一种梯度化超细晶粒金属的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种梯度化超细晶粒金属的制作方法，通过液氮冷却并逐步轧制得到了晶粒尺寸从表面到心部成弱梯度分布的超细晶粒金属，然后进行表面机械研磨处理，晶粒大小由金属表面向内部梯度进一步增加，最终获得强梯度分布的超细晶粒金属，使得金属具有高强度、高韧性、耐腐蚀和优良的加工硬化性能，该制作方法生产品质稳定，同时成本也较低。
【专利说明】一种梯度化超细晶粒金属的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料加工方法，尤其涉及一种梯度化超细晶粒金属的制作方法。
【背景技术】
[0002]高强度、高韧性的轻质结构材料在航空航天、建筑、交通运输以及武器装备等领域具有广泛的用途和巨大需求。超细晶粒材料(晶粒尺寸小于300纳米)因独特的微观结构使其具有许多优异的性能，如高强度、高硬度和高耐腐蚀性能，是最近国内外研究的热点材料之一。但是超细晶粒材料的弹性、韧性过低，大部分超细晶粒材料都不具有加工硬化性能，因此限制了这类材料在工业上的大规模应用。导致超细晶粒材料韧性过低的原因是此类材料在变形过程中对剪切带高度敏感，使材料的弹性在变形过程中不稳定。而类似鱼鳞的超细晶粒材料具有多层次、不同硬度的结构而使得弹性和韧性大为提高，因而如何能大规模生产梯度化超细晶粒材料便成为急待解决的问题。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是如何提供一种生产梯度化超细晶粒材料的方法。
[0004]为解决上述技术问题，本发明提供了一种梯度化超细晶粒金属的制作方法，包括下列步骤:
A、将金属板浸入液氮中冷却至-170°0--90° C，所述金属板为钛、镁、铝中的一种；
B、轧制金属板，每次压缩量为金属板初始厚度的59TlO%，并将轧制后的金属板冷却至-170° C~-90° C；
C、重复B步骤，直至金属板的厚度被压缩至初始厚度的12%~20%；
D、完成C步骤后，将所述金属板在真空中用硬钢球在表面机械研磨机上研磨5~15min，并自然冷却；
E、重复D步骤5~10次。
[0005]优选的，上述梯度化超细晶粒金属的制作方法包括下列步骤:
A、将二级商业纯Ti板浸入液氮中冷却至-170°(T-90° C；
B、轧制Ti板，每次压缩量为Ti板初始厚度的59TlO%，并将轧制后的Ti板冷却至-170° C~-90° C；
C、重复B步骤，直至Ti板的厚度被压缩至初始厚度的12%~20%；
D、完成C步骤后，将所述Ti板在真空中用硬钢球研磨5~15min，并自然冷却；
E、重复D步骤5~10次。
[0006]进一步优选的，上述梯度化超细晶粒金属的制作方法包括下列步骤:
A、将36mm的二级商业纯Ti板浸入液氮中冷却至-170°0-_90° C ；
B、轧制Ti板，每次压缩量为2mm，并将轧制后的Ti板冷却至-170°0-_90° C；
C、重复B步骤，直至Ti板的厚度为5mm;
D、完成C步骤后，将所述Ti板在真空中用硬钢球在表面机械研磨机上研磨5~15min，并自然冷却；
E、重复D步骤5~10次。
[0007]优选的，步骤D为:完成C步骤后，将所述Ti板用8mm直径的硬钢球在表面机械研磨机上研磨，振动频率50Hz,研磨IOmin,并自然冷却15min ；
步骤E为:重复D步骤6次。
[0008]优选的，步骤D包括Dl和D2 ;
D1、完成C步骤后，将所述Ti板切成矩形状，并研磨其四个侧边；
D2、将所述Ti板在真空中用硬钢球研磨，并自然冷却。
[0009]采用该制作方法生产的金属能形成多层厚度在几十微米左右的晶体层，这些晶体层的晶粒大小由外向内梯度增加，使得金属具有高强度、高韧性、耐腐蚀和优良的加工硬化性能，该制作方法生产品质稳定，同时成本也较低。
[0010]【专利附图】
【附图说明】
图1是采用该制作方法生产的Ti板的微观横截面图。
[0011]图2是采用该制作方法生产的Ti板的A/NC层的微观结构图。
[0012]图3是采用该制作方法生产的Ti板的NG层的微观结构图。
[0013]图4是采用该制作方法生产的Ti板的UFG层的微观结构图。
[0014]图5是采用该制作方法生产的Ti板弹性模量和硬度随深度变化的曲线图。
[0015]图6是采用该制作方法生产的Ti板压缩试验的应力应变曲线图。
[0016]图7是采用该制作方法生产的Ti板压缩试验的加工硬化系数曲线图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0018]实施例1
现公开一种梯度化超细晶粒金属钛的制作方法，包括下列步骤:
A、将36mm的二级商业纯Ti板浸入液氮中冷却至-170°0-_90° C，将金属板低温冷却至该温度的目的是减小后续轧制过程中材料温度升高，防止热量使细化的晶粒再结晶长大；
B、轧制Ti板，每次压缩量为2mm，并将轧制后的Ti板冷却至-170°0-_90° C，逐步轧制可以使应力沿材料表层至内部梯度分布，轧制后继续冷却可以使表层金属晶粒保持纳米化的状态；
C、重复B步骤，直至Ti板的厚度为5mm，弱梯度超精细加工阶段完成，此时Ti板的晶粒尺寸从表面到内部呈梯度变小，范围为5(T250nm ；
D、完成C步骤后，进行强梯度超精细加工阶段，将Ti板切成矩形状，并研磨其四个侧边，该步骤目的是使金属板四个侧边的表层具有强化的梯度晶粒分布；
将所述Ti板上下表面用8mm直径的硬钢球在真空中研磨,振动频率50Hz,研磨IOmin,并自然冷却15min，该步骤目的是使金属板上下表层具有强化的梯度晶粒分布；
E、重复D步骤5~10次，强梯度超精细加工阶段完成，Ti板从表面至内部依次形成非晶/纳米晶(A/NC)层、纳米晶层(NG)和超细晶粒层(UFG)，如图1至图5所示，A/NC层晶粒尺寸为30nm左右，厚度小于40微米；NG层晶粒尺寸为40nm左右，厚度小于60微米；UFG层晶粒尺寸为5(T250nm之间。图6为该制作方法生产的Ti板压缩试验的应力应变曲线，图7为加工硬化系数曲线，显示出该梯度化超细晶粒Ti具有高强度、优良加工硬化性能的优点。
[0019]实施例2
A、将30mm的二级商业纯Mg板浸入液氮中冷却至-170°0-_90° C，将金属板低温冷却至该温度的目的是减小后续轧制过程中材料温度升高，防止热量使细化的晶粒再结晶长大；
B、轧制Mg板，每次压缩量为2mm，并将轧制后的Mg板冷却至-170°0-_90° C，逐步轧制可以使应力沿材料表层至内部梯度分布，轧制后继续冷却可以使表层金属晶粒保持纳米化的状态；
C、重复B步骤，直至Mg板的厚度为4mm，弱梯度超精细加工阶段完成，此时Mg板的晶粒尺寸从表面到内部呈梯度变小，范围为5(T250nm ；
D、完成C步骤后，进行强梯度超精细加工阶段，将Mg板切成矩形状，并研磨其四个侧边，该步骤目的是使金属板四个侧边的表层具有强化的梯度晶粒分布；
将所述Mg板上下表面用8mm直径的硬钢球在真空中研磨,振动频率50Hz,研磨IOmin,并自然冷却15min，该步骤目的是使金属板上下表层具有强化的梯度晶粒分布；
E、重复D步骤5~10次，强梯度超精细加工阶段完成。
[0020]实施例3
A、将40mm的二级商业纯Al板浸入液氮中冷却至-170°0-_90° C,将金属板低温冷却至该温度的目的是减小后续轧制过程中材料温度升高，防止热量使细化的晶粒再结晶长大；
B、轧制Al板，每次压缩量为2mm，并将轧制后的Al板冷却至-170°0-_90° C，逐步轧制可以使应力沿材料表层至内部梯度分布，轧制后继续冷却可以使表层金属晶粒保持纳米化的状态；
C、重复B步骤，直至Al板的厚度为6mm，弱梯度超精细加工阶段完成，此时Al板的晶粒尺寸从表面到内部呈梯度变小，范围为5(T250nm ；
D、完成C步骤后，进行强梯度超精细加工阶段，将Al板切成矩形状，并研磨其四个侧边，该步骤目的是使金属板四个侧边的表层具有强化的梯度晶粒分布；
将所述Al板上下表面用8mm直径的硬钢球在真空中研磨,振动频率50Hz,研磨IOmin,并自然冷却15min，该步骤目的是使金属板上下表层具有强化的梯度晶粒分布；
E、重复D步骤5~10次，强梯度超精细加工阶段完成。
[0021]该制作方法通过液氮冷却并逐步轧制得到了晶粒尺寸从表面到心部成弱梯度分布的超细晶粒金属，然后进行表面机械研磨处理，晶粒大小由金属表面向内部梯度进一步增加，最终获得强梯度分布的超细晶粒金属，使得金属具有高强度、高韧性、耐腐蚀和优良的加工硬化性能，该制作方法生产品质稳定，同时成本也较低。
[0022]以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【权利要求】
1.一种梯度化超细晶粒金属的制作方法，其特征在于，包括下列步骤: A、将金属板浸入液氮中冷却至-170°0--90° C，所述金属板为钛、镁、铝中的一种； B、轧制金属板，每次压缩量为金属板初始厚度的59TlO%，并将轧制后的金属板冷却至-170° C~-90° C； C、重复B步骤，直至金属板的厚度被压缩至初始厚度的12%~20%； D、完成C步骤后，将所述金属板在真空中用硬钢球在表面机械研磨机上研磨5~15min，并自然冷却； E、重复D步骤5~10次。
2.如权利要求1所述的梯度化超细晶粒金属的制作方法，其特征在于，包括下列步骤: A、将二级商业纯Ti板浸入液氮中冷却至-170°(T-90° C； B、轧制Ti板，每次压缩量为Ti板初始厚度的59TlO%，并将轧制后的Ti板冷却至-170° C~-90° C； C、重复B步骤，直至Ti板的厚度被压缩至初始厚度的12%~20%； D、完成C步骤后，将所述Ti板在真空中用硬钢球在表面机械研磨机上研磨5~15min，并自然冷却； E、重复D步骤5~10次。
3.如权利要求2所述的梯度化超细晶粒金属的制作方法，其特征在于，包括下列步骤: A、将36mm的二级商业纯Ti板浸入液氮中冷却至-170°0-_90° C ； B、轧制Ti板，每次压缩量为2mm，并将轧制后的Ti板冷却至-170°0-_90° C； C、重复B步骤，直至Ti板的厚度为5mm; D、完成C步骤后，将所述Ti板在真空中用硬钢球在表面机械研磨机上研磨5~15min，并自然冷却； E、重复D步骤5~10次。
4.如权利要求2所述的梯度化超细晶粒金属的制作方法，其特征在于，步骤D为:完成C步骤后，将所述Ti板用8mm直径的硬钢球在表面机械研磨机上研磨,振动频率50Hz,研磨IOmin,并自然冷却15min ； 步骤E为:重复D步骤6次。
5.如权利要求2所述的梯度化超细晶粒金属的制作方法，其特征在于，步骤D包括Dl和D2 ； D1、完成C步骤后，将所述Ti板切成矩形状，并研磨其四个侧边； D2、将所述Ti板在真空中用硬钢球研磨，并自然冷却。
【文档编号】C21D8/02GK103911500SQ201410116873
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】周正存, 杨登科, 杜洁, 严勇健, 杨洪, 顾苏怡 申请人:苏州市职业大学