CN109647882A - 一种高强高塑的纳米叠层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料加工技术领域,公开了一种高强高塑的纳米叠层材料及其制备方法,包括:原始材料,选取方铜料;采用4道次BC方式ECAP处理原始方铜料,得到超细晶铜料,对其进行多次轧制,采用较小的变形量,每个道次轧制完成后将样品放入水中冷却;取原始铜料,将轧制后的样品截断,对原始样品轧制的铜片退火处理,保温;两种铜片表面打磨光亮,确保其平整无杂质;取适量铜片按照ABABA,或BABAB,ABAB等周期性排列,对其进行预压处理;轧制组合好的铜片,点焊焊合的样品,以焊接的一端为咬入端。本发明所成形的材料体积限制较少,控制简单,采用传统工艺降低成本,有利于微纳米材料的工业应用。
Description
技术领域
本发明属于材料加工技术领域,尤其涉及一种高强高塑的纳米叠层材料及其制备方法。
背景技术
目前,业内常用的现有技术是这样的:
金属材料的一个发展方向是获得尽可能高的强度。根据Hall-Petch关系σy=σ0+Kd-1/2可知,晶粒越细,材料的屈服强度越高。因此微纳米材料的制备成为当前材料领域的热点。
为了获得微纳米材料,研究人员开发出多种工艺,如电解沉积,粉末烧结,大塑性变形等。其中大塑性变形采用常规的挤压/轧制工艺而具有工业应用前景。目前的大塑性变形包含有等径角变形,高压扭转,累计轧制复合等。对纯铜而言,室温剧烈塑性变形将显著细化晶粒,当真应变达到4时晶粒已细化到亚微米级(200nm),此时强度达到400MPa,进一步塑性变形(如低温挤压/轧制)可持续细化晶粒而提高强度。上述所有工艺获得的纳米材料都具有强度高的特点,开拓了材料的应用范围,但目前为止,微纳米材料还很少应用于工程,一个根本原因在于其低塑性。当晶粒尺寸细化至微纳米范围,晶粒已无法承载更多位错,此时材料缺乏足够的硬化能力,材料在拉伸中出现提早颈缩及塑性失稳,延伸率大幅度下降,一般小于5%。低塑性成为制约材料应用的最大障碍和最主要问题。因此获得高强高塑材料为了当前材料领域的前沿问题。
目前获得高强高塑材料主要由以下工艺:1)采用双峰组织,建立粗晶与微纳米晶复合组织,如快速短时退火/电脉冲使剧烈塑性变形制备的纳米纯铜中少部分晶粒长大到微米级而其余的仍为纳米晶,或粉末法制备的纳米Al-Mg合金中也能得到相似的效果,此时,双峰组织可以在一定程度上提高塑性,但不同晶粒尺寸所占比例难以控制;2)引入纳米孪晶结构,纳米孪晶界面是低能界面,位错可部分沿孪晶界滑移,提升了材料塑性,目前主要用于制备二维纳米材料,材料拉伸试验的均匀延伸率大幅度提高;3)通过阴极沉积法获得的纳米涂层,也能通过对参数的控制得到粗细不同的组织。
综上所述,现有技术存在的问题是:
(1)现有技术不易获得强度和塑性均较高的材料;
(2)现有技术制备的材料体积小,多局限于薄膜,难以获得工业上的大规模应用;
(3)现有技术所成形的材料参数限制较多,不易控制,性能再现性较差;
(4)现有技术并未利用工厂常规的工艺设备,导致工艺成本高。
解决上述技术问题的难度和意义:
获得高的强度,对于拓展金属材料的使用范围,促使构件轻量化,降低材料能耗和对环境污染具有重要的经济和社会价值。
目前工业上均采用细晶化/纳米化获得组织结构相对均匀的块体金属,强度较高,但晶粒的细小限制了位错的运动,降低了塑性,为其工业应用带来了潜在的安全隐患。采用当前工厂的工业装备,加工获得高强高韧的金属材料,可增加金属材料的附加值,推动金属材料的发展。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种高强高塑的纳米叠层材料及其制备方法,
本发明是这样实现的,一种高强高塑的纳米叠层材料及其制备方法包括:
步骤一,原始材料,选取方铜料;
步骤二,采用4道次BC方式ECAP处理原始方铜料,得到超细铜料,对其进行多次轧制,每道次压下量控制在10%以内,每个道次轧制完成后将样品放入水中冷却,样品轧至1mm厚度以下;
步骤三,取原始铜料轧至1mm厚度以下;将轧制后的样品截断;对原始样品轧制后的铜片回火处理,700℃,保温2h;
步骤四,将步骤二得到的超细铜片和步骤三得到的退火后的铜片,两种铜片的表面打磨光亮,确保其平整无杂质;
步骤五,取适量铜片按照ABABA,或BABAB,ABAB......等等进行周期性排列,并对其进行预压处理;
步骤六,利用电焊,将铜片的一端及侧面焊合在一起,或采用铁丝将铜片的头尾两端固定;
步骤七,将铜片放入加热炉中,加热至低于200℃,保温10-20分钟;
步骤八,对组合好的铜片进行轧制,调整好轧辊距离至2mm,使样品顺利轧制到一起,若采用点焊焊合的样品,要以焊接的一端为咬入端。
进一步,步骤二中超细铜料的晶粒尺寸在200nm左右,对超细晶铜料进行多次轧制,采用尽量小的变形量,避免变形量过大产生温升导致晶粒长大;
进一步,步骤三对原始样品轧制后的铜片进行回火处理,700℃,保温2h,避免由于轧制使铜片晶粒尺寸变小,确保得到粗晶铜片;
进一步,步骤五中的两种铜片采用层叠排列,铜片的数量大于等于3,对排列好的铜片采用液压机进行预压,使铜片更好的贴合在一起;
进一步,步骤六中通过点焊或铁丝固定铜片,以避免轧制时滑动错位或分散;
进一步,步骤七中预热为了方便轧制成形,但温度不宜过高,保温时间不宜过长,防止晶粒长大。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述高强高塑的纳米叠层材料的制备方法制备的高强高塑的纳米叠层材料。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述高强高塑的纳米叠层材料的制备方法制备的其他金属高强高塑的纳米叠层材料。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述高强高塑的纳米叠层材料的制备方法制备的汽车制造中应用的高强高塑的纳米叠层材料。
综上所述,本发明的优点及积极效果为:
本发明能够通过制备不同厚度的粗晶片与微纳米晶片,并选择不同晶片比例调控材料强度与塑性,获得强度和塑性均较高的材料。微纳米晶体铜的强度为400MPa,均匀延伸率约为2%,而本发明的纳米叠层材料的强度为370MPa,均匀延伸率约为5%,同时材料表现出较为明显的硬化。
本发明所成形的材料体积限制较少,控制简单,采用传统工艺降低成本,有利于微纳米材料的工业应用。本发明获得高强度与高塑性,且强度塑性可调控的金属材料。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高强高塑的纳米叠层材料及其制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的叠层方式及粗/细晶粒示意图。
图3是本发明实施例提供的叠层材料应力-应变曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理做详细描述。
如图1所示,本发明提供的高强高塑的纳米叠层材料及其制备方法包括:
S101:原始材料,选取方铜料;
S102:采用4道次BC方式ECAP处理原始方铜料,得到超细铜料;对其进行多次轧制,采用尽量小的变形量,每个道次轧制完成后将样品放入水中冷却,样品轧至1mm厚度以下;
S103:取原始铜料轧至1mm厚度以下;将轧制后的样品截断;对原始样品轧制后的铜片回火处理,700℃,保温2h;
S104:两种铜片的表面打磨光亮,确保其平整无杂质;
S105:取适量铜片按照ABABA,或BABAB,ABAB......等等进行周期性排列,并对其进行预压处理;
S106:利用电焊,将铜片的一端及侧面焊合在一起,或采用铁丝将铜片的头尾两端固定;
S107:将铜片放入加热炉中,加热至低于200℃,保温10-20分钟;
S108:对组合好的铜片进行轧制,调整好轧辊距离,使样品顺利轧制到一起,若采用点焊焊合的样品,要以焊接的一端为咬入端。
步骤S102中,采用4道次BC方式ECAP处理原始方铜料,得到超细铜料,对其进行多次轧制,每道次压下量控制在10%以内;
步骤S104中,将步骤二得到的超细铜片和步骤三得到的退火后的铜片,两种铜片的表面打磨光亮,确保其平整无杂质;
步骤S108中,对组合好的铜片进行轧制,调整好轧辊距离至2mm。
步骤S102中超细铜料的晶粒尺寸在200nm左右,对超细晶铜料进行多次轧制,采用尽量小的变形量,避免变形量过大产生温升导致晶粒长大;
步骤S103对原始样品轧制后的铜片进行回火处理,700℃,保温2h,避免由于轧制使铜片晶粒尺寸变小,确保得到粗晶铜片;
步骤S105中的两种铜片采用层叠排列,铜片的数量大于等于3,对排列好的铜片采用液压机进行预压,使铜片更好的贴合在一起;
步骤S106中通过点焊或铁丝固定铜片,以避免轧制时滑动错位或分散;
步骤S107中预热为了方便轧制成形,但温度不宜过高,保温时间不宜过长,防止晶粒长大。
本操作步骤同时适用于其他金属材料。
下面结合实施例对本发明做详细描述:
实施例1:制备高强高塑的纳米叠层铜料,取原始纯铜材料,方铜料尺寸为30mm*30mm*100mm;采用4道次BC方式进行ECAP处理部分原始铜料,获得到晶粒尺寸在200纳米左右的超细晶铜料。对获得的超细晶铜料进行多次轧制,采用尽量小的变形量,避免变形量过大产生温升导致晶粒长大,并且每个道次轧制完成后要将样品放入水中冷却,最终将样品轧至1mm厚度以下。再取原始铜料轧至1mm厚度以下。将轧制后的样品截断成合适长度,对由原始样品轧制后的铜片进行回火处理,700℃,保温2小时,避免由于轧制使铜片晶粒尺寸变小,确保得到粗晶铜片。将两种铜片表面打磨光亮,确保其表面平整无杂质。取适量铜片按照ABABA,进行叠层性排列即粗晶细晶粗晶细晶粗晶的排列方式。对排列好的铜片先用液压机进行预压,使铜片更好的贴合在一起;采用点焊的方式将铜片的一端及侧面焊合在一起。在轧制前将铜片放入加热炉中预热,再对组合好的铜片进行轧制,调整好轧辊距离,采用点焊焊合的样品以焊接一端为咬入端。轧制成功后,即得到粗细晶粒叠层复合的样品薄板。
实施例2:制备高强高塑的纳米叠层铜料,取原始纯铜材料,方铜料尺寸为30mm*30mm*100mm。采用4道次BC方式进行ECAP处理部分原始铜料,获得到晶粒尺寸在200纳米左右的超细晶铜料。对获得的超细晶铜料进行多次轧制,采用尽量小的变形量,避免变形量过大产生温升导致晶粒长大,并且每个道次轧制完成后要将样品放入水中冷却,最终将样品轧至1mm厚度以下。再取原始铜料轧至1mm厚度以下。将轧制后的样品截断成合适长度。对由原始样品轧制后的铜片进行回火处理,700℃,保温2小时,避免由于轧制使铜片晶粒尺寸变小,确保得到粗晶铜片。将两种铜片表面打磨光亮,确保其表面平整无杂质。取适量铜片按照BABAB,进行叠层性排列即细晶粗晶细晶粗晶细晶的排列方式。对排列好的铜片先用液压机进行预压,使铜片更好的贴合在一起;采用在铜片两端均用铁丝捆扎的方式确保铜片在轧制时不产生前后滑动。在轧制前将铜片放入加热炉中预热,再对组合好的铜片进行轧制,调整好轧辊距离,进行轧制,轧制成功后,即得到粗细晶粒叠层复合的样品薄板。
实施例3:制备高强高塑的纳米叠层铜料,取原始纯铜材料,方铜料尺寸为50mm*50mm*200mm。采用4道次BC方式进行ECAP处理部分原始铜料,获得到晶粒尺寸在200纳米左右的超细晶铜料。对获得的超细晶铜料进行多次轧制,采用尽量小的变形量,避免变形量过大产生温升导致晶粒长大,并且每个道次轧制完成后要将样品放入水中冷却,最终将样品厚度轧至5mm以下。再取原始铜料轧至5mm厚度以下。将轧制后的样品切割成合适长度。对由原始样品轧制后的铜片进行回火处理,700℃,保温2小时,避免由于轧制使铜片晶粒尺寸变小,确保得到粗晶铜片。将两种铜片表面打磨光亮,确保其表面平整无杂质。取适量铜片按照BABAB,进行叠层性排列即细晶粗晶细晶粗晶细晶的排列方式。对排列好的铜片先用液压机进行预压,使铜片更好的贴合在一起;由于样品尺寸较大故采用螺栓固定的方式确保铜片在轧制时不产生前后滑动。在轧制前将铜片放入加热炉中预热,再对组合好的铜片进行轧制,调整好轧辊距离,进行轧制,轧制成功后,即得到粗细晶粒叠层复合的样品薄板。
图2是本发明实施例提供的叠层方式及粗/细晶粒示意图。
图3是本发明实施例提供的叠层材料应力-应变曲线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高强高塑的纳米叠层材料的制备方法,其特征在于,所述的高强高塑的纳米叠层材料及其制备方法包括:
步骤一,原始材料,选取方铜料;
步骤二,采用4道次BC方式ECAP处理原始方铜料,得到超细铜料,进行多次轧制;每道次压下量控制在10%以内;每个道次轧制完成后将样品放入水中冷却,样品轧至1mm厚度以下;
步骤三,取原始铜料轧至厚度小于1mm,将轧制后的样品截断;对原始样品轧制后的铜片退火处理,700℃,保温2h;
步骤四,将步骤二得到的超细铜片和步骤三得到的退火后的铜片表面均打磨光亮;
步骤五,取适量铜片按照ABABA,或BABAB,ABAB进行周期性排列,并进行预压处理;
步骤六,利用电焊,将铜片的一端及侧面焊合在一起,或采用铁丝将铜片的头尾两端固定;
步骤七,将铜片放入加热炉中,加热至低于200℃,保温10-20分钟;
步骤八,对组合好的铜片进行轧制。
2.如权利要求1所述的高强高塑的纳米叠层材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤二中超细铜料的晶粒尺寸在200nm,对超细晶铜料进行多次轧制。
3.如权利要求1所述的高强高塑的纳米叠层材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤五中的两种铜片采用层叠排列,铜片的数量大于3,对排列好的铜片采用液压机进行预压。
4.一种利用权利要求1所述高强高塑的纳米叠层材料的制备方法制备的高强高塑的纳米叠层材料。
5.一种利用权利要求1所述高强高塑的纳米叠层材料的制备方法制备的其他金属高强高塑的纳米叠层材料。
6.一种利用权利要求1所述高强高塑的纳米叠层材料的制备方法制备的汽车制造中应用的高强高塑的纳米叠层材料。
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PB01 | Publication | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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