通過公式(1)確定：

式(1)中，C為應力波在入射桿(10)/透射桿(11)中的傳播速度，ε_I為入射桿(10)上應變片(6)記錄的入射波應變信號，T為入射波持續時間，v₀為撞擊桿(2)的撞擊速度，l為撞擊桿(2)的長度，t為時間；

步驟3.開啟可編程脈沖電源(15)為樣品(8)通脈沖電流，由撞擊桿發射裝置(1)發射撞擊桿(2)與入射桿法蘭(3)撞擊，產生應力波后沿入射桿(10)傳至金屬樣品(8)，并對其沿z方向壓縮加載，分別利用入射桿(10)和透射桿(11)上的應變片(6)記錄反射波和透射波，根據一波法計算得到樣品(8)在該次壓縮變形中的應力-應變曲線；

加載過程中，反射波傳至入射桿法蘭(3)后反射回的應力波則會通過套管(4)在質量塊(5)處反射成拉伸應力波后傳回入射桿(10)，避免了再次對樣品(8)加載；

步驟4.旋轉樣品(8)，使樣品(8)的另一相對面置于兩個金屬墊塊(9)之間，重復步驟1-3，使樣品(8)沿x方向壓縮加載，并計算該次壓縮變形中的應力-應變曲線；

步驟5.再次旋轉樣品(8)，使樣品(8)未加載的相對面置于兩個金屬墊塊(9)之間，重復步驟1-3，對樣品(8)沿y方向壓縮加載，計算得到樣品(8)在該次壓縮變形中的應力-應變曲線；

步驟6.重復步驟1-5繼續對樣品(8)進行壓縮加載，直至樣品(8)實現晶粒達到納米結構/超細晶；

所述步驟3-5中計算應力-應變曲線的公式如下：

式(2)-(4)中，ε_s為樣品(8)在該次壓縮過程中的應變，σ_s為樣品(8)在該次壓縮過程中的應力，為樣品(8)在該次壓縮過程中的應變率，L為樣品(8)的長度，E為入射桿/透射桿的彈性模量，A為入射桿/透射桿的橫截面積，A_s為樣品(8)的橫截面積，ε_R為入射桿(10)上應變片(6)記錄的反射波應變信號，ε_T為透射桿(11)上應變片(6)記錄的透射波應變信號，t為時間，C為應力波在入射桿(10)/透射桿(11)中的傳播速度。