[发明专利]一种制备反向梯度纳米结构金属材料的方法

说明书

本发明公开了一种制备反向梯度纳米结构金属材料的方法，该方法采用传统双辊轧机对丝状或棒状金属材料进行逐道次轴向冷轧处理，巧妙地利用了丝材或棒材横截面厚度沿径向的梯度分布，经过轧制处理的金属材料具有由中心至边缘逐渐减小的塑性变形梯度分布，从而形成了中心为纳米级显微结构，边缘为粗晶结构的梯度构型。通过调控轧制道次以及每道次进给量可以精确地控制梯度变形量，以达到控制中心纳米层厚度的效果。该方法操作简单，对设备要求低，可对不同尺寸和种类的金属材料进行处理，经本方法处理的金属材料具有内部为纳米结构、边缘为粗晶结构的梯度构型，突破了表面梯度纳米化的纳米结构在金属材料表层的正向梯度分布。

技术领域

本发明属于梯度纳米结构金属材料制备技术领域，涉及一种制备反向梯度纳米结构金属材料的方法。

背景技术

纳米金属材料由于兼具高强度、耐磨性以及耐腐蚀等优异性能，引起了材料学者们的广泛关注。相比于普通金属材料，纳米金属材料的结构单元尺度在纳米量级，晶粒的细化显著提高了金属材料的强度，但同时往往也伴随着塑性的极大降低，这大大阻碍了纳米金属材料在工程实际中的应用。因此，如何在不损失塑性变形能力的前提下提高金属材料的强度一直是科学家们的研究热点。

近年来，材料学者致力于改善金属材料强度和塑性的相互匹配关系，通过大量研究发现，对金属材料进行梯度纳米化处理是解决这个问题的有效思路之一。目前已有大量试验验证，表面梯度纳米化处理能够使金属材料获得较好的强度和塑性匹配的力学性能，同时大幅提升金属材料的硬度和耐磨性。表面梯度纳米化处理是指在材料表面通过剧烈的塑性变形形成晶粒细化层，其微观结构尺寸由表及里逐渐增大，分别为纳米级、亚微米级和微米级。表面的细化层为材料提供较高的强度，而内部未受到影响的初始粗晶则保证了材料的塑性不会大幅减少。

目前应用于金属材料的表面梯度纳米化的主要方法有两大类：一类是包括喷丸、表面机械研磨处理(SMGT)等方法，利用高频高速的弹丸持续轰击材料表面，在材料表层发生剧烈的塑性变形，以达到细化晶粒的目的。由于弹丸的冲击能量有限，通过这一类方法制备的梯度纳米金属材料的表面细化层较薄且难以定量控制，另外，被处理材料的表面光洁度较差。第二类是以表面滚压处理(SRT)为代表，通过滚压刀具在高速旋转的工件上逐道次进刀一定深度，从而在材料表层产生塑性变形以达到表面梯度纳米化的效果。这一类方法制备的梯度纳米金属材料虽然表面光洁度高，但同样有表面纳米层较薄的缺点。另外，这两类方法都局限于由表及里晶粒尺度逐渐增大的正向梯度纳米构型，这种单一的梯度纳米结构难以满足工程实际的复杂应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种制备反向梯度纳米结构金属材料的方法，该方法操作简单，对设备要求低，可对不同尺寸和种类的金属材料进行处理，经本方法处理的金属材料具有内部为纳米结构、边缘为粗晶结构的梯度构型，突破了表面梯度纳米化的纳米结构在金属材料表层的正向梯度分布。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种制备反向梯度纳米结构金属材料的方法，采用轴向冷轧法对金属丝材或金属棒材进行逐道次轧制处理，加工制成由中心至边缘的晶粒尺寸逐渐增大的反向梯度分布的纳米结构金属材料；

且该方法通过调控轧制道次以及每道次进给量控制梯度变形量，从而控制所述纳米结构金属材料的纳米层厚度。

优选地，所述的制备反向梯度纳米结构金属材料的方法，包括以下步骤：

1)调整初始轧制间距为待处理金属丝材或金属棒材的原始直径；

2)在每道次进给量不变的条件下，连续逐道次对待处理金属丝材或金属棒材进行轧制处理，每道次轧制两遍；

3)重复步骤2)，直至梯度变形量达到需求。

优选地，所述金属丝材或金属棒材指横截面为圆形的丝状或棒状金属材料。