CN112845587B - 一种增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种增量‑累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法。a)选取5块以上相同规格的金属板材，对各块板材进行热处理；b)对热处理后各板材的待结合面进行处理；c)将3块处理后的板材进行叠轧，作为芯部层；d)另以2块处理后的板材分别置于叠轧所得材料的上下表面，将其加工至相同尺寸；e)将叠放在一起的三层板进行轧制，即完成一次增量‑累积叠轧；f)重复步骤d～e，增量‑累积叠轧道次为3～5次，即可得到所需的梯度结构板材。本发明通过增量‑累积叠轧法，调控材料微观组织由表层至芯部细化程度梯度提高，使得材料兼具高强度和较好的韧性。
Description
技术领域
本发明属于金属材料轧制技术领域，涉及金属梯度结构材料的轧制，特别涉及一种增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法。
背景技术
超细晶金属材料在过去几十年间得到了学术界的广泛关注，人们发明了大量的方法去制备和研究这些材料。然而，对于超细晶金属材料，其限制在于材料的强度很高，而塑性非常低。在这种背景下，提高超细晶金属材料的韧性成为科研人员关注的热点问题。
梯度结构材料是超细晶金属材料开发的一个重要分支，已经证实具有梯度结构的金属材料具有优异的强度和良好的韧性。目前制备梯度结构金属材料方法主要有表面机械研磨(SMAT)和表面机械碾磨(SMGT)等，受限于其施加载荷的方式，梯度结构的制备效率较低，加工试样的尺寸限制较大，难以实现工业化生产。轧制作为一种高效的连续加工工艺，在梯度结构材料的制备中有较大的应用潜力。目前以轧制制备梯度结构材料的方式主要是先制备出不同微观组织的板材，以叠轧的方式进行焊合。其在发挥轧制工艺优点的同时，也存在制备工艺繁琐，微观组织的梯度分布不明显等不足。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，可高速率大批量制备梯度结构板材，提高梯度结构材料的生产效率，所得梯度结构板材由表层至芯部，微观组织细化程度逐渐提高，相对于传统冷轧材料，同时具有好的强度以及更优异的塑性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，包括：
a)选5块以上相同规格的金属板材，对各块板材进行热处理；
b)对热处理后各板材的待结合面进行清理；
c)将3块处理后的板材进行叠轧，作为芯部层；
d)另以2块处理后的板材分别置于叠轧所得材料的上下表面，将其加工至相同尺寸；
e)将叠放在一起的三层板进行轧制，即完成一次增量-累积叠轧；
f)重复步骤d～e，得到所需的梯度结构板材。
优选地，所述步骤(a)热处理温度为0.3～0.4Tm，时间为30min～24h。
优选地，所述步骤(c)和步骤(d)叠放的板材四角以铆钉固定，保证其相互紧密接触且无相对移动。
优选地，所述步骤(c)和步骤(e)轧制前将叠放的板材置于保温箱中，设定温度为室温～0.2Tm，保温5～15min。
优选地，所述步骤(c)和步骤(e)轧制压下量为50％～80％。当预设增量-累积叠轧道次较少时，压下量在设定范围内宜选用较大，以获取更好的结合效果；当预设增量-累积叠轧道次较多时，压下量在设定范围内宜选用较小，以使在其保证结合效果的前提下更容易实现多道次轧制。
优选地，所述步骤(f)增量-累积叠轧道次为3～5次。
优选地，所述步骤(f)依所需材料性能，确定增量-累积叠轧道次。所需材料的强度越高，可以通过增加增量-累积叠轧道次来获得，根据增量-累积叠轧的特性，此时材料的韧性基本保持不变。
优选地，所述金属板材为铝合金板材或铜合金板材。
优选地，所述金属板材的厚度为0.5mm～2mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.与现有技术相比，本发明可大大提高梯度结构材料的生产效率，所得梯度结构板材由表层至芯部，微观组织细化程度逐渐提高，其强度随轧制道次的增加而增加，而其韧性保持不变甚至略有提升，表现出良好的强韧性匹配性能。
2.采用增量-累积叠轧的方法制备梯度结构材料，其突出特点在于制备芯部层后，每道次轧制均新添加两层原始材料在其上下表层，显然从芯部至表层的各层，其参与的轧制道次依次递减，芯部参与的轧制道次最多，表层参与的轧制道次最少，由此各层的累积应变量依次减少，微观组织的细化程度也依次减少。
3.本发明工艺适合制备铝合金、铜合金等材料的梯度结构材料，在航空航天、汽车轻量化、桥梁制备等领域具有重要应用前景。
附图说明
图1是本发明制备流程图。
图2是增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的微观组织示意图。
图3是实施例1增量-累积叠轧制备梯度结构铝合金的工程应力-应变曲线。
图4是实施例2增量-累积叠轧制备梯度结构铜合金的工程应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明一种增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，首先以叠轧的方式制备梯度结构板材的硬质芯部层，然后叠加两块同规格的板材在其上下表面，通过复合轧制使其结合，重复此过程3～5次，即可得到所需的梯度结构板材。其主要原理为使芯部至表层的各板应变量梯度分布，使其微观组织细化至不同程度，以此制备表层至芯部微观组织细化程度梯度提高的板材。
参照图1，本发明制备方法的具体步骤如下：
第一步：以铝合金或铜合金为原料板材sample1，原料板材sample1的厚度为0.5mm～2mm，宽度为100mm～1200mm，并将sample1进行热处理，热处理温度为0.3～0.4Tm，时间为30min～24h，Tm为所加工金属材料的熔点；
第二步：分别以钢丝刷和丙酮去除氧化物和污物，对各板待结合表面进行处理；
第三步：取3块原料板材sample1，置于轧机进行轧制，制备芯部层，即可得到sample2，设定压下量为50％～80％；
第四步：另以2块处理后的板材分别置于叠轧所得材料的上下表面，将其加工至相同尺寸，同时叠放的板材四角以铆钉固定，保证其相互紧密接触且无相对移动；
第五步：将叠放在一起的三层板进行轧制，即完成一次增量-累积叠轧，得到具备梯度结构的板材sample3，设定压下量为50％～80％；
第六步：重复第五步若干次，可以调控梯度结构板材的微观结构，得到微观组织细化程度不同、梯度结构分布不同的各类梯度结构板材，即图1中所示的sample4～sample6。以图2为例，图2是经过3次增量-累积叠轧的梯度结构材料微观组织的示意图，从中可以看出，材料微观组织以芯部层对称分布，从表层至芯部，微观组织细化程度不断提高。
以下是两个具体的实施例：
实施例1：7层梯度结构铝合金板材制备
第一步：以铝合金1050板材为原料，原料厚度为0.6mm，宽度为300mm，在退火炉中以250℃退火2h。
第二步：分别以钢丝刷和丙酮去除氧化物和污物，对铝合金板材的待结合表面进行处理。
第三步：取3块铝合金板，在室温条件下以60％的压下量置于轧机进行轧制，制备芯部层。
第四步：另以2块处理后的铝合金分别置于叠轧所得材料的上下表面，将其加工至相同尺寸，同时铆钉固定。
第五步：将叠放在一起的三层板在室温条件下以60％的压下量进行轧制，得到5层梯度结构铝合金板材。
第六步：重复第四步和第五步，在在室温条件下以60％的压下量进行轧制后，得到7层梯度结构铝合金板材。以增量-累积叠轧制备的梯度结构铝合金，随轧制道次的增加，其强度和韧性能协同提高，表现出良好的强韧性匹配性能。
图3是增量-累积叠轧制备梯度结构铝合金的工程应力-应变曲线，从中可以看出，芯部层的极限强度约为159MPa，断裂延伸率约为10.4％。以增量-累积叠轧进行1道次后，极限强度增加至168MPa，断裂延伸率增加至11.7％；以增量-累积叠轧进行2道次后，极限强度增加至172MPa，断裂延伸率增加至12.0％。
实施例2：9层梯度结构铜合金板材制备
第一步：以铜合金TU1板材为原料，原料厚度为1mm，宽度为100mm，在退火炉中以400℃退火24h。
第二步：分别以钢丝刷和丙酮去除氧化物和污物，对TU1板材的待结合表面进行处理。
第三步：取3块TU1板材，轧前200℃退火5min后以80％的压下量置于轧机进行轧制，制备芯部层。
第四步：另以2块处理后的TU1板材分别置于叠轧所得材料的上下表面，将其加工至相同尺寸，同时铆钉固定。
第五步：将叠放在一起的三层板轧前200℃退火5min后以80％的压下量进行轧制，得到5层的梯度结构板材。
第六步：重复第四步和第五步，将叠放在一起的三层板轧前200℃退火5min后以80％的压下量进行轧制，得到7层的梯度结构板材。
第七步：再次重复第四步和第五步，将叠放在一起的三层板轧前200℃退火5min后以80％的压下量进行轧制，得到9层的梯度结构板材。以增量-累积叠轧制备的梯度结构铜合金，随轧制道次的增加，在韧性基本保持不变的情况下，强度持续提升，表现出良好的强韧性匹配性能。
图4是增量-累积叠轧制备梯度结构铜合金的工程应力-应变曲线，从中可以看出，芯部层的极限强度约为361MPa，断裂延伸率约为7.3％。以增量-累积叠轧进行1～3道次后，极限强度分别增加至373MPa、389MPa、409MPa，断裂延伸率一直保持在8.3％～8.8％范围内。
Claims (7)
1.一种增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，其特征在于，包括：
a）选5块以上相同规格的金属板材，对各块金属板材进行热处理，所述金属板材为铝合金板材或铜合金板材；
b）对热处理后各金属板材的待结合面进行清理；
c）将3块处理后的金属板材进行叠轧，作为芯部层；
d）另以2块处理后的金属板材分别置于叠轧所得材料的上下表面，得到叠放在一起的三层板，将叠放在一起的三层板加工至相同尺寸；
e）将叠放在一起的三层板进行轧制，即完成一次增量-累积叠轧；
所述步骤c）和步骤e）轧制前将叠放的金属板材置于保温箱中，设定温度为室温~0.2Tm，保温5~15 min，Tm为所加工金属材料的熔点；
f）重复步骤d~e，得到所需的梯度结构金属板材。
2.根据权利要求1所述增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，其特征在于，所述步骤a）热处理温度为0.3~0.4 Tm，时间为30 min~24 h。
3.根据权利要求1所述增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，其特征在于，所述步骤c）和步骤d）叠放的金属板材四角以铆钉固定，保证其相互紧密接触且无相对移动。
4.根据权利要求1所述增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，其特征在于，所述步骤c）和步骤e）轧制压下量为50%~80%。
5.根据权利要求1所述增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，其特征在于，所述步骤f）增量-累积叠轧道次为3~5次。
6.根据权利要求1所述增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，其特征在于，所述步骤f）依所需材料性能，确定增量-累积叠轧道次。
7.根据权利要求1所述增量-累积叠轧制备梯度结构金属材料的方法，其特征在于，所述金属板材的厚度为0.5 mm~2 mm。
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Granted publication date: 20220215 |