在匀质材料构件的不同部位构筑不同粗细晶粒组织的方法与流程

本发明属于金属材料技术领域，尤其是一种用于制备复合力学性能构件的方法，该方法特别涉及在一种匀质材料构件的不同部位构筑不同粗细晶粒组织的方法，尤其是在构件的薄弱位置（尺寸较小、应力应变集中等位置）构筑屈服强度高、抗拉强度高的细晶组织，以及在构件非薄弱位置构筑屈服强度适中、抗拉强度适中的粗晶组织的方法。

背景技术：

现有技术中的金属结构件在工程中有着广泛的应用，例如交通、航空航天、能源、建筑等诸多领域。此类金属结构件的安全问题一直是材料设计与加工领域所关注的重点。

一般而言，实际应用的金属结构件并非是等径的圆棒或等厚的平板结构。为满足装配或使用要求，金属结构件必然会存在尺寸较小、较薄的区域，而这些区域在外部载荷作用时，容易出现应力集中和应变集中现象，进而导致金属结构件容易在这些区域发生提前破坏，给金属结构件的使用安全带来隐患。

为解决上述问题，通常采用更换材料、改变边界支撑条件或添加附加结构的方法增加金属结构件的抗拉强度和抗弯强度。但上述手段存有一定问题：①使用高性能材料有可能会增加成本；②改变边界或添加附加结构则会改变布局，给其他结构件的装配和使用带来影响；③在结构件薄弱位置（尺寸较小、应力应变集中等位置）使用高性能材料，在结构件非薄弱位置使用性能适中的材料，一定程度上可以降低材料成本，但是不同材料之间需要焊接、铆接等工艺，无疑增加了工艺难度；而且，不同材料间的界面易存有缺陷如焊缝夹渣等，无疑也会影响金属材料构件的力学性能和安全性能。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种在匀质材料构件的不同部位构筑不同粗细晶粒组织的方法，本发明与传统方法对结构件局部位置进行强化（采用高性能材料、采用附加强化结构等）的手段不同，本发明既不改变结构件的材料、结构和尺寸，又可以使得结构件具备复合力学性能，达到提高结构件整体强度和降低局部应力应变集中的目的，进而发挥材料和结构件的最大功效。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种在匀质材料构件的不同部位构筑不同粗细晶粒组织的方法，其特征在于，包括以下步骤：

①选择满足薄弱位置性能要求的金属材料，所述金属材料满足以下要求：a.金相组织为冷轧态或细晶态；b.受热条件下不发生相变，但会发生再结晶及晶粒长大行为再结晶及晶粒长大行为；c.能够承受热冲击，在≤800K/mm的温度梯度下不会产生热应力裂纹；d.材料经过表面毛化或黑化处理后，材料吸收激光热量的吸收率≥50%，

②对金属材料进行粗加工或半精加工，并针对金属材料不同局部位置留下不同的加工余量，加工余量范围为0～0.1mm，

③使用连续激光器，设置激光光斑尺寸为5～20mm、搭接率为30%～50%、扫描速率为0mm/s～20mm/s、激光功率为0w～1500w，然后对经过步骤②的金属材料进行激光表面热处理，其中，针对金属材料各局部区域的不同尺寸设定不同的激光器参数，a.金属材料构件局部区域的厚度小于1.5mm或者金属材料构件局部区域的直径小于3mm, 设置激光光斑尺寸为5～20mm、搭接率为30%～50%、扫描速率为0mm/s、激光功率为0w，b.金属材料构件局部区域的厚度范围为1.5～3mm或者金属材料构件局部区域的直径范围为3～5mm, 设置激光光斑尺寸为5～20mm、搭接率为30%～50%、扫描速率为10mm/s～20mm/s、激光功率为500w～1000w，c.金属材料构件局部区域的厚度大于3mm或者金属材料构件局部区域的直径大于5mm, 设置激光光斑尺寸为5～20mm、搭接率为30%～50%、扫描速率为5mm/s～10mm/s、激光功率为1000w～1500w，进而获得在不同部分具有不同粗细晶粒组织结构的金属材料。

进一步的，所述步骤①中金相组织为冷轧态或细晶态的金属材料包括金相组织初始组织为冷轧态或细晶态的金属材料、初始组织为粗晶态并经冷轧结合再结晶工艺后获得冷轧组织或者细晶组织的金属材料。

进一步的，所述金属材料不同局部位置包括初始为冷轧或细晶态组织的局部位置，该局部位置留下0mm的加工余量。

进一步的，所述金属材料不同局部位置还包括满足低能量密度激光热处理的局部位置，该局部位置留下0.05～0.07mm加工余量。

进一步的，所述金属材料不同局部位置还包括满足高能量密度激光热处理的局部位置，该局部位置留下0.07～0.1mm加工余量。

采用上述方案，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采用激光表面热处理工艺对金属材料构件所需位置表面进行激光热处理，仅对金属材料构件不同位置的显微组织进行调整，不会引起材料成分变化，即金属材料构件整体为同质材料；

（2）不同位置不同显微组织之间无界面层，可避免焊接工艺产生的焊缝夹渣、气孔等缺陷，有利于发挥金属材料构件力学性能；

（3）本发明含有两步机加工，第一步粗加工或半精加工后留有一定加工余量，即使因金属材料构件尺寸较大、激光加工能量密度高，导致金属材料构件表面有轻微重熔痕迹，也可在第二步精加工中去除。故本发明可有效保障金属材料构件尺寸精度及表面质量；

（4）激光束由光纤进行传导，故采用本发明，不受金属材料构件外形及尺寸限制，可加工棒状、板材以及形状复杂金属材料构件；

（5）基体材料选择范围广，满足以下特征：1）可以冷轧结合再结晶手段，获取金相组织为冷轧态或细晶态；2）受热条件下不发生相变，但会发生再结晶及晶粒长大行为再结晶及晶粒长大行为；3）能够承受热冲击，即在≤800K/mm的温度梯度下不会产生热应力裂纹；4）材料经过表面处理后（表面毛化或黑化等）可有效吸收激光热量，吸收率≥50%以上的金属材料均可，例如纯铜、纯铁、TWIP钢等。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明具体实施例构件设计尺寸结构示意图；

附图2为本发明具体实施例构件A位置金相组织（200倍）结构示意图；

附图3为本发明具体实施例构件B位置金相组织（200倍）结构示意图；

附图4为本发明具体实施例构件C位置金相组织（200倍）结构示意图；

附图5为本发明具体实施例构件D位置金相组织（200倍）结构示意图；

附图6为本发明具体实施例构件E位置金相组织（200倍）结构示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施例如图1-6所示是采用在TWIP钢构件不同部位构筑不同粗细晶粒组织的方法器件所用材料为，该构件尺寸如图1所示。①选择具有薄弱位置（图1中A、E位置）、组织为冷轧态的TWIP钢，

②将器件进行根据设计尺寸要求，进行第一步加工。加工余量分别为：

A、E位置直接精车至φ3±0.01mm，为器件设计要求，并在两端加工出M3螺纹；

B、D位置半精车至φ4﹢0.05mm，即在设计尺寸上留0.05mm加工余量；

C位置粗车至φ5﹢0.1mm，即在设计尺寸上留0.1mm加工余量；

③利用丙酮或者酒精对加工后的构件进行清洗去除表面油污。因为TWIP钢表面已经可以有效吸收半导体激光光源的能量，故无需做表面黑化处理。

④利用半导体激光器及相关装配夹具对器件进行激光表面热处理，处理工艺如下：

A、E位置保留冷轧态组织，无需处理，其金相组织分别如图2、图6所示；

B、D位置以激光功率1000w、激光扫描速率10mm/s、激光光斑尺寸为5mm、搭接率为30%进行扫描，处理后金相组织分别如图3、图5所示；

C位置以激光工率1500w、激光扫描速率5mm/s、激光光斑尺寸为5mm、搭接率为50%进行扫描，处理后金相组织如图4所示；

⑤将经过激光表面热处理后的器件精加工至设计尺寸；

⑥将加工完的器件利用酒精清洗并吹干后，涂抹黄油后保存。

表1 不同组织器件的力学性能对比

经过力学分析，见表1，本发明所制备的具备复合组织的TWIP钢构件，不同位置表现出不同的力学性能特点，综合力学性能远优于单一组织的构件。

上述实施例以TWIP钢为例，只为说明本发明的技术构思及特点，本发明不局限于上述具体实施方式，所涉及的金属材料满足以下特征即可：1）可以冷轧结合再结晶手段，获取金相组织为冷轧态或细晶态；2）受热条件下不发生相变，但会发生再结晶及晶粒长大行为再结晶及晶粒长大行为；3）能够承受热冲击，即在≤800K/mm的温度梯度下不会产生热应力裂纹；4）材料经过表面处理后（表面毛化或黑化等）可有效吸收激光热量，吸收率≥50%以上。

此外，具体的激光热处理工艺根据器件尺寸、器件材料力学性能与显微组织间的关系、激光热处理工艺与显微组织间的关系而定。同时显而易见的是，激光功率、激光扫描速度、激光光斑尺寸等参数在一定范围之间通过互相配合可以达到调整激光能量密度的效果。本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。