[发明专利]晶粒尺寸可控双峰分布的块体超细/纳米晶合金制备方法

说明书

一技术领域

本发明属于可应用于共析与共晶体系合金的金属材料类领域，特别是一种实现晶粒尺寸双峰分布组织参数控制以改善块体超细晶/纳米晶材料力学性能的方法。

二背景技术

根据著名的霍尔-佩奇关系公式，强度随晶粒尺寸的减小而增大。当晶粒尺寸减小至亚微米乃至纳米尺度时，其强度远高于普通多晶材料。迄今为止得到的块体纳米金属材料虽然强度很高，但其室温塑性都很低。在晶粒尺寸小于30纳米的完全纳米晶材料中，往往呈现出极低的室温拉伸塑性，通常断裂延伸率不足5％，表现出脆性行为[C.C.Koch，Microsample tensile testing nanocrystalline copper.Scripta Materialia49(2003)657-662]；甚至许多纳米晶材料在拉伸变形过程的弹性阶段就已经达到它们的断裂应力；更为重要的是，在工程中极为有用的均匀拉伸变形在几乎所有的纳米结构材料中都接近于零[C.C.Koch，Nanostructured materials；processiing，properties and applications.J Metast Nanocryst Mater2003；18：9]。众多研究表明，块体纳米晶材料加工硬化能力缺失是导致局部应力集中产生塑性失稳，直至引发过早断裂的原因[E.Ma，Instabilitiesand ductility of nanocrystalline and ultrafine-grained metals.Scripta Materialia49(2003)663-668]。

有研究表明在块体纳米晶基体上引入一定比例的微米晶，形成具有晶粒尺寸双峰分布的组织有可能解决低塑性的问题。Y.M.Wang等人在《Nature》(2002：912-914)上发表的“Hightensile ductility in a nanostructured metal”一文中介绍了采用低温轧制+瞬时退火的方法以使块体纳米晶铜部分发生二次再结晶从而出现部分微米晶组织，获得了晶粒尺寸双峰分布的纳米晶铜，其晶粒尺寸分布主要集中在小于300纳米和大于1.5微米两个范围内，中间尺寸的晶粒比例不到0.1％。力学性能测试发现该材料的强度(430MPa)与完全纳米晶铜的强度(480MPa)相比下降不多，但塑性指标大大提高。另外，B.Q.Han等在《Metall.Mater.Trans A.》(2005：p.957)上发表的“Deformationbehavior of bimodal nanostructured5083A1 alloys”介绍了将低温球磨得到的A1-5083合金纳米颗粒与未经球磨的微米颗粒混合烧结成块体并挤压成型，也获得了晶粒尺寸呈双峰分布的纳米晶Al-5083合金，与完全纳米晶状态相比塑性也得到了较大提高。但是，Y.M.Wang等人的部分再结晶方法工艺参数难以控制，可重现性不好；B.Q.Han等采用的粉末冶金方法，工艺复杂，成本较高。

三发明内容

本发明的发明目的在于提供一种晶粒尺寸可控双峰分布的块体超细/纳米晶合金制备方法，该方法可以精确定量控制双峰组织中微米晶的比例，同时能够有效控制微米晶区域的尺寸和分布。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种晶粒尺寸可控双峰分布的块体超细/纳米晶合金制备方法，包括以下步骤：

(1)选取双相的共析或共晶体系，由相图结合杠杆定律计算，通过合理选取合金成分，定量控制先共析相或先共晶相的比例；

(2)选定合金成分后，利用共析/共晶相变处理控制先共析/先共晶相的分布，即固溶加热后冷却，控制先共析相或先共晶相的尺寸；

(3)由剧烈塑性变形或常规塑性变形细化合金组织，得到完全的超细晶或纳米晶合金；

(4)在高于先共析相或先共晶相再结晶温度条件下对步骤(3)得到的合金短时退火，该退火时间为0.5～1小时，促使该相区晶粒由亚微米或纳米级原位长大到微米尺寸，同时共析成分或共晶成分区的晶粒由于两相钉扎作用而保持在亚微米或纳米尺寸，从而得到具有可控的晶粒尺寸双峰分布组织的块体超细或纳米晶合金。

本发明晶粒尺寸可控双峰分布的块体超细/纳米晶合金制备方法的固溶加热的温度为350℃～1000℃，时间为2～24小时。