CN113862589B - 一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法，属于材料制备技术领域。本发明将粗晶纯铜经预处理后制作成用于分裂式霍普金森压力杆的帽型状纯铜试样；将帽型状纯铜试样放置于分裂式霍普金森压力杆的入射和透射杆之间，引入梯度剪切应变，在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构；其中剪切应变位于帽型状纯铜试样的狭窄区域。本发明使用动态纯剪切工艺制造反向梯度结构铜，由粗颗粒芯和纳米结构表面组成，在晶粒层面的梯度实现高强度和高延展性。

Description

一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法
技术领域
本发明涉及一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法，属于材料制备技术领域。
背景技术
对于FCC(面心立方)结构的金属而言，细晶强化可以提高其强度，但是其均匀延展性会明显降低，故而纯细晶强化显然存在不足。根据晶体塑性理论，细小晶粒保证材料具有较高的强度，而粗晶保证材料的塑性较好，故双峰结构兼具高强度及良好均匀延展性。严重塑性变形(SPD)用于细化晶粒和增强金属材料，强化机制源自晶粒或孪晶边界阻碍位错运动，使超细晶粒或纳米晶粒材料的塑性变得更难。但是，这些超细颗粒材料的延展性通常会受到影响。
发明内容
本发明针对现有技术中超细颗粒材料强度-延展性之间的权衡难题，提供一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法，使用动态纯剪切工艺制造反向梯度结构铜，即改进剧烈塑性变形细化晶粒，在变形的铜样品中引入反向晶粒尺寸梯度微观结构；本发明由粗晶结构表面层和纳米晶粒内部组成的梯度结构材料，在晶粒中引入梯度分层纳米孪晶作为第二级结构，制造由细晶向粗晶过渡的梯度结构，可避免强度-延展性之间的权衡难题。
一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法，具体步骤如下：
(1)将粗晶纯铜经预处理后制作成用于分裂式霍普金森压力杆的帽型状纯铜试样；
(2)将帽型状纯铜试样放置于分裂式霍普金森压力杆的入射和透射杆之间，引入梯度剪切应变，在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构；其中剪切应变位于帽型状纯铜试样的狭窄区域；
所述步骤(1)预处理为退火处理，退火温度为400～500℃，退火时间为1～2.5h；
所述步骤(2)剪切应变率为105s-1；
本发明在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的原理：
本发明的是利用动态纯剪切技术在帽型式样的几何形状引入较大的剪切应变，剪切应变位于试样的狭窄区域内，在高应变率下形成绝热剪切带引起晶粒的细化，相对于表面的粗晶粒，在芯部形成了细晶，然后由芯部细晶过渡到表面形成了反梯度微观组织。
本发明的有益效果是：
本发明使用动态纯剪切工艺制造反向梯度结构铜，即改进剧烈塑性变形细化晶粒，在变形的铜样品中引入反向晶粒尺寸梯度微观结构，由粗颗粒芯和纳米结构表面组成，在晶粒层面的梯度实现高强度和高延展性；
附图说明
图1为晶粒梯度模型图，(a)为正向晶粒梯度模型图，(b)为反晶粒梯度模型图；
图2为实验仪器分裂式霍普金森压杆-SHPB的示意图；
图3为试样动态纯剪切应变的变化过程-FEM模拟；
图4为实施例1反晶粒梯度组织纯铜的EBSD组织、晶粒取向分布图和截面晶粒尺寸分布图，(a)为反晶粒梯度组织纯铜的EBSD组织、(b)为晶粒取向分布图、(c)为截面晶粒尺寸分布图；
图5为实施例2反晶粒梯度组织纯铜的EBSD组织；
图6为实施例3反晶粒梯度组织纯铜的EBSD组织。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法，具体步骤如下：
(1)将纯度为99.99％的粗晶纯铜(面心立方结构)经退火预处理，其中退火温度为450℃，退火时间为2h；在线切割机上加工制作成用于分裂式霍普金森压力杆的帽型状纯铜试样；帽型状纯铜试样的几何形状可引入较大的剪切应变，剪切应变位于试样的狭窄区域内；
(2)将帽型状纯铜试样放置于分裂式霍普金森压力杆的入射和透射杆之间(见图2)，引入梯度剪切应变(试样动态纯剪切应变的变化过程见图3)，其中剪切应变位于帽型状纯铜试样的狭窄区域，撞击杆的速度为10m/s，剪切应变率为105s-1，在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构；
在撞击杆速度为10ms-1，剪切应变率可以达到约105s-1，剪切区域表现出很强的梯度特征，并位于几个薄的变形区域中；
晶粒梯度模型图见图1，其中(a)为正向晶粒梯度模型图，(b)为反晶粒梯度模型图；
如图4的EBSD图可以明显的看出在纯铜中形成反晶粒梯度微观组织，图4晶粒取向分布图和截面晶粒尺寸分布图可知，经过纯剪切过程后，测试样品中的大施加剪切应变及其强大的梯度分布导致了晶粒细化的显着差异，并在变形的铜样品中引入了独特的反向晶粒尺寸梯度微观结构，在纯铜中可获得反晶粒梯度微观组织，试样的表面，过渡区和核心区的晶粒尺寸(直径)确定为大约分别为60、30和3μm(如图4所示)，表明在高应变速率塑性变形下，平均晶粒尺寸与局部剪切应变密切相关；由于铜试样的几何形状，最大的剪切应变和高应变率发生在核心区域，剪切应变总是从核心区域迅速退化，经纯剪切处理后，多晶铜产生晶粒尺寸梯度结构剪切过程。
实施例2：一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法，具体步骤如下：
(1)将纯度为99.99％的粗晶纯铜(面心立方结构)经退火预处理，其中退火温度为500℃，退火时间为2.5h；在线切割机上加工制作成用于分裂式霍普金森压力杆的帽型状纯铜试样；帽型状纯铜试样的几何形状可引入较大的剪切应变，剪切应变位于试样的狭窄区域内；
(2)将帽型状纯铜试样放置于分裂式霍普金森压力杆的入射和透射杆之间(见图2)，引入梯度剪切应变(试样动态纯剪切应变的变化过程见图3)，其中剪切应变位于帽型状纯铜试样的狭窄区域，撞击杆的速度为10m/s，剪切应变率为105s-1，在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构；
在撞击杆速度为10ms-1，剪切应变率可以达到约105s-1，剪切区域表现出很强的梯度特征，并位于几个薄的变形区域中；
晶粒梯度模型图见图1，其中(a)为正向晶粒梯度模型图，(b)为反晶粒梯度模型图；
如图5的EBSD图可以明显的看出在纯铜中形成反晶粒梯度微观组织，经过纯剪切过程后，测试样品中的大施加剪切应变及其强大的梯度分布导致了晶粒细化的显着差异，并在变形的铜样品中引入了独特的反向晶粒尺寸梯度微观结构，在纯铜中可获得反晶粒梯度微观组织，试样的表面，过渡区和核心区的晶粒尺寸(直径)确定为大约分别为200、50和10μm(如图5所示)，表明在高应变速率塑性变形下，平均晶粒尺寸与局部剪切应变密切相关；由于铜试样的几何形状，最大的剪切应变和高应变率发生在核心区域，剪切应变总是从核心区域迅速退化，经纯剪切处理后，多晶铜产生晶粒尺寸梯度结构剪切过程。
实施例3：一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法，具体步骤如下：
(1)将纯度为99.99％的粗晶纯铜(面心立方结构)经退火预处理，其中退火温度为400℃，退火时间为1h；在线切割机上加工制作成用于分裂式霍普金森压力杆的帽型状纯铜试样；帽型状纯铜试样的几何形状可引入较大的剪切应变，剪切应变位于试样的狭窄区域内；
(2)将帽型状纯铜试样放置于分裂式霍普金森压力杆的入射和透射杆之间(见图2)，引入梯度剪切应变(试样动态纯剪切应变的变化过程见图3)，其中剪切应变位于帽型状纯铜试样的狭窄区域，撞击杆的速度为10m/s，剪切应变率为105s-1，在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构；
在撞击杆速度为10ms-1，剪切应变率可以达到约105s-1，剪切区域表现出很强的梯度特征，并位于几个薄的变形区域中；
晶粒梯度模型图见图1，其中(a)为正向晶粒梯度模型图，(b)为反晶粒梯度模型图；
如图6的EBSD图可以明显的看出在纯铜中形成反晶粒梯度微观组织，经过纯剪切过程后，测试样品中的大施加剪切应变及其强大的梯度分布导致了晶粒细化的显着差异，并在变形的铜样品中引入了独特的反向晶粒尺寸梯度微观结构，在纯铜中可获得反晶粒梯度微观组织，试样的表面，过渡区和核心区的晶粒尺寸(直径)确定为大约分别为50、20和2μm(如图6所示)，表明在高应变速率塑性变形下，平均晶粒尺寸与局部剪切应变密切相关；由于铜试样的几何形状，最大的剪切应变和高应变率发生在核心区域，剪切应变总是从核心区域迅速退化，经纯剪切处理后，多晶铜产生晶粒尺寸梯度结构剪切过程。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将粗晶纯铜经预处理后制作成用于分裂式霍普金森压力杆的帽型状纯铜试样；其中预处理为退火处理，退火温度为400~500℃，退火时间为1~2.5h；帽型状纯铜试样的几何形状引入较大的剪切应变，剪切应变位于试样的狭窄区域内；
（2）将帽型状纯铜试样放置于分裂式霍普金森压力杆的入射和透射杆之间，引入梯度剪切应变，在纯铜中形成反向晶粒尺寸梯度微观结构；其中剪切应变位于帽型状纯铜试样的狭窄区域，撞击杆的速度为10m/s，剪切应变率为105 s-1；梯度结构材料由粗晶结构表面层和纳米晶粒内部组成，在晶粒中引入梯度分层纳米孪晶作为第二级结构，制造由细晶向粗晶过渡的梯度结构。
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