CN106917023A - 一种力学性能优良的金属材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种力学性能优良的金属材料及其制备方法，包括金属基体以及弥散分布于金属基体中的氧元素，该金属材料具有较高的强度及硬度，并且制备方法较为简单，成本低。

Description

一种力学性能优良的金属材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种力学性能优良的金属材料及其制备方法。
背景技术
随着科技进步和工业技术的发展，越来越多的工业产品都要求具有更高的强度，以确保其在服役过程中的安全可靠性。金属由于其高强度，高延展性等优点一直以来都是国民经济中不可或缺的结构材料。因此，金属材料的强化一直以来都是新型结构材料开发的重要议题。
目前，经过研究者们几十年来不断积累和总结，金属材料的强化理论得到了极大地完善并趋于成熟，主要包括固溶强化、第二相强化、位错强化以及晶界强化等等。基于这些基础理论，一大批材料强化手段应运而生，其中比较有代表性的是通过在材料中引入新元素和新界面来提升强度。
首先，通过引入新元素来提高金属材料的强度。Booth-Morrison等在Al中引入了Zr，Sc和Er元素，经400度时效退火以后其维氏硬度值由200MPa提升至500MPa左右，经过对其内部结构进行精细分析发现：经退火以后生成了Al3(Sc,Zr,Er)析出相，这种析出相近球形，Er元素大量富集在球心，球壳由富Sc的内壳和富Zr的外壳组成。这种结构能够有效地抑制析出相在加热过程中的长大，其平均尺寸仅有4nm，能够有效地阻挡位错运动，因此显著地提升了该合金的硬度[Booth-Morrison.et al.Acta Mater.59,7029-7042(2011).]。然而该技术需要在材料初始制备过程中添加微量的元素，并且微量元素如Sc、Er价格极其昂贵，极大地增加了工业生产的成本。Nie等人在纯镁中添加了0.2at.％Gd元素，对该材料进行预变形以后进行150℃退火3小时，其压缩屈服强度有了明显的提升。对该过程进行结构分析发现，预变形过程中产生的形变孪晶在退火过程中会被Gd钉扎，在随后的力学加载过程中孪晶的迁移和长大被抑制，继而其压缩强度提高了[Nie J.F.et al.Science 340,957-960(2013).]。然而，该技术需要在材料初始制备过程中添加昂贵的稀土元素，增加了工业生产成本，同时该技术强化效果有限。
同时，通过引入新界面来提高金属强度，主要是因为新界面引入往往能够阻挡位错的运动，因而强化了金属。Liu等人采用表面机械研磨的方法对多晶镍表层进行了处理，使得多晶镍表层产生了明显的梯度结构，并在距离表层10μm位置发现了平均层厚仅有18nm的纳米尺度层状结构，该结构硬度高达6.4GPa。对该层状结构进行分析发现：该层状结构不仅层间距小，而且相邻层之间取向差很小，因此结构稳定，能够有效地抑制位错的运动[LiuX.C.et al.Science 342,337-40(2013).]。然而，表面机械研磨法是一种高速变形方式，该工艺需要消耗大量的能量，且仅仅只能对材料表层进行强化。Lu等采用电沉积的方法制备了纳米孪晶铜，该材料拉伸强度高达900MPa，远高于普通的粗晶铜和纳米晶铜。这是由于纳米孪晶铜内部分布了大量的平均层厚仅有20nm的纳米孪晶结构，这种共格孪晶界能够有效地阻碍位错运动，因而极大地提升了铜的强度[Lu L.et al.Science 304.422(2004).]。然而，电沉积方法所能够制备的样品尺寸有限，并不能实现大块材料的制备。
上述方法虽然都能够提升金属材料的强度或硬度，然而其自身均存在一定的问题，不能够达到工业生产所要求的低成本，操作方便的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种力学性能优良的金属材料及其制备方法，该金属材料具有较高的强度及硬度，并且制备方法较为简单，成本低。
为达到上述目的，本发明所述的力学性能优良的金属材料包括金属基体以及弥散分布于金属基体中的氧元素。
金属基体中弥散分布的氧元素的含量为100ppm-5000ppm。
金属基体的材质为钒、铌、钽、钒合金、铌合金、钽合金、或钒、铌及钽元素含量超过5at.％的材料，如高熵合金。
本发明所述的力学性能优良的金属材料的制备方法包括以下步骤：将金属基体放入管式炉中，再在氩气保护条件下调整管式炉内的真空度，然后通过管式炉对金属基体进行加热并保温，再随炉冷却至室温，得力学性能优良的金属材料。
在氩气保护条件下调整管式炉内的真空度至10-3Pa-105Pa。
通过管式炉对金属基体进行加热并保温的过程中的加热温度高于金属基体表层氧化膜由致密结构转变为非致密结构的转变温度。
通过管式炉对金属基体进行加热并保温的过程中的保温时间大于1min。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的力学性能优良的金属材料包括金属基体以及弥散分布于金属基体中的氧元素，该弥散分布的氧元素能够有效的影响金属基体变形过程中的位错行为，从而有效的提高金属基体的强度及硬度，同时在制备过程中，只需将金属基体进行加热、保温及冷却即可，制备方法较为简单，成本较低，并且可控性较好。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为实施例一中样品的透射电镜图；
图3为实施例一中样品的透射电镜能谱图；
图4为实施例一中样品的硬度测试结果图；
图5为实施例二中样品的拉伸性能测试结果图；
图6为实施例三中样品的硬度测试结果图；
图7为实施例四中样品的硬度测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的力学性能优良的金属材料包括金属基体以及弥散分布于金属基体中的氧元素；金属基体中弥散分布的氧元素的含量为100ppm-5000ppm；金属基体的材质为钒、铌、钽、钒合金、铌合金、钽合金、或钒、铌及钽元素含量超过5at.％的材料，如高熵合金。
本发明所述的力学性能优良的金属材料的制备方法包括以下步骤：将金属基体放入管式炉中，再在氩气保护条件下调整管式炉内的真空度，然后通过管式炉对金属基体进行加热并保温，再随炉冷却至室温，得力学性能优良的金属材料。
其中，在氩气保护条件下调整管式炉内的真空度至10-3Pa-105Pa；通过管式炉对金属基体进行加热并保温的过程中的加热温度高于金属基体表层氧化膜由致密结构转变为非致密结构的转变温度；通过管式炉对金属基体进行加热并保温的过程中的保温时间大于1min。
实施例一
取金属纯铌，将纯铌放置于管式炉中，高纯氩气保护，控制其真空度为300Pa，加热至1000℃并保温1小时，再随炉冷却。
参考图2，经退火处理以后的金属铌样品晶界附近并不存在任何析出相或氧化物结构，对该区域进行透射电镜能谱分析，结果如图3所示，氧元素均匀地分布在基体中。
参考图4，对退火处理后的金属铌样品进行纳米压入硬度测试，实验采用6000μN恒定加载力测试模式，硬度从退火前2.2GPa提升至6.4GPa，说明本发明所述方法能够较好的提升金属材料硬度。
实施例二
取金属纯铌，将其放置于管式炉中，高纯氩气保护，控制其真空度为300Pa，加热至500℃并保温10分钟，随炉冷却。
参考图5，对退火处理前后的样品进行宏观拉伸测试，得到真应力应变曲线，其屈服强度从退火前的140MPa提升至160MPa；并且经退火处理以后的样品表现出更强的加工硬化能力，说明本发明不仅能提高金属的强度，而且能够同时提升其加工硬化能力。
实施例三
取金属Nb-2.5％Zr，将金属Nb-2.5％Zr放置于管式炉中，高纯氩气保护，控制其真空度为300Pa，加热至1200℃并保温1小时，再随炉冷却。
参考图6，对退火处理后的Nb-2.5％Zr样品进行纳米压入硬度测试，实验采用6000μN恒定加载力测试模式，硬度从退火前2.1GPa提升至7.0GPa，说明本发明所述方法能够极大的提升合金硬度。
实施例四
取金属纯Ta，将其放置于管式炉中，高纯氩气保护，控制其真空度为300Pa，加热至1000℃并保温1小时，再随炉冷却。
参考图7，对退火处理以后的金属Ta样品进行纳米压入硬度测试，实验采用6000μN恒定加载力测试模式，硬度从退火前3.6GPa提升至7.1GPa。

Claims (6)

1.一种力学性能优良的金属材料，其特征在于，包括金属基体以及弥散分布于金属基体中的氧元素。
2.根据权利要求1所述的力学性能优良的金属材料，其特征在于，金属基体中弥散分布的氧元素的含量为100ppm-5000ppm。
3.一种权利要求1所述的力学性能优良的金属材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将金属基体放入管式炉中，再在氩气保护条件下调整管式炉内的真空度，然后通过管式炉对金属基体进行加热并保温，再随炉冷却至室温，得力学性能优良的金属材料。
4.根据权利要求3所述的力学性能优良的金属材料的制备方法，其特征在于，在氩气保护条件下调整管式炉内的真空度至10-3Pa-105Pa。
5.根据权利要求3所述的力学性能优良的金属材料的制备方法，其特征在于，通过管式炉对金属基体进行加热并保温的过程中的加热温度高于金属基体表层氧化膜由致密结构转变为非致密结构的转变温度。
6.根据权利要求3所述的力学性能优良的金属材料的制备方法，其特征在于，通过管式炉对金属基体进行加热并保温的过程中的保温时间大于1min。
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