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超細晶金屬材料制備方法論文
【摘要】將普通鋼材晶粒細化來制備超細晶金屬材料，可在保持充分金屬材料原有的成形質(zhì)量的同時，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。在當前資源緊缺、環(huán)境污染日益嚴重的背景下，該技術(shù)的發(fā)展對我國制造業(yè)具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】強旋；熱處理；超細晶；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，還要具備更高的力學(xué)性能。將普通鋼材晶粒細化來制備超細晶金屬材料即可實現(xiàn)上述功能，進而取代較為昂貴的合金材料。在資源緊缺、環(huán)境污染日益嚴重的背景下，該技術(shù)減少了對昂貴金屬的消耗、提升了材料利用率及性能，優(yōu)化了尺寸公差及形位公差，對我國制造業(yè)，尤其是汽車制造業(yè)具有重要意義。
1制備超細晶金屬材料主要方法
劇烈塑性變形是制備超細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、多向鍛造及累計疊軋。其目的為將晶粒尺寸剪切至小于1000nm，從而獲得超細晶金屬材料。高壓扭轉(zhuǎn)制備法是20世紀50年代由OArahao提出，并進行了相關(guān)實驗和理論研究。俄羅斯Valiev在實驗室條件下加工Ni-Ti的平均晶粒尺寸可細化到100nm。我國在實驗室條件加工純鉬、純鈦以及鋁合金的平均晶粒尺寸分別可細化到200nm、120nm及100nm。等徑角擠壓制備法是20世紀80年代由Segal提出。日本Aoli在實驗室條件下加工Al、Mg、Cu、Ti等有色金屬平均晶粒尺寸可細化到200-300nm。我國在實驗室條件下加工鋁合金平均晶粒尺寸可細化到300-600nm。多向鍛造制備法是20世紀90年代由Salishchev提出。Sal-ishchev在實驗室條件下加工TiAl及Ti-6Al-3.2Mo平均晶粒尺寸分別可細化到100nm和60nm。累計疊軋制備法是1999年由Saito提出。Chen等人在實驗室條件下加工Al及Mg平均晶粒尺寸分別可細化到875nm和656nm。Yu等人在實驗室條件下加工Al平均晶粒尺寸可細化到380nm。強力旋壓法制備超細晶是目前發(fā)展較快的超細晶制備方法。現(xiàn)代的加工方法將旋壓加工開始與熱處理相結(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輪強力旋壓與再結(jié)晶退火相結(jié)合的方法來制備具有納米超細晶結(jié)構(gòu)的筒形件[1-8]。其研究的技術(shù)路線如圖2所示。采用強力旋壓及熱處理相結(jié)合的方法制備筒形超細晶金屬材料，通過仿真模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法來實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，從而揭示制備筒形超細晶金屬材料的變形機理。探索超細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，對實現(xiàn)超細晶金屬材料的低成本、高效、高精度生產(chǎn)，以及促進超細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。常見旋壓制品如圖4所示。
2超細晶金屬制備研究中所需解決的關(guān)鍵問題
（1）強力旋壓法制備超細晶金屬仿真模擬研究利用有限元軟件對旋壓過程進行數(shù)值模擬，通過仿真模型確定旋壓工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響趨勢，了解旋壓制品的應(yīng)力應(yīng)變情況，從而探索出超細晶的晶粒細化機理。
（2）強力旋壓法制備超細晶金屬成形試驗研究通過淬火、強力旋壓、再結(jié)晶退火、再強力旋壓的方法，在小應(yīng)變條件下制備超細晶金屬。以仿真為依據(jù)合理設(shè)置旋壓道次、旋輪進給比等旋壓工藝參數(shù)，通過旋壓試驗總結(jié)典型缺陷，優(yōu)化旋壓工藝參數(shù)。
（3）強力旋壓法制備超細晶金屬微觀組織演變規(guī)律研究研究超細晶金屬制備過程中晶粒尺寸、形態(tài)等演變特征，揭示微觀組織演變規(guī)律，從而明確超細晶金屬的生成條件。
（4）超細晶金屬塑性變形機理及力學(xué)性能研究通過對金相組織、微觀組織表征數(shù)據(jù)分析，利用力學(xué)性能試驗，研究超細晶金屬的屈服強度、抗拉強度、延伸率及硬度，并結(jié)合微觀組織特征，對耐腐蝕性進行分析。
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)電機組、大型艦船、海洋設(shè)施、高強工程機械、高速鐵路等多領(lǐng)域中，對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民經(jīng)濟總產(chǎn)值的3%。因此超細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、傳動軸、消音器、減震器、輪轂等部件均可使用超細晶金屬材料來改善其性能。我國20XX年乘用車銷量超過2400萬輛，超細晶金屬材料的應(yīng)用前景巨大。
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