CN115537688A - 一种实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法，属于高强度、高电导率块状金属制备技术领域。所述实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法的步骤包括：对温度为77K的金属块进行多道次冲击，实现金属块的工程应变不小于60％，即得兼具纳米晶和纳米孪晶异质结构的金属块。通过采用低温高应变率的变形条件，抑制了位错湮灭、提高了饱和位错密度、降低了孪晶成核临界尺寸，进而促进了晶粒细化和孪晶生成。大量的纳米孪晶界以极低的电导率损失(孪晶界的电阻率比晶界要低一个数量级)协调了变形并贡献了可观的强度。

Description

一种实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法
技术领域
本发明涉及高强度、高电导率块状金属制备技术领域，特别涉及一种实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法。
背景技术
近年来，纳米异质金属被报道由于兼备纳米晶和纳米孪晶微观结构，从而具有高强度以及高电导率，例如纳米异质结构铜合金。
原因在于此结构兼具有纳米晶和纳米孪晶，大量的晶界和孪晶界阻碍了位错滑移，提升了强度；与大角度晶界不同的是，孪晶界既能阻碍位错滑移，也能传递入射位错，从而分别提供强度和延展性。
但是目前块状纳米异质结构金属的制备问题还没有解决，传统的电沉积制备技术成本高、尺寸小，不具备大规模生产的潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法，以解决现有技术成本高昂、制备材料尺寸受限的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明技术方案之一：提供一种实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法，包括以下步骤：对温度为77K的金属块进行多道次冲击，实现金属块的工程应变不小于60％，即得兼具纳米晶和纳米孪晶异质结构的金属块。
本发明所述工程应变为试样厚度改变量与试样初始厚度的比值。
优选地，所述金属块在降温前先进行表面处理，具体为表面打磨至平整。
优选地，所述金属块为铜块。
更优选地，所述多道次冲击中的每一次冲击的平均应变速率为1000-12000s-1。
本发明技术方案之二：提供一种实施上述方法的装置，组成部分包括：用于夹紧金属块的两个钢柱，对所述钢柱进行冲击的炮弹，用于冷却所述金属块的冷却部件，以及用于加速所述炮弹的加速部件。
优选地，所述钢柱和所述炮弹的材质均为SKD11模具钢。
优选地，所述炮弹在冲击所述钢柱时，速度为174.66±6.06m/s。
优选地，所述加速装置为轻气炮。
本发明的有益技术效果如下：
本发明通过低温高速单轴冲击大塑性变形实现了金属块内部剧烈的晶粒细化和孪晶变形，从而使得金属块兼具纳米晶及纳米孪晶的纳米异质结构。与传统的大塑性变形相比，该方法采用低温高应变率的变形条件，抑制了位错湮灭、提高了饱和位错密度、降低了孪晶成核临界尺寸，进而促进了晶粒细化和孪晶生成。大量的纳米孪晶界以极低的电导率损失(孪晶界的电阻率比晶界要低一个数量级)协调了变形并贡献了可观的强度，这使得兼具纳米晶及纳米孪晶的纳米异质结构的金属块在保留较高电导率的基础上兼备了高强度和较可观的延展性。
附图说明
图1为实施例1实现铜块兼具纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法流程图。
图2为实现实施例1所述使铜块兼具纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法所用装置的构造图。
图3为实施例1中所用杆托的尺寸及构造图。
图4为实施例1最终得到的铜块的TEM图，其中，A为放大34000倍的TEM图，B为放大44000倍的TEM图，C为放大720000倍的TEM图。
图5为实施例1及对比例1最终处理得到的铜块及原料铜块的应力应变曲线图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例1实现铜块兼具纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法流程图见图1。
实施例1
实现铜块兼具纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法：
步骤S102，提供圆柱状炮弹和钢柱；
冲击炮弹直径40mm，长度50mm，两钢柱直径60mm，长度210mm，炮弹和钢柱材料均为SKD11模具钢。
步骤S104，提供圆柱状铜块，并对铜块进行表面处理；
具体表面处理为：用1000#的水砂纸将切割好的圆柱状铜块表面打磨至平整。
步骤S106，将铜块固定两个钢柱之间；
需要保证铜块试样夹在两个钢柱的中心，且中间无缝隙。
步骤S108，固定好冷却装置，并倒入液氮(77K)对铜块降温；
所用冷却装置为冷却阀，将液氮注入冷却阀中对铜块进行降温，注意液氮要没过整个铜块并保持至少五分钟。
步骤S110，利用轻气炮对圆柱状炮弹加速；
圆柱状炮弹的波阻抗要小于等于夹持试样的钢柱的波阻抗，炮弹外径用3D打印的塑料弹托包裹后放入气炮。
步骤S112，将固定好铜块的钢柱置于杆托中，利用高速圆柱炮弹对中间夹有铜块的钢柱的一端进行冲击；
在整个充气和冲击过程中要保证铜块浸没在液氮中，即保证冲击时试样温度为液氮温度，子弹速度为174.66±6.06m/s(通过相机测得)，平均应变速率为1000-12000s-1，在充气和冲击过程中，操作人员必须远离冲击端以保证安全；所用杆托的尺寸及构造见图3。
步骤S114，冲击完成后通过缓冲装置减速，回收试样和钢柱，测量其厚度并计算应变，再次降温和冲击，直至试样工程应变达到计划值；
往复实现铜块的多道次低温高速大变形，铜块工程应变达到85％。
实现实施例1所述使铜块兼具纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法所用装置的构造图见图2。
实施例1最终得到的铜块的TEM图见图4，其中，A为放大34000倍的TEM图，B为放大44000倍的TEM图，C为放大720000倍的TEM图。从图4中能够看出，通过本发明的制备方法不仅实现了铜合金纳米晶及纳米孪晶的纳米异质结构(图4中C)，而且在此过程中没有孔洞或裂纹的出现。
对比例1
使用与实施例1相同的铜块，在常温下对其进行轧制，轧制原始厚度20mm，第一次下轧量为8mm，第二次下轧量为5mm，第三次下轧量为2mm，第四次下轧量为2mm，使其工程应变达到85％。
对实施例1及对比例1最终处理得到的铜块及原料铜块进行准静态拉伸实验，各材料的应力应变曲线图见图5。
对实施例1及对比例1最终处理得到的铜块及原始铜块的性能进行测定，测定项目及测定结果见表1。
表1各试样的性能参数
Figure BDA0003904682540000051
结合图5和表1能够看出，低温高速冲击制备的试样强度远高于常温轧制的试样和原始材料，断裂应变和电导率略有下降。
综合以上结果可以得出，本发明通过低温高速单轴冲击大塑性变形实现了铜块内部剧烈的晶粒细化和孪晶变形，从而使得铜块兼具纳米晶及纳米孪晶的纳米异质结构。与传统的大塑性变形相比，该方法低温高应变率的变形条件抑制了位错湮灭、提高了饱和位错密度、降低了孪晶成核临界尺寸，进而促进了晶粒细化和孪晶生成。大量的纳米孪晶界以极低的电导率损失(孪晶界的电阻率比晶界要低一个数量级)协调了变形并贡献了可观的强度，这使得兼具纳米晶及纳米孪晶的纳米异质结构的铜块在保留较高电导率的基础上兼备了高强度和较可观的延展性。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：对温度为77K的金属块进行多道次冲击，实现金属块的工程应变不小于60％，即得兼具纳米晶和纳米孪晶异质结构的金属块。
2.根据权利要求1所述的实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法，其特征在于，所述金属块在降温前先进行表面处理，具体为表面打磨至平整。
3.根据权利要求1所述的实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法，其特征在于，所述金属块为铜块。
4.根据权利要求3所述的实现纳米晶和纳米孪晶异质结构的方法，其特征在于，所述多道次冲击中的每一次冲击的平均应变速率为1000-12000s-1。
5.一种实施权利要求1～4任一项所述方法的装置，其特征在于，组成部分包括：用于夹紧金属块的两个钢柱，对所述钢柱进行冲击的炮弹，用于冷却所述金属块的冷却部件，以及用于加速所述炮弹的加速部件。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述钢柱和所述炮弹的材质均为SKD11模具钢。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述炮弹在冲击所述钢柱时，速度为174.66±6.06m/s。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述加速装置为轻气炮。
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