一種提高金屬及合金強度的方法

2023-10-05 13:09:34

專利名稱：一種提高金屬及合金強度的方法
技術領域：
本發明涉及提高金屬及合金強度的技術，特別提供了在不改變金屬及合金化學成分的前提下，通過一種動態塑性變形技術來提高金屬及合金強度的方法。
背景技術：
金屬及合金能夠通過不同的方法進行強化，例如固溶強化、第二相強化、晶粒細化和冷加工等方法。固溶強化和第二相強化可以顯著提高金屬材料的強度，但合金元素的加入將改變材料的物理和化學性能。在不改變金屬及合金化學成分的前提下，也能夠通過改變材料的微觀結構進行強化。對於塊體金屬材料，可以通過細化晶粒來提高材料的強度。根據Hall-Petch關係(=o+kd-12),]]>其中σ金屬多晶體的屈服強度、σo退火粗晶體的屈服強度、d晶粒尺寸，金屬材料的強度隨晶粒尺寸減小而增大。所以工業上通常利用冷加工等塑性變形技術通過細化晶粒尺寸提高金屬材料的強度。俄羅斯材料科學家Valiev等人(文獻1 Valiev R Z，Joural of Materials Research(材料研究)，2002；175)利用等通道擠壓製備的塊體超細晶銅，平均晶粒尺寸大約100nm，室溫拉伸時屈服強度380MPa，是普通退火純銅的7倍以上。然而，室溫塑性變形由於位錯湮滅、恢復，在金屬中只能引入有限密度的位錯，在變形應變達到一定量時，變形材料強度達到飽和值。例如，在變形應變小於7時，變形純銅已不再應變硬化(文獻2 Cairns等，J.Inst.Metals，1971；9993)。低溫變形能夠抑制位錯恢復、湮滅，允許材料儲存更高密度的位錯和其他缺陷，使材料具有更高強度。文獻中已經報導，通過低溫軋制或擠出，能夠製備出高強度材料(文獻3 Gindin等，Fiz.Metall.I.Metallovedinie，1975；40403)。
本發明通過高速變形技術，在低溫對金屬及合金進行塑性變形處理，通過增加材料的位錯和孿晶密度大幅度提高材料的強度。

發明內容
本發明的目的是提供一種動態塑性變形方法，用來提高金屬及合金的強度。
本發明提供的一種提高金屬及合金強度的塑性變形方法，變形速率高、能夠大應變量變形、適合在低溫下變形、提高材料強度明顯高於目前其他的塑性變形技術。
本發明的技術方案是利用動態高速變形技術，進行低溫單方向多次處理，工藝參數變形應變速率101-104s-1；變形應變量總變形量大於1(計算方法=lnH0H>1]]>)，ε為變形量，H0為材料變形前厚度，H為材料變形後的厚度；變形溫度30℃至-200℃；所述總變形量在1-3，每次的變形量在0.1-0.6。
本發明方法適用的金屬為體心、面心和密排六方等不同結構的純金屬和合金。例如所述金屬可以為鐵、銅、鈦等體心、面心和密排六方結構金屬；所述合金可以為不鏽鋼、銅合金、鈦合金、低碳鋼等不同結構合金。
本發明具有如下優點1.製備方法簡單。本發明利用高速變形技術，製備方法簡單，易於控制好變形工藝參數和變形溫度。對目前傳統的變形技術進行必要的改進，優化工藝參數和變形溫度，即可製備出高強度金屬及合金。
2.適用性強。不改變材料的化學成分，只通過調整材料的微觀結構來強化金屬及合金。


圖1利用本發明技術處理得到的高強度納米孿晶純銅的微觀結構透射電子顯微鏡照片。
圖2利用本發明技術處理得到的高強度納米孿晶純銅和普通退火純銅的室溫拉伸曲線。
圖3利用本發明技術處理得到的高強度納米孿晶銅鋁合金的微觀結構透射電子顯微鏡照片。
圖4利用本發明技術處理得到的高強度納米孿晶銅鋁合金的室溫拉伸曲線。
具體實施例方式
下面通過實施例詳述本發明。
實施例1利用高速變形技術製備高強度、高導電率塊體高密度納米孿晶純銅材料；設備氣動式高速變形設備；變形應變速率1×102s-1；變形應變量變形量2.3(5次變形，前四次變形每次變形量0.5，第5次0.3)；變形溫度-196℃；純銅材料純度99.95％，經700℃退火3小時，晶粒尺寸150-200微米。
製備出塊體高密度納米尺寸孿晶純銅材料，如圖1，其微觀結構主要特徵是束狀高密度納米機械孿晶，平均孿晶層片厚度為30-50納米，長度200-800納米，孿晶密度大約3×107m2/m3。基體與孿晶內部皆有高密度位錯存在，位錯密度為2×1015。使用應變速率6×10-3s-1進行室溫拉伸實驗，結果如圖2，屈服強度768MPa(應變量0.2％)，斷裂強度890MPa。
實施例2利用高速變形技術製備高強度純鐵材料；設備氣動式高速變形設備；變形應變速率1×103s-1；變形應變量變形量2(4次變形，每次變形量0.5)；變形溫度-196℃；純鐵金屬材料純度99.95％，經950℃退火2小時，晶粒尺寸100-150微米。
利用本發明變形技術製備的塊體純鐵材料，使用應變速率6×10-3s-1進行室溫拉伸實驗，屈服強度680MPa(應變量0.2％)，斷裂強度730MPa。
實施例3利用本發明變形技術製備高強度納米孿晶銅鋁合金；設備氣動式高速變形設備；變形應變速率1×103s-1；變形應變量變形量2(5次變形，變形每次變形量0.4)；
變形溫度-196℃；銅鋁合金鋁含量4.5wt％，經700℃退火3小時，晶粒尺寸150-200微米。
利用本發明變形技術製備的高強度銅鋁合金微觀結構如圖3，其微觀結構主要特徵是束狀高密度納米機械孿晶，平均孿晶層片厚度為15-50納米，長度100-600納米，孿晶密度大約3.5×107m2/m3。使用應變速率6×10-3s-1進行室溫拉伸實驗，屈服強度830MPa(應變量0.2％)，斷裂強度920MPa，如圖4。
實施例4利用本發明變形技術製備高強度納米孿晶塊體不鏽鋼材料；設備氣動式高速變形設備；變形應變速率1×102s-1；變形應變量變形量1(5次變形，每次變形量0.2)；變形溫度20℃；不鏽鋼材料工業用316不鏽鋼。
利用本發明變形技術製備的納米孿晶塊體316不鏽鋼材料，其微觀結構主要特徵是束狀高密度納米機械孿晶，平均孿晶層片厚度為20-60納米，長度100-500納米，孿晶密度大約5×107m2/m3。基體與孿晶內部皆有高密度位錯存在，位錯密度為1×1015。使用應變速率6×10-3s-1進行室溫拉伸實驗，屈服強度1300MPa(應變量0.2％)，斷裂強度1420MPa。
實施例5利用本發明變形技術製備高強度納米孿晶黃銅；設備氣動式高速變形設備；變形應變速率10s-1；變形應變量變形量1.8(6次變形，每次變形量0.3)；變形溫度20℃；黃銅(30wt.％Zn)經800℃退火2小時，晶粒尺寸100-200微米。
利用本發明變形技術製備的納米孿晶塊體黃銅材料，其微觀結構主要特徵是束狀高密度納米機械孿晶，平均孿晶層片厚度為20-60納米，長度100-700納米，孿晶密度大約3×107m2/m3。基體與孿晶內部皆有高密度位錯存在，位錯密度為1×1015。使用應變速率6×10-3s-1進行室溫拉伸實驗，屈服強度860MPa(應變量0.2％)，斷裂強度960MPa。
比較例1普通退火態粗晶體純銅(晶粒尺寸約為100μm)在室溫下拉伸，屈服強度≤35MPa。冷軋後的普通粗晶體純銅的屈服強度提高到250MPa。採用本發明方法，室溫拉伸屈服強度達到普通退火純銅材料的10倍以上。
比較例2俄羅斯科學家R.Z.Valiev(Valiev，R.E.，Mater.Sci.Eng.A，.(材料科學工程)234-236；59(1997))利用嚴重塑性變形法獲得了亞微米級的純銅材料，平均晶粒尺寸為210nm，在室溫下拉伸屈服強度為450MPa。本發明的方法與該方法根本區別在於本方法採用了高應變速率變形技術。
權利要求
1.一種提高金屬及合金強度的方法，其特徵在於利用動態高速變形技術，進行低溫單方向多次處理，工藝參數變形應變速率101-104s-1；變形應變量總變形量大於1，計算方法=lnH0H>1,]]>ε為變形量，H0為材料變形前厚度，H為材料變形後的厚度；變形溫度30℃至-200℃。
2.按照權利要求1所述的提高金屬及合金強度的方法，其特徵在於所述總變形量在1-3，每次的變形量在0.1-0.6。
3.按照權利要求1所述的提高金屬及合金強度的方法，其特徵在於本發明方法適用的金屬為體心、面心和密排六方等不同結構的純金屬和合金。
全文摘要
本發明涉及提高金屬及合金強度的技術，特別提供了在不改變金屬及合金化學成分的前提下，通過一種動態塑性變形技術來提高金屬及合金強度的方法。利用動態高速變形技術，進行低溫單方向多次處理，變形應變速率10
文檔編號C21D8/00GK1955323SQ20051004755
公開日2007年5月2日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年10月26日
發明者陶乃鎔, 趙偉松, 洪傳世, 盧柯 申請人:中國科學院金屬研究所