[发明专利]一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构

说明书

本发明公开了一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构，属于金属材料疲劳性能强化技术领域。具体是通过施加表面塑性加工，在金属材料表面引入一种梯度纳米结构，其微观组织为最表层的纳米晶结构、亚表层的超细晶/变形孪晶结构和芯部原始粗晶结构。其中，梯度纳米结构层整体厚度大于50微米，介于50和300微米之间。与相同成分的均匀粗晶结构相比，具有表层梯度纳米结构的纯Cu样品的应力控制高周疲劳极限提高2倍，高周疲劳寿命提高15倍以上；并且应变控制低周疲劳寿命较普通粗晶样品提高1倍。本发明获得的表层梯度纳米结构金属材料同时改善金属材料的高周和低周疲劳性能。

技术领域

本发明涉及金属材料疲劳性能强化技术领域，具体涉及一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构。

背景技术

实际应用中金属工程构件大多在交变载荷(应力幅远小于材料屈服强度)下服役，即处于高周疲劳阶段(疲劳寿命高于104周次)，而工程构件局部如孔或缺口位置或者截面形状不断变化的轴类和连杆类零件由于应力/应变集中却处于低周疲劳阶段(疲劳寿命小于104周次)。统计表明，约90％失效破坏事故由疲劳失效占所有，造成巨大社会经济损失和大量人身伤亡。因此同时具有优异高周与低周疲劳性能对保证工程构件的安全服役至关重要。

研究表明，金属材料的应力控制高周疲劳性能(如疲劳极限)主要取决于其强度：强度提高，疲劳裂纹萌生阻力增加，疲劳极限提高。应变控制低周疲劳性能(如疲劳寿命)主要与材料塑性相关。塑性越好，可累计更大塑性变形，且降低疲劳裂纹扩展速率，有利于低周疲劳寿命提高。但是金属材料的强度和塑性往往具有明显“倒置”关系，高强度和良好塑性很难同时兼得。例如，目前工程金属材料多为粗晶结构，塑性好，但强度低，具有优异的低周疲劳寿命，但高周疲劳性能较差。

由于近年来日趋加剧的能源消耗和环境污染，工程机械不断向高速重载、节能环保方向发展，这对金属材料的疲劳性能和安全可靠性提出愈来愈高的要求。而传统工程用粗晶金属较低的强度和高周疲劳性能严重限制了其在更苛刻工况环境下的应用。

在不改变材料成分的前提下，将多晶体材料的晶粒尺寸细化至纳米量级可以大幅度提高其强度和硬度，但并不能保证其抗疲劳性能的提高。实验结果表明,具有超细晶结构(晶粒尺寸在亚微米量级)的纯Cu样品，其应力控制的高周疲劳性能优于粗晶样品而应变控制的低周疲劳疲劳寿命却显著低于粗晶材料，并且发生连续循环软化。对于纳米晶粒结构纯Ni样品，在应力控制的疲劳实验中其裂纹扩展阻力明显低于超细晶结构样品，表明当晶粒细化至纳米尺度时，其抗疲劳性能明显恶化。传统粗晶和纳米结构金属的高周疲劳性能与低周疲劳性能之间不可调和的“倒置”关系已经成为制约金属构件安全服役的关键瓶颈问题。

发明内容

为了解决现有技术中均匀结构金属材料的高周和低周疲劳性能倒置问题，本发明的目的是提供一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构，该种结构通过表面纳米晶抑制疲劳裂纹萌生和芯部粗晶抑制裂纹扩展，同时具有优异的高周和低周疲劳性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有优异高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构，对金属材料进行表面机械处理，使其表层粗晶产生塑性变形并形成梯度纳米结构：所形成的梯度纳米结构使金属材料的高周和低周疲劳性同步提高，梯度纳米结构的厚度大于50微米。

所述金属材料经表面机械处理后，表面为纳米晶，芯部为原始粗晶，表面与芯部之间的过渡区域为变形结构(超细晶/变形孪晶结构)，金属材料晶粒尺寸由最表面的纳米尺度梯度过渡为芯部微米尺度。

所述金属材料为铜或304不锈钢；在垂直于金属材料表面方向上，该梯度纳米结构的显微硬度由外至内呈现出由高到低的连续梯度变化。

所述梯度纳米结构的厚度(纳米晶层+变形结构层)为50微米-300微米。