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超細(xì)晶金屬材料制備方法論文
【摘要】將普通鋼材晶粒細(xì)化來(lái)制備超細(xì)晶金屬材料，可在保持充分金屬材料原有的成形質(zhì)量的同時(shí)，使普通鋼材獲得良好的綜合性能，從而代替昂貴的合金材料。在當(dāng)前資源緊缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下，該技術(shù)的發(fā)展對(duì)我國(guó)制造業(yè)具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】強(qiáng)旋；熱處理；超細(xì)晶；金屬材料
隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)的飛速發(fā)展，要求金屬材料在保持原有成像質(zhì)量的同時(shí)，還要具備更高的力學(xué)性能。將普通鋼材晶粒細(xì)化來(lái)制備超細(xì)晶金屬材料即可實(shí)現(xiàn)上述功能，進(jìn)而取代較為昂貴的合金材料。在資源緊缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下，該技術(shù)減少了對(duì)昂貴金屬的消耗、提升了材料利用率及性能，優(yōu)化了尺寸公差及形位公差，對(duì)我國(guó)制造業(yè)，尤其是汽車制造業(yè)具有重要意義。
1制備超細(xì)晶金屬材料主要方法
劇烈塑性變形是制備超細(xì)晶金屬材料的主要方法，其主要包括高壓扭轉(zhuǎn)、等徑角擠壓、多向鍛造及累計(jì)疊軋。其目的為將晶粒尺寸剪切至小于1000nm，從而獲得超細(xì)晶金屬材料。高壓扭轉(zhuǎn)制備法是20世紀(jì)50年代由OArahao提出，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和理論研究。俄羅斯Valiev在實(shí)驗(yàn)室條件下加工Ni-Ti的平均晶粒尺寸可細(xì)化到100nm。我國(guó)在實(shí)驗(yàn)室條件加工純鉬、純鈦以及鋁合金的平均晶粒尺寸分別可細(xì)化到200nm、120nm及100nm。等徑角擠壓制備法是20世紀(jì)80年代由Segal提出。日本Aoli在實(shí)驗(yàn)室條件下加工Al、Mg、Cu、Ti等有色金屬平均晶粒尺寸可細(xì)化到200-300nm。我國(guó)在實(shí)驗(yàn)室條件下加工鋁合金平均晶粒尺寸可細(xì)化到300-600nm。多向鍛造制備法是20世紀(jì)90年代由Salishchev提出。Sal-ishchev在實(shí)驗(yàn)室條件下加工TiAl及Ti-6Al-3.2Mo平均晶粒尺寸分別可細(xì)化到100nm和60nm。累計(jì)疊軋制備法是1999年由Saito提出。Chen等人在實(shí)驗(yàn)室條件下加工Al及Mg平均晶粒尺寸分別可細(xì)化到875nm和656nm。Yu等人在實(shí)驗(yàn)室條件下加工Al平均晶粒尺寸可細(xì)化到380nm。強(qiáng)力旋壓法制備超細(xì)晶是目前發(fā)展較快的超細(xì)晶制備方法�，F(xiàn)代的加工方法將旋壓加工開(kāi)始與熱處理相結(jié)合形成復(fù)合成形工藝，其加工方法如圖1所示。2013年華南理工大學(xué)夏琴香等提出采用對(duì)輪強(qiáng)力旋壓與再結(jié)晶退火相結(jié)合的方法來(lái)制備具有納米超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的筒形件[1-8]。其研究的技術(shù)路線如圖2所示。采用強(qiáng)力旋壓及熱處理相結(jié)合的方法制備筒形超細(xì)晶金屬材料，通過(guò)仿真模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，從而揭示制備筒形超細(xì)晶金屬材料的變形機(jī)理。探索超細(xì)晶金屬材料生成條件，以及其微觀組織與力學(xué)性能及耐腐蝕性能之間的關(guān)系，對(duì)實(shí)現(xiàn)超細(xì)晶金屬材料的低成本、高效、高精度生產(chǎn)，以及促進(jìn)超細(xì)晶金屬材料制備技術(shù)發(fā)展和完善具有重大科學(xué)意義。其具體工藝路線如圖3所示。常見(jiàn)旋壓制品如圖4所示。
2超細(xì)晶金屬制備研究中所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題
�。�1）強(qiáng)力旋壓法制備超細(xì)晶金屬仿真模擬研究利用有限元軟件對(duì)旋壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)仿真模型確定旋壓工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響趨勢(shì)，了解旋壓制品的應(yīng)力應(yīng)變情況，從而探索出超細(xì)晶的晶粒細(xì)化機(jī)理。
�。�2）強(qiáng)力旋壓法制備超細(xì)晶金屬成形試驗(yàn)研究通過(guò)淬火、強(qiáng)力旋壓、再結(jié)晶退火、再?gòu)?qiáng)力旋壓的方法，在小應(yīng)變條件下制備超細(xì)晶金屬。以仿真為依據(jù)合理設(shè)置旋壓道次、旋輪進(jìn)給比等旋壓工藝參數(shù)，通過(guò)旋壓試驗(yàn)總結(jié)典型缺陷，優(yōu)化旋壓工藝參數(shù)。
�。�3）強(qiáng)力旋壓法制備超細(xì)晶金屬微觀組織演變規(guī)律研究研究超細(xì)晶金屬制備過(guò)程中晶粒尺寸、形態(tài)等演變特征，揭示微觀組織演變規(guī)律，從而明確超細(xì)晶金屬的生成條件。
�。�4）超細(xì)晶金屬塑性變形機(jī)理及力學(xué)性能研究通過(guò)對(duì)金相組織、微觀組織表征數(shù)據(jù)分析，利用力學(xué)性能試驗(yàn)，研究超細(xì)晶金屬的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率及硬度，并結(jié)合微觀組織特征，對(duì)耐腐蝕性進(jìn)行分析。
3總結(jié)
在汽車制造、建筑的超高層化、大跨度橋梁、超臨界發(fā)電機(jī)組、大型艦船、海洋設(shè)施、高強(qiáng)工程機(jī)械、高速鐵路等多領(lǐng)域中，對(duì)金屬材料要求均較高，數(shù)據(jù)顯示每年由于金屬失效造成的損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的3%。因此超細(xì)晶金屬材料存在巨大需求。在汽車制造業(yè)中，皮帶輪、排氣管、CVJ罩、離合器、催化轉(zhuǎn)化器、傳動(dòng)軸、消音器、減震器、輪轂等部件均可使用超細(xì)晶金屬材料來(lái)改善其性能。我國(guó)20XX年乘用車銷量超過(guò)2400萬(wàn)輛，超細(xì)晶金屬材料的應(yīng)用前景巨大。
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