技术领域
[0001] 本
发明涉及孪晶技术领域，具体而言，涉及制备高密度孪晶材料的设备以及方法。
背景技术
[0002] 形变孪晶是金属发生塑性
变形的一种重要变形机制。孪晶容易在材料内部应
力集中处产生，释放剪
应力，同时改变局部取向，进一步增加位错滑移的可能性，因而能提高材料的性能。一般来说具有高密度孪晶的材料有较高的强度和硬度。
[0003] 产生孪晶往往需要较大的塑性变形，可以通过等通道转
角挤压方法来实现，但这种大塑性变形的加载往往会出现细化晶粒，产生织构等异于原始样品的情况。
[0004] 影响孪晶形成的主要因素有晶粒取向、晶粒尺寸、变形
温度、应变速率等。孪晶所需要的临界切应力一般比滑移的大，在滑移系较多的bcc、fcc结构金属中，只有温度很低、应变率很高或者其他原因使滑移受阻时，孪晶才成为塑性变形的主要机制。
[0005] 一级轻气炮属于高应变率加载，在高应变率条件下，位错的热激活机制受到抑制，位错运动受到声子阻尼以及相对论效应的影响，使得位错的开启和高速运动需要的剪应力较大，塑性变形的主要方式为形变孪晶。常规的气炮实验中，为了避免稀疏波的影响，飞片与样品都比较大而薄，样品的径厚比要大于5，中间探测区属于一维应变状态。这时样品的等效应变只与冲击速度有关。虽然气炮属于高应变率加载，但是由于塑性应变小，产生的孪晶少。
[0006] 此外，传统的一级轻气炮属于高应变率加载，通常会产生一些变形孪晶，但由于低速冲击对应的塑性变形量较小，不能产生高密度的孪晶，而高速冲击对气炮装置要求较高(需要二级轻气炮)，耗能高，操作过程较麻烦，同时会带来温升(不利于孪晶的产生)甚至融化，或者使材料内部发生损伤，因此通常的气炮加载不太适合制备高密度孪晶的材料。
[0007] 其他大塑性变形的装置如ECAP虽然能产生高密度孪晶，但往往会出现细化晶粒、产生织构等情况，造成与原始样品的差异。
发明内容
[0008] 本发明的主要目的在于提供制备高密度孪晶材料的设备以及方法，以解决
现有技术中孪晶难以制备的问题。
[0009] 为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种制备高密度孪晶材料的设备。该制备高密度孪晶材料的设备包括固定样品的固定装置、设于样品前方的发射装置以及设于样品后方的回收装置；所述固定装置包括与样品外缘大小匹配的通孔；所述发射装置包括与样品的形状匹配且平行的飞片、承载飞片朝向样品运动的弹托以及供弹托飞行的炮管；所述回收装置包括设于最后方的
缓冲层；在所述样品后方设有与样品连接且材质相同的窗口。
[0010] 本发明采用高速撞击的方式，通过在样品后方的自由面处增加与样品的阻抗相匹配的窗口，这样使得稀疏波有足够长的时间从样品两侧传播到样品中间，从而使样品的应力状态变为一维应力和一维应变的混合状态，最终产生较大塑性变形，使样品受撞击后在产品的内部产生高密度孪晶。同时，与传统的气炮装置相比，本发明的制备高密度孪晶材料的设备结构简单，操作方便，改变样品受撞击时的应力状态，使用过程中产生的能耗低，即使在低速下也更容易获得具有高密度孪晶的金属材料。所得产品内部没有发生损伤，也未出现晶粒细化、产生织构等不良情况。
[0011] 进一步地，所述固定装置包括相对设置的固定架，在所述固定架上设有测速装置；所述测速装置为激光测速装置或电磁测速装置；所述测速装置设于所述样品的前方。由此，便于调控孪晶的密度。
[0012] 进一步地，所述窗口的厚度大于所述样品的厚度；所述飞片的厚度大于所述样品的厚度；所述样品的轴向投影面位于所述飞片的轴向投影面内部；所述窗口的厚度大于所述飞片的厚度。由此，确保较多的塑性变形。飞片材料选用的原则，一般是用与样品相同的材料。如果为了获得更高的压力，也可以用阻抗较高的材料，如钨、钽等。
[0013] 进一步地，所述窗口的厚度为所述样品的厚度的1.2～1.5倍；所述窗口的厚度比所述飞片的厚度大0.3～0.5mm。由此，确保较多的塑性变形。
[0014] 进一步地，所述弹托与炮管之间设有
密封圈；所述密封圈为至少两个。由此，保证弹托和飞片在炮管中飞行既不漏气，又能处于中心
位置。
[0015] 进一步地，所述样品与窗口粘接；所述样品和窗口与通孔粘接。由此，便于安装且不影响孪晶的产生。
[0016] 进一步地，所述缓冲层为厚度≥3cm的
真空封泥层；所述真空封泥层与窗口之间的距离≥3cm。由此，在降速的同时保护撞击后的产品尽可能地避免二次碰撞。
[0017] 进一步地，所述弹托上设有环状的凸起，该凸起与飞片连接。由此，在弹托与飞片之间形成间隙，由于间隙中有空气，而飞片阻抗的要比空气大，这样可以保证自由面(飞片中靠近弹托的平面)产生的是稀疏波。此外，由于存在该间隙，因此可以确保飞片阻抗较小时依然可以产生稀疏波时采用一些阻抗较大的弹托。
[0018] 为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，还提供了一种制备高密度孪晶材料的方法。该制备高密度孪晶材料的方法包括以下步骤：
[0019] 1)采用上述的制备高密度孪晶材料的设备来放置样品；
[0020] 2)在真空状态下使飞片以一定速度撞击样品，使样品受到撞击后飞入回收装置；
[0021] 3)打开回收装置，即得到具有孪晶的产品。
[0022] 本发明的制备高密度孪晶材料的方法的工艺简单，操作简单，能耗低，经济环保，所得产品中产生高密度孪晶。
[0023] 进一步地，所述飞片的移动速度为400～600m/s；由此，有足够的塑性变形，同时又不会损伤样品。
[0024] 进一步地，所述飞片与样品之间的距离为1.5～2.5m；由此，有足够的塑性变形，同时又不会损伤样品。
[0025] 进一步地，所述弹托的材质为聚
碳酸酯；由此，阻抗较小，具有较高的抗冲击强度和弹性系数。
[0026] 进一步地，还包括在步骤1)之前对飞片和样品进行打磨。由此，保证其平整度，避免斜碰。斜碰除了影响孪晶生长外，可能直接对样品造成损伤。同时，斜碰可能导致样品不能完好的进入回收装置，如果不能完好的回收产品，可能造成二次碰撞，对产品造成损伤。
[0027] 可见，本发明的制备高密度孪晶材料的设备结构简单，操作方便，改变样品受撞击时的应力状态，使用过程中产生的能耗低，即使在低速下也更容易获得具有高密度孪晶的金属材料。本发明的制备高密度孪晶材料的方法的工艺简单，操作简单，能耗低，经济环保。由。本发明的制备高密度孪晶材料的设备以及方法制备得到的金属材料内部没有发生损伤，也未出现晶粒细化、产生织构等情况。
[0028] 下面结合
附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0029] 构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0030] 图1为本发明制备高密度孪晶材料的设备的结构示意图。
[0031] 图2为为
实施例1所得产品的EBSD衬度图。
[0032] 图3为实施例1的对照例所得产品的EBSD衬度图。
[0033] 图4为实施例5所得产品的EBSD衬度图。
[0034] 图5为实施例5的对照例所得产品的EBSD衬度图。
[0035] 上述附图中的有关标记为：
[0036] 1：样品；
[0037] 2：固定装置；
[0038] 21：通孔；
[0039] 22：固定架；
[0040] 23：测速装置；
[0041] 3：发射装置；
[0042] 31：飞片；
[0043] 32：弹托；
[0044] 33：炮管；
[0045] 34：凸起；
[0046] 35：空隙；
[0047] 4：回收装置；
[0048] 41：缓冲层；
[0049] 5：窗口；
[0050] 6：靶室。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
[0052] 本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
[0053] 此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0054] 关于本发明中术语和单位。本发明的
说明书和
权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于
覆盖不排他的包含。
[0055] 本发明具体实施方式的制备高密度孪晶材料的设备如图1所示，包括固定样品1的固定装置2、设于样品1前方的发射装置3以及设于样品1后方的回收装置4；所述固定装置2包括与样品1外缘大小匹配的通孔21；所述发射装置3包括与样品1的形状匹配且平行的飞片31、承载飞片31朝向样品1运动的弹托32以及供弹托32飞行的炮管33；所述回收装置4包括设于最后方的缓冲层41；在所述样品1后方设有与样品1连接且材质相同的窗口5。其中，所述固定装置2、发射装置3和回收装置4均设于靶室6中。
[0056] 所述固定装置2包括相对设置的固定架22，在所述固定架22上设有测速装置23；所述测速装置23为激光测速装置23；所述测速装置23设于所述样品1的前方。
[0057] 所述窗口5的厚度为所述样品1的厚度的1.2～1.5倍；
[0058] 所述飞片31的厚度大于所述样品1的厚度；
[0059] 所述样品1和所述飞片31均为圆柱形，且直径均等于13.4mm；
[0060] 所述窗口5的厚度比所述飞片31的厚度大0.3～0.5mm。
[0061] 所述弹托32与炮管33之间设有两个密封圈。
[0062] 所述样品1与窗口5粘接；所述样品1和窗口5与通孔21粘接；所述飞片31与弹托32粘接；粘接采用502胶
水。
[0063] 所述缓冲层41为厚度等于5cm的30#真空封泥层；
[0064] 所述真空封泥层与窗口5之间的距离为10cm。
[0065] 所述弹托32上设有所述弹托32上设有环状的凸起34，该凸起34与飞片31连接，从而在飞片31与弹托32之间形成空隙35。
[0066] 本发明具体实施方式的制备高密度孪晶材料的方法包括以下步骤：
[0067] 1)对飞片31、样品1和窗口5进行打磨，然后采用上述的制备高密度孪晶材料的设备来放置样品1和窗口5；
[0068] 2)将靶室6抽真空，使飞片31在真空状态下以一定速度撞击样品1，使样品1受到撞击后飞入回收装置4；其中，弹托32和飞片31的飞行通过气瓶中的压缩气体来驱动，气体采用氮气或者氦气。
[0069] 3)打开回收装置，即得到具有孪晶的产品。
[0070] 所述飞片31的移动速度为400～600m/s；所述飞片31与样品1之间的距离为1.5～2.5m；所述弹托32的材质为聚碳酸酯。
[0071] 以下通过具体的实施例来说明本发明的有益效果。
[0072] 实施例1-8的结构参数以及工艺参数见表1。其中，实施例1-4的样品1为Q235
钢板，实施例5-8的样品1为
TWIP钢板。
[0073] 表1
[0074]
[0075]
[0076] 待撞击完成后，打开回收装置4并回收产品，沿产品直径方向将产品切开，将截面
抛光后进行
电子背散射衍射(EBSD)表征。同时，每个实施例还进行了对照例，即将相同尺寸的、未粘贴窗口5的样品1进行撞击反应，同样地，待撞击完成后，打开回收装置4并回收产品，沿产品直径方向将产品切开，将截面抛光后进行电子背散射衍射(EBSD)表征。对应的两个产品的扫描位置相同。经验证，粘贴窗口5后，所得产品内部的孪晶密度显著提升。
[0077] 例如，图2为实施例1所得产品的EBSD衬度图，图3为实施例1的对照例所得产品的EBSD衬度图，图中晶粒内的细线为孪
晶界，从图2和图3可以明显看出，图2的孪晶密度高于图3。图4为实施例5所得产品的EBSD衬度图，图5为实施例5的对照例所得产品的EBSD衬度图，从图4和图5可以明显看出，图4的孪晶密度高于图5。
[0078] 以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
