[發(fā)明專利]一種具有竹節(jié)和硬核梯度結(jié)構(gòu)的銅合金棒材的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911232847.1
• 申請(qǐng)日: 2019-12-05
• 公開（公告）號(hào): CN112921256B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹陽(yáng);袁昭;臧鈺;趙永好;周浩;聶金鳳;李玉勝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C22F1/08
• 分類號(hào): C22F1/08
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 張玲

本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種具有竹節(jié)和硬核梯度結(jié)構(gòu)的銅合金棒材的制備方法。包括如下步驟：(1)：旋轉(zhuǎn)鍛造：采用銅合金棒材為原材料，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鍛造，得到具有硬核梯度結(jié)構(gòu)的棒材；(2)：縱向表面機(jī)械碾磨：通過縱向表面機(jī)械碾磨對(duì)步驟(1)得到的硬核梯度結(jié)構(gòu)的棒材進(jìn)行碾磨，得到具有均勻的表面納米晶層的棒材；(3)：橫向表面機(jī)械碾磨：對(duì)步驟(2)得到的具有均勻的表面納米晶層的棒材進(jìn)行橫向表面機(jī)械碾磨，在棒材表面得到多個(gè)厚度為表面納米晶層厚度1.5?3倍的多個(gè)環(huán)狀納米晶層，即竹節(jié)。本發(fā)明結(jié)合旋鍛和表面納米化，在銅合金中引入了硬核梯度結(jié)構(gòu)和竹節(jié)結(jié)構(gòu)，顯著提高了銅合金棒材的強(qiáng)度，且保留了塑性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種具有竹節(jié)和硬核梯度結(jié)構(gòu)的銅合金棒材的制備方法。

背景技術(shù)

銅合金具有十分廣泛的用途，人們對(duì)于銅合金的使用最早可追溯到3000多年前，到目前為止，人類在實(shí)際生產(chǎn)生活中已經(jīng)開發(fā)出多種類型的銅合金。相比于其他合金，銅合金的用途更多，許多銅合金都同時(shí)具備多種性能，所以常常既可用于結(jié)構(gòu)材料，又可作為功能材料使用。然而，作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)，各種銅合金的強(qiáng)度都比較低，很難滿足實(shí)際需要；作為功能材料使用時(shí)，人們同時(shí)也希望它們具有更高的強(qiáng)度。大塑性變形技術(shù)是當(dāng)前提高金屬材料強(qiáng)度的一種有效手段，通過大塑性變形產(chǎn)生高應(yīng)變量，可以顯著細(xì)化晶粒，從而大大提高銅合金強(qiáng)度。但是，大塑性變形技術(shù)在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，會(huì)大大降低材料塑性，而且大塑性變形還存在成本較高，可制備材料尺寸小等缺點(diǎn)，因此大塑性變形并不適合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)。

近年來，大量研究表明金屬材料的異質(zhì)化可以有效的提高材料的綜合力學(xué)性能。梯度結(jié)構(gòu)、雙峰結(jié)構(gòu)、諧波結(jié)構(gòu)以及異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)能夠提高材料的強(qiáng)塑性匹配性能的主要原因是在材料中引入了應(yīng)變梯度和軟硬界面，在變形的過程中細(xì)化的晶粒以及背應(yīng)力提高了材料的屈服強(qiáng)度；同時(shí)，軟硬/梯度界面處大量增殖的幾何必須位錯(cuò)增強(qiáng)了材料的拉伸塑性。

T.H.Fang等人在《Science》，2011,331:1587-1590上發(fā)表的“RevealingExtraordinary IntrinsicTensile Plasticity in GradientNano-Grained Copper”(揭示梯度納米晶結(jié)構(gòu)銅的超高拉伸塑性)一文中，介紹利用表面機(jī)械碾磨處理(SMGT)在純Cu棒材表層制備出了梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)，室溫拉伸實(shí)驗(yàn)表明,具有梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)表層的純Cu棒狀樣品拉伸屈服強(qiáng)度比粗晶Cu樣品提高約一倍，而拉伸塑性與粗晶Cu相同，其中表面梯度納米結(jié)構(gòu)層是強(qiáng)度提高的主因，盡管梯度納米晶粒層在樣品斷面中所占的面積比例很小(約9％)，但由于納米晶粒結(jié)構(gòu)具有很高的屈服強(qiáng)度(最外表層50μm厚納米晶粒結(jié)構(gòu)的拉伸屈服強(qiáng)度高達(dá)660MPa，是粗晶組織的十余倍)，它對(duì)提高強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很大。定量分析表明，梯度納米晶粒層對(duì)樣品整體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)高達(dá)約1/3，而拉伸塑性來源于粗晶組織基體，基體粗晶組織具有良好的塑性變形能力，在拉伸過程中具有很高的拉伸應(yīng)變和加工硬化能力，梯度結(jié)構(gòu)組織可有效地抑制表層納米晶粒結(jié)構(gòu)在變形過程中可能產(chǎn)生的應(yīng)變集中和早期頸縮，從而延遲了表面納米晶粒結(jié)構(gòu)的變形局域化和裂紋萌生，使納米晶粒組織表現(xiàn)出良好的拉伸塑性變形能力。

但是，在實(shí)際應(yīng)用中，隨著樣品橫截面積的增加，在棒材表面可制備出的梯度納米晶粒層占棒材半徑的比例將越來越小，這意味著其強(qiáng)化效果也將減弱，所以對(duì)棒材進(jìn)行簡(jiǎn)單的表面納米化不適用于直徑較大的棒材的強(qiáng)化處理。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有竹節(jié)和硬核梯度結(jié)構(gòu)的銅合金棒材的制備方法，將旋鍛工藝和表面機(jī)械碾磨工藝的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，在銅合金棒材中引入了多種結(jié)構(gòu)，制備出了一種同時(shí)具有竹節(jié)結(jié)構(gòu)和硬核梯度結(jié)構(gòu)的銅合金棒材。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種具有竹節(jié)和硬核梯度結(jié)構(gòu)的銅合金棒材的制備方法，包括如下步驟：

步驟(1)：旋轉(zhuǎn)鍛造：采用棒材為原材料，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鍛造，得到具有硬核梯度結(jié)構(gòu)的棒材；