[发明专利]一种超精密加工技术制备梯度纳米结构金属材料的方法

说明书

本发明提供了一种超精密加工技术制备梯度纳米结构金属材料的方法，包括如下步骤：提供待处理的圆柱形金属材料工件，将所述圆柱形金属材料工件进行预处理后，使预处理后的圆柱形金属材料工件以所述圆柱形的上下两个底面的圆心连接的直线为轴进行旋转；在液氮环境下，采用金刚石刀具对旋转的所述圆柱形金属材料工件的表面进行车削加工处理，且所述车削加工处理的过程中，所述金刚石刀具的刀尖线平行于所述圆柱形金属材料工件的外表面、并对旋转的所述圆柱形金属材料工件的表面沿轴向做往返运动，得到所述梯度纳米结构金属材料；其中，所述梯度纳米结构金属材料的梯度纳米结构组织的深度为200～8000μm，且所述梯度纳米结构组织由表面至芯部依次为纳米孪晶、纳米晶、超细孪晶、超细晶、变形粗晶和初始粗晶。

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种超精密加工技术制备梯度纳米结构金属材料的方法。

背景技术

金属材料是理想的结构材料，在交通运输、航空航天、国防装备和民用工业等领域具有广泛的应用。现代工业的发展对金属材料综合力学性能的要求不断提高。金属材料的强化是材料领域科学家们的长期核心研究方向之一，也是促进国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题之一。近年来常用的一个金属材料强化的方法是将金属材料的内部结构单元（例如晶粒尺寸）细化至纳米尺度（100 nm），形成纳米结构材料（Nanostructured Materials）。依据Hall-Petch 关系，晶粒尺度越小，材料的强度和硬度则越高。不同于普通粗晶材料，纳米结构金属含有大量晶界、相界面或其他界面，能够有效地阻碍位错的增殖与运动。因此，伴随着强度提升，纳米结构金属的塑性和韧性往往会明显下降。这种强度-塑性/韧性的倒置关系已成为制约纳米金属材料科学发展的主要瓶颈，极大限制纳米金属材料的设计、制备、成型过程和在更高水平和更广范围的实际应用。因此，如何制备高强度且塑性性能优异的金属材料成为现今工业界亟待解决的问题，也是材料科学领域一直以来的研究热点。

近年来发现，通过改变金属材料内部微观结构的组成、大小和分布，构筑梯度纳米结构（Gradient Nanostructure）可以有效克服纳米结构金属材料的塑性缺点，同时发挥其强度优势。梯度纳米结构金属材料中的结构单元（例如晶粒尺寸、孪晶或层片厚度）大小在空间上呈梯度变化，从纳米尺度连续增加到宏观尺度。这种连续增加能有效避免结构尺度突变，使纳米和宏观尺度两者相互协调，同步表现出所各自对应的作用机制，可以有效的抑制金属在塑性变形过程中早期的变形局域化，并可以缓解内部的应力集中进而阻碍裂纹的发生，从而实现更优的强度-塑性配比。

目前，在金属材料中获得梯度纳米结构组织的方法主要分为两类：（1）从下而上(Bottom-up)的制备方法。这类制备方法的原理是通过控制原子间的结合来控制微观组织的形成，从而得到梯度结构组织，这类制备方法主要是指电沉积技术。然而从下而上加工方法在工业化过程中存在严重的弊端，一方面，梯度组织的厚度较小(小于100μm)，在实际应用中很难对合金的综合力学性能起到明显的提升作用。另一方面，在控制原子间结合的过程中，该制备方法容易引入杂质，这会降低金属材料的强度。（2）自上而下(Top-down)的制备方法。这类制备方法的原理是在金属材料的表面进行大塑性变形，将表面的粗晶组织细化成纳米晶组织，从而形成由表及里尺寸单元由小到大变化的梯度纳米结构。这类制备方法主要包括表面机械研磨处理和表面机械碾压处理。这类制备方法相比于从下而上的制备方法，具有加工金属材料尺寸大，梯度组织厚度深的优点。同时，该类型制备方法是由材料自身纳米化而成，无外来杂质引入，材料的洁净度高。但是这类自上而下的制备方法在工业化应用中也存在一些弊端，例如处理效率较低，成本较高，处理过程中存在噪音，处理后的材料表面粗糙度高等，从而影响材料的综合性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超精密加工技术制备梯度纳米结构金属材料的方法，旨在解决现有技术中制备得到的金属材料的梯度纳米结构组织结构跨度不够大、无法同时提高金属材料的强度和塑性的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：