[发明专利]具有宽尺寸渐进演变梯度纳米结构的金属棒材的制备方法

说明书

本发明公开了具有宽尺寸渐进演变梯度纳米结构的金属棒材的制备方法,解决了现有技术中晶粒尺寸的梯度分布呈现急剧变化的技术问题。技术方案：金属棒状材料，材质为镍、铜、铝或铁，沿径向的晶粒尺寸由内至外连续递减，其中，芯部的晶粒尺寸≥1000nm，表层的晶粒尺寸≤100nm。坯体具有：变形部，所述变形部发生剪切应变后生成所述晶粒尺寸连续梯度变化的金属材料，芯部的晶粒尺寸≤坯体的晶粒尺寸；夹持部，所述夹持部位于变形部的两端，所述夹持部用于与扭转设备的夹具配合。制备方法包括以下步骤：获取上述的坯体；将坯体两端的夹持部夹持于扭转设备的夹具上；控制一端或两端的夹具扭转，扭转完成后即得到所述晶粒尺寸连续梯度变化的金属棒状材料。

技术领域

本发明涉及梯度纳米材料的技术领域，具体而言，涉及具有宽尺寸渐进演变梯度纳米结构的金属棒材的制备方法。

背景技术

梯度纳米结构材料通常由纳米结构表面层和中心粗晶层组成，中间分布有梯度晶粒，因此，梯度纳米结构是一种典型的跨尺度颗粒层次结构，具有优越的强度和延展性的组合。梯度组织可以形成完全不同的晶粒尺寸、不同的孪晶间距或微纳米晶粒和孪晶相结合，因此，梯度纳米结构具有规避材料科学中强度与延性权衡困境的潜力。

梯度纳米结构材料的制备方法通常有分为两类：(1)自上而下的方法，包括表面机械处理方法，如累积滚压和激光冲击喷丸；(2)自下而上的方法，包括物理和化学沉积技术，如电沉积，磁控溅射和3D打印。

表面机械处理技术需要在金属试样表面反复机械研磨，并且需要根据金属类别反复调节试验压入量、转动速度、水平进给速度等多个工艺参数，工艺非常复杂，加工效率低；或者只能依靠经验控制应变大小；不同材料在相同工艺参数下差别显著，因此很难实现梯度结构的设计与控制；处理后的金属试样表面质量较初始状态显著下降，成功率较低；一般仅能在试样表层获得厚度较薄且纳米晶和粗晶界面分明，没有形成渐进式的梯度变化。

物理和化学沉积技术制备得到的材料在深度方向上由晶粒尺寸不同的多个颗粒层构成，每一个颗粒层内部的晶粒尺寸基本一致，颗粒层与颗粒层之间具有明显分界，因此，虽然材料的微观组织产生梯度分布，但是这种梯度结构晶粒尺寸及微观缺陷梯度分布是急剧变化的，不具有连续的梯度跨度；颗粒层与颗粒层之间甚至还可能存在结合力弱的问题；并且，这些工艺的难度较高，成本较大，样品整体的质量难以保证，难以大规模应用。

发明内容

第一方面，本发明的目的在于提供金属棒状材料，以解决现有技术中材料的晶粒尺寸梯度分布时呈现急剧变化的技术问题。

第二方面，本发明的目的在于提供用于制备上述的金属棒状材料的坯体和方法，以解决现有技术中材料的晶粒尺寸梯度分布时呈现急剧变化以及工艺难以大规模应用的技术问题

为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了金属棒状材料。技术方案如下：

金属棒状材料，材质为镍、铜、铝或铁，沿径向的晶粒尺寸由内至外连续递减，其中，芯部的晶粒尺寸≥1000nm，表层的晶粒尺寸≤100nm。

为了实现上述目的，根据本发明的第二个方面，首先提供了坯体。技术方案如下：

用于制备第一方面的金属棒状材料的坯体，具有：变形部，所述变形部发生剪切应变后生成所述晶粒尺寸连续梯度变化的金属棒状材料，芯部的晶粒尺寸≤坯体的晶粒尺寸；夹持部，所述夹持部位于变形部的两端，所述夹持部用于与扭转设备的夹具配合。

进一步地是，变形部的长度为横截面直径的4～7倍；并且/或者，变形部的横截面直径为0.5～20mm。

进一步地是，变形部的横截面面积小于夹持部的横截面面积；并且/或者，变形部与夹持部之间还设有弧形部，弧形部的长度优选为5～15mm。

为了实现上述目的，根据本发明的第二个方面，其次提供了金属棒状材料的制备方法。技术方案如下：