一種梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法，通過液氮冷卻并逐步軋制得到了晶粒尺寸從表面到心部成弱梯度分布的超細(xì)晶粒金屬，然后進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理，晶粒大小由金屬表面向內(nèi)部梯度進(jìn)一步增加，最終獲得強(qiáng)梯度分布的超細(xì)晶粒金屬，使得金屬具有高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕和優(yōu)良的加工硬化性能，該制作方法生產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定，同時(shí)成本也較低。
【專利說明】一種梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料加工方法，尤其涉及一種梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高強(qiáng)度、高韌性的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在航空航天、建筑、交通運(yùn)輸以及武器裝備等領(lǐng)域具有廣泛的用途和巨大需求。超細(xì)晶粒材料(晶粒尺寸小于300納米)因獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)使其具有許多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度和高耐腐蝕性能，是最近國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)材料之一。但是超細(xì)晶粒材料的彈性、韌性過低，大部分超細(xì)晶粒材料都不具有加工硬化性能，因此限制了這類材料在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。導(dǎo)致超細(xì)晶粒材料韌性過低的原因是此類材料在變形過程中對(duì)剪切帶高度敏感，使材料的彈性在變形過程中不穩(wěn)定。而類似魚鱗的超細(xì)晶粒材料具有多層次、不同硬度的結(jié)構(gòu)而使得彈性和韌性大為提高，因而如何能大規(guī)模生產(chǎn)梯度化超細(xì)晶粒材料便成為急待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提供一種生產(chǎn)梯度化超細(xì)晶粒材料的方法。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法，包括下列步驟:
A、將金屬板浸入液氮中冷卻至-170°0--90° C，所述金屬板為鈦、鎂、鋁中的一種；
B、軋制金屬板，每次壓縮量為金屬板初始厚度的59TlO%，并將軋制后的金屬板冷卻至-170° C~-90° C；
C、重復(fù)B步驟，直至金屬板的厚度被壓縮至初始厚度的12%~20%；
D、完成C步驟后，將所述金屬板在真空中用硬鋼球在表面機(jī)械研磨機(jī)上研磨5~15min，并自然冷卻；
E、重復(fù)D步驟5~10次。
[0005]優(yōu)選的，上述梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法包括下列步驟:
A、將二級(jí)商業(yè)純Ti板浸入液氮中冷卻至-170°(T-90° C；
B、軋制Ti板，每次壓縮量為Ti板初始厚度的59TlO%，并將軋制后的Ti板冷卻至-170° C~-90° C；
C、重復(fù)B步驟，直至Ti板的厚度被壓縮至初始厚度的12%~20%；
D、完成C步驟后，將所述Ti板在真空中用硬鋼球研磨5~15min，并自然冷卻；
E、重復(fù)D步驟5~10次。
[0006]進(jìn)一步優(yōu)選的，上述梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法包括下列步驟:
A、將36mm的二級(jí)商業(yè)純Ti板浸入液氮中冷卻至-170°0-_90° C ；
B、軋制Ti板，每次壓縮量為2mm，并將軋制后的Ti板冷卻至-170°0-_90° C；
C、重復(fù)B步驟，直至Ti板的厚度為5mm;
D、完成C步驟后，將所述Ti板在真空中用硬鋼球在表面機(jī)械研磨機(jī)上研磨5~15min，并自然冷卻；
E、重復(fù)D步驟5~10次。
[0007]優(yōu)選的，步驟D為:完成C步驟后，將所述Ti板用8mm直徑的硬鋼球在表面機(jī)械研磨機(jī)上研磨，振動(dòng)頻率50Hz,研磨IOmin,并自然冷卻15min ；
步驟E為:重復(fù)D步驟6次。
[0008]優(yōu)選的，步驟D包括Dl和D2 ;
D1、完成C步驟后，將所述Ti板切成矩形狀，并研磨其四個(gè)側(cè)邊；
D2、將所述Ti板在真空中用硬鋼球研磨，并自然冷卻。
[0009]采用該制作方法生產(chǎn)的金屬能形成多層厚度在幾十微米左右的晶體層，這些晶體層的晶粒大小由外向內(nèi)梯度增加，使得金屬具有高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕和優(yōu)良的加工硬化性能，該制作方法生產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定，同時(shí)成本也較低。
[0010]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是采用該制作方法生產(chǎn)的Ti板的微觀橫截面圖。
[0011]圖2是采用該制作方法生產(chǎn)的Ti板的A/NC層的微觀結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖3是采用該制作方法生產(chǎn)的Ti板的NG層的微觀結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖4是采用該制作方法生產(chǎn)的Ti板的UFG層的微觀結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖5是采用該制作方法生產(chǎn)的Ti板彈性模量和硬度隨深度變化的曲線圖。
[0015]圖6是采用該制作方法生產(chǎn)的Ti板壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
[0016]圖7是采用該制作方法生產(chǎn)的Ti板壓縮試驗(yàn)的加工硬化系數(shù)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0018]實(shí)施例1
現(xiàn)公開一種梯度化超細(xì)晶粒金屬鈦的制作方法，包括下列步驟:
A、將36mm的二級(jí)商業(yè)純Ti板浸入液氮中冷卻至-170°0-_90° C，將金屬板低溫冷卻至該溫度的目的是減小后續(xù)軋制過程中材料溫度升高，防止熱量使細(xì)化的晶粒再結(jié)晶長(zhǎng)大；
B、軋制Ti板，每次壓縮量為2mm，并將軋制后的Ti板冷卻至-170°0-_90° C，逐步軋制可以使應(yīng)力沿材料表層至內(nèi)部梯度分布，軋制后繼續(xù)冷卻可以使表層金屬晶粒保持納米化的狀態(tài)；
C、重復(fù)B步驟，直至Ti板的厚度為5mm，弱梯度超精細(xì)加工階段完成，此時(shí)Ti板的晶粒尺寸從表面到內(nèi)部呈梯度變小，范圍為5(T250nm ；
D、完成C步驟后，進(jìn)行強(qiáng)梯度超精細(xì)加工階段，將Ti板切成矩形狀，并研磨其四個(gè)側(cè)邊，該步驟目的是使金屬板四個(gè)側(cè)邊的表層具有強(qiáng)化的梯度晶粒分布；
將所述Ti板上下表面用8mm直徑的硬鋼球在真空中研磨,振動(dòng)頻率50Hz,研磨IOmin,并自然冷卻15min，該步驟目的是使金屬板上下表層具有強(qiáng)化的梯度晶粒分布；
E、重復(fù)D步驟5~10次，強(qiáng)梯度超精細(xì)加工階段完成，Ti板從表面至內(nèi)部依次形成非晶/納米晶(A/NC)層、納米晶層(NG)和超細(xì)晶粒層(UFG)，如圖1至圖5所示，A/NC層晶粒尺寸為30nm左右，厚度小于40微米；NG層晶粒尺寸為40nm左右，厚度小于60微米；UFG層晶粒尺寸為5(T250nm之間。圖6為該制作方法生產(chǎn)的Ti板壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖7為加工硬化系數(shù)曲線，顯示出該梯度化超細(xì)晶粒Ti具有高強(qiáng)度、優(yōu)良加工硬化性能的優(yōu)點(diǎn)。
[0019]實(shí)施例2
A、將30mm的二級(jí)商業(yè)純Mg板浸入液氮中冷卻至-170°0-_90° C，將金屬板低溫冷卻至該溫度的目的是減小后續(xù)軋制過程中材料溫度升高，防止熱量使細(xì)化的晶粒再結(jié)晶長(zhǎng)大；
B、軋制Mg板，每次壓縮量為2mm，并將軋制后的Mg板冷卻至-170°0-_90° C，逐步軋制可以使應(yīng)力沿材料表層至內(nèi)部梯度分布，軋制后繼續(xù)冷卻可以使表層金屬晶粒保持納米化的狀態(tài)；
C、重復(fù)B步驟，直至Mg板的厚度為4mm，弱梯度超精細(xì)加工階段完成，此時(shí)Mg板的晶粒尺寸從表面到內(nèi)部呈梯度變小，范圍為5(T250nm ；
D、完成C步驟后，進(jìn)行強(qiáng)梯度超精細(xì)加工階段，將Mg板切成矩形狀，并研磨其四個(gè)側(cè)邊，該步驟目的是使金屬板四個(gè)側(cè)邊的表層具有強(qiáng)化的梯度晶粒分布；
將所述Mg板上下表面用8mm直徑的硬鋼球在真空中研磨,振動(dòng)頻率50Hz,研磨IOmin,并自然冷卻15min，該步驟目的是使金屬板上下表層具有強(qiáng)化的梯度晶粒分布；
E、重復(fù)D步驟5~10次，強(qiáng)梯度超精細(xì)加工階段完成。
[0020]實(shí)施例3
A、將40mm的二級(jí)商業(yè)純Al板浸入液氮中冷卻至-170°0-_90° C,將金屬板低溫冷卻至該溫度的目的是減小后續(xù)軋制過程中材料溫度升高，防止熱量使細(xì)化的晶粒再結(jié)晶長(zhǎng)大；
B、軋制Al板，每次壓縮量為2mm，并將軋制后的Al板冷卻至-170°0-_90° C，逐步軋制可以使應(yīng)力沿材料表層至內(nèi)部梯度分布，軋制后繼續(xù)冷卻可以使表層金屬晶粒保持納米化的狀態(tài)；
C、重復(fù)B步驟，直至Al板的厚度為6mm，弱梯度超精細(xì)加工階段完成，此時(shí)Al板的晶粒尺寸從表面到內(nèi)部呈梯度變小，范圍為5(T250nm ；
D、完成C步驟后，進(jìn)行強(qiáng)梯度超精細(xì)加工階段，將Al板切成矩形狀，并研磨其四個(gè)側(cè)邊，該步驟目的是使金屬板四個(gè)側(cè)邊的表層具有強(qiáng)化的梯度晶粒分布；
將所述Al板上下表面用8mm直徑的硬鋼球在真空中研磨,振動(dòng)頻率50Hz,研磨IOmin,并自然冷卻15min，該步驟目的是使金屬板上下表層具有強(qiáng)化的梯度晶粒分布；
E、重復(fù)D步驟5~10次，強(qiáng)梯度超精細(xì)加工階段完成。
[0021]該制作方法通過液氮冷卻并逐步軋制得到了晶粒尺寸從表面到心部成弱梯度分布的超細(xì)晶粒金屬，然后進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理，晶粒大小由金屬表面向內(nèi)部梯度進(jìn)一步增加，最終獲得強(qiáng)梯度分布的超細(xì)晶粒金屬，使得金屬具有高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕和優(yōu)良的加工硬化性能，該制作方法生產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定，同時(shí)成本也較低。
[0022]以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法，其特征在于，包括下列步驟: A、將金屬板浸入液氮中冷卻至-170°0--90° C，所述金屬板為鈦、鎂、鋁中的一種； B、軋制金屬板，每次壓縮量為金屬板初始厚度的59TlO%，并將軋制后的金屬板冷卻至-170° C~-90° C； C、重復(fù)B步驟，直至金屬板的厚度被壓縮至初始厚度的12%~20%； D、完成C步驟后，將所述金屬板在真空中用硬鋼球在表面機(jī)械研磨機(jī)上研磨5~15min，并自然冷卻； E、重復(fù)D步驟5~10次。
2.如權(quán)利要求1所述的梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法，其特征在于，包括下列步驟: A、將二級(jí)商業(yè)純Ti板浸入液氮中冷卻至-170°(T-90° C； B、軋制Ti板，每次壓縮量為Ti板初始厚度的59TlO%，并將軋制后的Ti板冷卻至-170° C~-90° C； C、重復(fù)B步驟，直至Ti板的厚度被壓縮至初始厚度的12%~20%； D、完成C步驟后，將所述Ti板在真空中用硬鋼球在表面機(jī)械研磨機(jī)上研磨5~15min，并自然冷卻； E、重復(fù)D步驟5~10次。
3.如權(quán)利要求2所述的梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法，其特征在于，包括下列步驟: A、將36mm的二級(jí)商業(yè)純Ti板浸入液氮中冷卻至-170°0-_90° C ； B、軋制Ti板，每次壓縮量為2mm，并將軋制后的Ti板冷卻至-170°0-_90° C； C、重復(fù)B步驟，直至Ti板的厚度為5mm; D、完成C步驟后，將所述Ti板在真空中用硬鋼球在表面機(jī)械研磨機(jī)上研磨5~15min，并自然冷卻； E、重復(fù)D步驟5~10次。
4.如權(quán)利要求2所述的梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法，其特征在于，步驟D為:完成C步驟后，將所述Ti板用8mm直徑的硬鋼球在表面機(jī)械研磨機(jī)上研磨,振動(dòng)頻率50Hz,研磨IOmin,并自然冷卻15min ； 步驟E為:重復(fù)D步驟6次。
5.如權(quán)利要求2所述的梯度化超細(xì)晶粒金屬的制作方法，其特征在于，步驟D包括Dl和D2 ； D1、完成C步驟后，將所述Ti板切成矩形狀，并研磨其四個(gè)側(cè)邊； D2、將所述Ti板在真空中用硬鋼球研磨，并自然冷卻。
【文檔編號(hào)】C21D8/02GK103911500SQ201410116873
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】周正存, 楊登科, 杜潔, 嚴(yán)勇健, 楊洪, 顧蘇怡 申請(qǐng)人:蘇州市職業(yè)大學(xué)