[發明專利]一種提高金屬材料力學性能的循環扭轉加工工藝

有效

• 申請號: 201911044516.5
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110923438B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 盧磊;潘慶松;崔方
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00;C22F3/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種提高金屬材料力學性能的循環扭轉加工工藝，屬于金屬材料強化技術領域。具體是通過對金屬棒材、管材或板材樣品施加小角度循環往復扭轉變形，通過在金屬材料表面至內部產生梯度分布的剪切塑形應變，從而引入梯度分布的位錯和納米孿晶等變形微結構，并且保留原始態的粗晶結構。其中，扭轉角振幅介于2度和30度之間，循環扭轉周次介于2和200之間。與相同成分的均勻粗晶結構相比，經過循環往復扭轉工藝處理后的金屬材料的屈服強度提高1.5倍以上，并且具有與粗晶相當的均勻塑性。利用本發明在原始粗晶中獲得具有梯度分布微結構具有高強度和良好塑性匹配。

技術領域

本發明涉及金屬材料強化技術領域，具體涉及一種提高金屬材料力學性能的循環扭轉加工工藝。

背景技術

金屬材料由于兼具強度、塑性和韌性等綜合力學和理化性能而廣泛應用于航空航天、石油化工、交通運輸等幾乎所有工業領域，是人類社會不可或缺的一類重要材料。近年來，隨著社會的發展，資源日益短缺、能源消耗和環境污染不斷加劇，這迫使金屬構件和裝備不斷向高性能、輕質、節能環保方向發展，使役環境越來越復雜，顯微強度和硬度偏低的傳統結構金屬材料難以在如此苛刻工況條件下應用。

近個世紀以來，材料研究的核心問題一直是如何提高材料的強度。迄今為止，已發展出一系列通過調控材料的成分、微觀組織結構和內部缺陷來強化金屬材料的技術，包括固溶強化、形變強化、彌散強化等。盡管這些強化技術可在一定程度上提高材料強度，但往往導致其塑性和韌性變差，加工硬化能力降低，從而嚴重制約了高強度金屬材料的發展。

上世紀80年代，德國材料科學家Gleiter教授提出納米結構材料的概念，即將材料結構單元(如多晶材料中的晶粒尺寸)減小至納米尺度，其顯著結構特點是含有大量晶界或其它界面。大量研究結果表明利用等通道轉角擠壓、高壓扭轉等嚴重塑性變形技術可將金屬材料的微米晶粒尺寸均勻細化至納米尺度(即納米結構材料)。所獲得的均勻納米結構材料的強度為粗晶結構的數倍甚至數10倍，但其均勻塑性幾乎為0。這主要歸因于均勻納米結構材料本身的高密度缺陷嚴重抑制了位錯的增殖和應變局域化的發生，導致了加工硬化能力的缺失。因此，如何實現高強度金屬材料的加工硬化已成為當前發展高性能金屬材料亟待解決的重要科學問題。

近年來，微觀結構梯度的概念被逐漸應用于工程材料設計中，其中，梯度納米晶結構(即晶粒尺寸從納米尺度連續增加至微米尺度，GNG)便是其中的一種優化金屬材料綜合性能的典型構筑結構。例如，利用表面機械碾磨處理技術制備的GNG Cu不僅具有較高強度，還具有和芯部粗晶相當的拉伸塑性，這主要歸功于粗晶基體對GNG表層應變局域化的限制和獨特的機械驅動晶粒長大機制。然而，由于現有技術獲得的梯度納米晶結構中表面納米晶層厚度有限和其本征機械不穩定性，限制了其強度的進一步提高。更重要的是，目前發展的幾種表面變形工藝如表面機械碾磨和表面滾壓處理技術所使用的設備比較復雜，需要利用具有特殊幾何尺寸的硬質合金刀頭對金屬表面進行碾磨或滾壓處理，工藝技術苛刻，處理效率較低，嚴重限制了其在工業中的廣泛應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種提高金屬材料力學性能的循環扭轉加工工藝，該工藝過程簡單高效，能夠顯著提高金屬材料的強度，并且不明顯降低金屬材料的均勻塑性和斷裂延伸率。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種提高金屬材料力學性能的循環扭轉加工工藝，該工藝通過對金屬材料樣品進行小角度循環往復扭轉變形處理，從而在金屬材料的原始粗晶結構中引入梯度分布的位錯和納米孿晶變形微結構，從而提高金屬材料的力學性能。

所述金屬材料為棒材或管材；軸向長度大于10mm，直徑大于1mm。

所述小角度循環扭轉變形處理是指：將棒材或管材的一端固定，并施加力使棒材或管材的另一端繞其中心軸往復旋轉，往復旋轉一次為一個循環扭轉周次。