CN117127126A - 一种棒状金属材料、管状金属材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种棒状金属材料、管状金属材料及其制备方法，涉及金属材料强化技术领域。主要采用的技术方案为：所述棒状金属材料中的平均晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料涉及以位错为主要变形特征的金属材料；其中，在棒状金属材料中，从表层到芯层呈现出梯度位错结构；其中，棒状金属材料的表层具有位错胞结构、亚表层具有位错墙结构、芯部具有孤散位错结构。本发明在不改变金属材料的原始晶粒形貌、尺寸等晶粒尺度结构特征的前提下，自表及里引入不同类型的位错结构特征，使得金属材料同时获得高强度和良好塑性，实现了强度和塑性的良好匹配。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料强化技术领域，特别是涉及一种棒状金属材料、管状金属材料及其制备方法。
背景技术
当前，发展高强度和优异塑性兼备的高性能金属材料是世界各国激烈竞争的先进材料前沿研究热点。纵观过去近百年的材料发展史，已发展出一系列通过调控材料的成分、微观组织结构和内部缺陷来强化金属材料的技术，例如固溶强化、形变强化、弥散强化等强化策略。这些传统强化策略可以显著提高金属材料的强度；但是，其塑性以及其它性能(如断裂韧性等)却几近丧失，综合性能“鱼和熊掌”难以兼得。高强度结构材料的塑性较差已成为严重制约其工程应用的重大科学问题。为应对新一代材料面临的挑战，实现材料性能变革性的提升，亟需发展新的材料设计和强韧化原理。
此外，传统强化策略往往强调引入均匀分布的高密度缺陷(如，点缺陷、线缺陷、面缺陷及体缺陷等)，而很少关注缺陷的空间分布。最近几年，师法自然，多尺度空间构筑的设计理念也被逐渐应用于工程材料设计中。材料学家通过设计和调控晶粒尺寸、大角晶界、孪晶在空间上梯度变化，获得了具有优异性能的典型梯度构筑结构。例如，利用表面机械碾磨处理技术可在纯Cu棒材表面首次获得厚度可达数百微米的表面梯度纳米结构层(GNG)，自表及里，晶粒尺寸由纳米尺度梯度连续增大至微米尺度。室温拉伸实验表明：GNG Cu的整体屈服强度可提高至粗晶Cu的2倍。同时，在芯部粗晶的约束下，梯度纳米结构表层在拉伸真应变高达100％时仍保持完整而未出现裂纹，这主要归功于粗晶基体对GNG表层应变局域化的限制和独特的机械驱动晶粒长大机制。然而，由于此技术获得的梯度纳米晶结构中，表面纳米晶层厚度有限和其本征机械不稳定性，限制了其强度的进一步提高。
实际上，绝大部分金属材料的塑性变形通常基于全位错的增殖运动、孪生、剪切或相变来协调。其中，位错常被视为塑性变形的基本载体，通过与其它结构缺陷(如晶界、孪晶界、相界等)发生交互作用而强韧化材料；在大塑性变形时，则通过形成小角度位错界演变为大角晶界，实现细晶强化。由于其短程应力场效应，位错本身的强化效应有限，目前基于最普遍变形特征的位错调控方法及强化行为鲜有报道。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种棒状金属材料、管状金属材料及其制备方法，主要目的在于通过在金属材料中引入特殊的空间梯度分布的位错结构，以显著提高金属材料的强度，并确保金属材料的均匀塑性和断裂延伸率。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种棒状金属材料，其中，所述棒状金属材料中的平均晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料是以位错为变形特征的金属材料；其中，在所述棒状金属材料中，从表层到芯层呈现出梯度位错结构；其中，
所述棒状金属材料的表层具有位错胞结构；其中，所述位错胞结构指的是：位错自组织排列成空间三维胞状或网状形貌特征；
所述棒状金属材料的亚表层具有位错墙结构；其中，所述位错墙结构指的是：位错自组织排列成空间二维墙状形貌特征；
所述棒状金属材料的芯部具有孤散位错结构；其中，所述孤散位错结构呈随机、孤立的线状形貌。
优选的，所述棒状金属材料的位错结构尺寸自表及里呈梯度增加趋势；所述棒状金属材料的位错密度自表及里呈梯度减少趋势。
优选的，所述位错胞结构中的位错胞的壁厚为5～80nm、直径为20～700nm。
优选的，所述位错墙结构中的位错墙的壁厚为10～100nm、间距为200～1000nm。
优选的，在所述棒状材料的芯部，孤散位错结构的密度如下：1013～1016根/m2(单位面积内的位错的根数)。
优选的，所述棒状金属材料为两端粗、中间细的狗骨头棒；或所述棒状金属材料为等直径棒。
另一方面，本发明上述任一项所述的棒状金属材料的制备方法，其包括如下步骤：
对金属棒材进行设定条件的小角度循环往复扭转变形处理，以自表及里引入梯度分布的位错结构，得到所述棒状金属材料；其中，
所述小角度循环扭转变形处理是指：将金属棒材的一端固定，并施加力使金属棒材的另一端绕其中心轴旋转，先从初始位置顺时针旋转角度θ，再逆时针旋转角度θ回到初始位置，使金属棒材完成一次往复旋转，并作为一个循环扭转周次；接着使金属棒材再从初始位置开始进行下一次往复旋转过程，如此反复循环，直至达到所需循环扭转周次；其中，每个循环往复扭转变形处理过程中θ取固定值；
在所述设定条件的小角度循环往复扭转变形处理中：所述金属棒材每次转动的角度θ即为扭转角振幅，循环扭转周次为N，金属棒材的直径为d，金属棒材的长度为L，则需满足如下条件：πθd/360°L≥0.02且πNθd/180°L≥25。
优选的，所述金属棒材的长度L大于1mm、直径d大于0.5mm、扭转角振幅θ大于7.2L/πd度、循环扭转周次为N≥4500°L/πθd；优选的，若金属棒材的长度为12mm±1mm、直径为4.5mm±1mm棒材，则扭转角振幅为20°±1°、扭转周次大于191周、扭转速率介于10～10000°/min，扭转温度为25℃±2℃。
优选的，所述棒状金属材料的屈服强度为所述金属棒材的2～5倍；所述棒状金属材料的均匀塑性为所述金属棒材的0.7～1.3倍；所述棒状金属材料的断裂延伸率为所述金属棒材的0.8～1.5倍。
再一方面，本发明的实施例提供一种管状金属材料，其中，所述管状金属材料中的平均晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料是以位错为变形特征的金属材料；其中，所述管状金属材料中的位错结构为第一种位错结构、第二种位错结构、第三种位错结构中的任一种；
其中，所述第一种位错结构包括沿着第一方向依次排布的位错胞结构、位错墙结构、孤散位错结构；
其中，所述第二种位错结构包括沿着第一方向依次排布的位错胞结构、位错墙结构；
其中，所述第三种位错结构为位错胞结构；
其中，所述第一方向为从管外壁到管内壁的方向，且所述第一方向垂直于管壁。
优选的，所述管状金属材料的轴向长度大于1mm、直径大于0.5mm，壁厚大于0.2mm。进一步优选的，所述管状金属材料的壁厚为0.2～2.5mm。
优选的，所述管状金属材料是由上述任一项所述的棒状金属材料制备而成。
优选的，利用电腐蚀结合穿孔工艺，将所述棒状金属材料制成管状金属材料。优选的，基于电火花穿孔机，利用铜管电腐蚀处理所述棒状金属材料，在棒状金属材料中获得第一直径的通孔；然后，进行扩孔电火花切割处理，得到具有设定壁厚的管状金属材料；进一步优选的，第一直径为0.3～2mm；进一步优选的，电腐蚀处理参数如下：选用脉冲电流，峰值电流为0.1-20A，脉冲为2-500μs，选用水冷却，保持金属材料的温度为20℃±2℃。
优选的，所述棒状金属材料是由以下方法制备而成：对金属棒材进行设定条件的小角度循环往复扭转变形处理，以自表及里引入梯度分布的位错结构，得到棒状金属材料；其中，所述管状金属材料的屈服强度为金属棒材的2～5倍；其中，所述管状金属材料的均匀塑性为所述金属棒材的0.7～1.3倍；所述管状金属材料的断裂延伸率为所述金属棒材的0.8～1.5倍。
与现有技术相比，本发明的棒状金属材料、管状金属材料及其制备方法至少具有下列有益效果：
一方面，本发明提供一种棒状金属材料，主要是在保留金属材料原始平均晶粒尺寸基本不变的同时，自棒状金属材料的表面至芯部，引入梯度分布的位错胞、位错墙和孤散位错结构，并且位错密度和位错结构尺寸随深度逐渐增加。在此需要说明的是：现有传统结构材料引入的孪晶、第二相等组织结构特征主要基于合金化冶金策略，即依赖元素周期表中各种合金元素的添加来获得。但是，本发明的策略是在不改变材料成分的前提下，仅通过调控位错组态、密度和空间分布来实现强度的提升，在日益严峻的资源短缺和环境污染严重的当下，这不仅有利于减少合金的使用量，更有利于减少对稀缺资源的依赖。
在此，本发明提出的梯度位错结构策略能显著提高材料的屈服强度和抗拉强度，并且保持与原始结构相当的均匀塑性和更好的断裂延伸率，其强度-塑性匹配明显优于文献报道相同成分的均匀或梯度结构材料。这与传统结构策略如纳米晶、第二相对力学性能(显著提高材料强度但明显降低材料塑性)的情形截然不同，显著突破了传统结构策略常常引起强塑性倒置的窘局。
进一步地，为了能在棒状金属材料中引入上述的“位错胞、位错墙和孤散位错结构”，本发明提出：金属材料是以位错为变形特征的金属材料,金属材料的平均晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，在此基础上，对金属棒材进行设定条件的小角度循环往复扭转变形处理，并控制设定的处理条件，才能得到上述提及的能显著提高金属棒状材料的强度和塑性的梯度位错结构。其中，设定的处理条件如下：πθd/360°L≥0.02且πNθd/180°L≥25；其中，金属棒材每次转动的角度θ即为扭转角振幅、循环扭转周次为N、金属棒材的直径为d、金属棒材的长度为L。
在此，本发明提出的小角度循环往复扭转变形处理是利用扭转设备对金属棒材进行往复扭转变形处理。其优点是对设备要求低，而传统的严重塑性变形和表面机械变形工艺所使用的设备比较复杂，并且需要利用具有特殊几何尺寸的硬质合金刀头对金属表面进行碾磨或滚压处理工艺。另外，本发明处理单根样品的时间约几十秒至几分钟，处理效率高。此外，本发明技术对处理样品的直径和长度限制小，其轴向长度L大于1mm、直径d大于0.5mm即可，并且往复扭转变形处理前后样品的宏观形状和表面粗糙度不发生改变。工业应用前景广泛。
另一方面，本发明提出一种管状金属材料，该管状金属材料主要是利用利用电腐蚀结合穿孔工艺，将上述的棒状金属材料制成管状金属材料；在此，管材金属材料根据壁厚的不同，其上的位错结构为第一种位错结构、第二种位错结构、第三种位错结构中的任一种。其中，第一种位错结构包括沿着第一方向依次排布的位错胞结构、位错墙结构、孤散位错结构。其中，第二种位错结构包括沿着第一方向依次排布的位错胞结构、位错墙结构。第三种位错结构为位错胞结构。在此，本发明在管状材料中引入了特殊的梯度位错结构，使得管状金属材料具有优异的强度和塑性(与最初的金属棒材相比，管状金属材料的屈服强度能提高2.6倍以上；塑性相当或略提升)，实现了强度和塑性的良好匹配。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明提出的在金属材料中引入提高材料力学性能的梯度位错结构的策略示意图。金属材料的原始态的晶粒结构特征自棒状样品表面至至芯部均匀分布，不发生改变，而位错结构特征(如位错形貌、尺寸、密度)随深度逐渐增加。
图2为实施例中的直径4.5mm、长度12mm的Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材样品在扭转角振幅为20°的条件下扭转200周后获得的截面微观结构扫描电子显微镜中的电子背散射衍射成像图片；其中：(a,c)和(b,d)分别表示距离样品表面1.2mm内(a,c)以及芯部(b,d)的晶粒(形貌、尺寸、取向)以及内部三种界面(大角晶界、小角晶界、孪晶界)结构的空间分布特征。
图3为实施例中直径4.5mm、长度12mm的Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材样品在扭转角振幅为20°的条件下扭转200周后梯度位错结构。其中，a图、b图、c图分别为最表层、距表层0.7mm深度、芯部对应的典型透射电子显微照片，显示不同深度存在不同的位错胞、位错墙和孤散位错结构特征。d图为对应最表层位错胞和0.7mm深度位错墙的尺寸统计结果。
图4为实施例中块体梯度位错结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材样品自表及芯部维氏硬度分布图。作为对比，图中也加入了往复扭转变形处理前细晶结构(晶粒尺寸为46μm)的维氏硬度图。#1，#2和#3分别对应具有不同厚度的管状样品的硬度分布图。
图5为实施例中典型的中空管状Al0.1CoCrFeNi高熵合金样品。a和c分别为壁厚为0.45mm的#1样品和壁厚为1.75mm的#3样品的X-ray三维形貌。b和d分别为对应的管状样品通过中心的截面形貌。
图6为实施例中经循环扭转变形工艺处理后块体梯度位错结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金样品和对应#1-#3中空管样品单向拉伸工程应力-应变曲线。作为对比，图中也加入了具有相同化学成分但无位错结构特征的Al0.1CoCrFeNi粗晶(晶粒尺寸为560μm)和细晶(晶粒尺寸为46μm)结构的拉伸结果。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明目的是：在金属材料中引入特殊的梯度位错结构概念，并且获得了实验验证，所引入的特殊的梯度位错结构不仅能够显著提高金属材料的强度，并且保持与原始结构相当的均匀塑性和更好的断裂延伸率。
本发明的主要方案如下：
一方面，本发明的实施例提供一种棒状金属材料，其中，棒状金属材料中的平均晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料是以位错为主要变形特征的金属材料；其中，在棒状金属材料中，从表层到芯层呈现出梯度位错结构；其中，棒状金属材料的表层具有位错胞结构；其中，位错胞结构指的是：位错自组织排列成空间三维胞状形貌特征(参见如图3中的a图的蓝框所示)；棒状金属材料的亚表层具有位错墙结构；其中，位错墙结构指的是：位错自组织排列成空间二维墙状形貌特征(参见图3中的b图的蓝框所示)；棒状金属材料的芯部具有孤散位错结构；其中，孤散位错结构呈孤立的线状形貌(参见图3中的c图的蓝框所示)。
关于上述方案需要说明的是：本发明主要针对特定的金属材料(该特定材料指的是：平均晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料是以位错为主要变形特征的金属材料)，引入上述所述的“从表层到芯层呈现出梯度位错结构”。优选的，上述特定的金属材料，可以是以下的金属材料：Cu、Cu-Zn、Cu-Al、Cu合金、304不锈钢、316不锈钢、321不锈钢、不锈钢、Al0.1CoCrFeNi高熵合金等，但不限于此。
另一方面，本发明的实施例还提供了上述棒状金属材料的制备方法，主要如下：对金属棒材进行设定条件的小角度循环往复扭转变形处理，以自表及里引入梯度分布的位错结构，得到棒状金属材料；其中，所述小角度循环扭转变形处理是指：将金属棒材的一端固定，并施加力使金属棒材的另一端绕其中心轴旋转，先从初始位置顺时针旋转角度θ，再逆时针旋转角度θ回到初始位置，使金属棒材完成一次往复旋转，并作为一个循环扭转周次；接着使金属棒材再从初始位置开始进行下一次往复旋转过程，如此反复循环，直至达到所需循环扭转周次；其中，每个循环往复扭转变形处理过程中θ取固定值；
需要说明的是：为了能在上述金属棒材(晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料是以位错为主要变形特征的金属材料)中引入上述的“表层到芯层呈现出梯度位错结构”。在小角度循环往复扭转变形处理中，需满足如下条件：
所述金属棒材每次转动的角度θ即为扭转角振幅，循环扭转周次为N，金属棒材的直径为d，金属棒材的长度为L，则需满足如下条件：πθd/360°L≥0.02且πNθd/180°L≥25。在此需要说明的是：只需满足该下限即可，对于上限不进行限定，只要确保金属棒材在转动过程中以位错为变形特征，且不产生裂纹的基础上，πNθd/180°L越大，结构演化特征越好。
经过往复扭转处理后在棒状金属材料中引入自表及里梯度分布的尺度位错胞、位错墙和孤散位错结构，并且保留原始态的晶体结构。相应的，显微硬度自芯部的2.2GPa连续梯度增加至最表面的3.7GPa。
再一方面，本发明的实施例提供一种管状金属材料；其中，对上述棒状金属材料，经电腐蚀结合穿孔工艺，制备出管状金属材料。
在此，根据穿孔的大小，使得该管状金属材料中的位错结构为第一种位错结构、第二种位错结构、第三种位错结构中的任一种；其中，所述第一种位错结构包括沿着第一方向依次排布的位错胞结构、位错墙结构、孤散位错结构；其中，所述第二种位错结构包括沿着第一方向依次排布的位错胞结构、位错墙结构；其中，所述第三位错结构为位错胞结构；其中，所述第一方向为从管外壁到管内壁的方向，且所述第一方向垂直于管壁。
其中，管状金属材料：轴向长度L大于1mm，直径d大于0.5mm，壁厚大于0.2mm。
其中，管状金属材料的一种制备工艺如下：基于电火花穿孔机，利用用内外直径分别为0.2mm和0.5mm铜管电腐蚀处理棒材金属材料获得0.3～2mm孔，电腐蚀参数为脉冲电流，峰值电流0.1～20A，脉冲2～500μs，纯净水冷却，保持金属材料的温度为20℃。随后，利用慢走丝设备，对含有0.3～2mm通孔的棒材进行扩孔电火花切割处理，获得具有不同壁厚的狗骨头管材样品。
在此需要说明的是：与加工前的原始金属材料(即，金属棒材)相比，棒状金属材料的屈服强度提高2-5倍，并且其均匀塑性和断裂延伸率略低于金属棒材。管状金属材料的屈服强度提高2.6倍以上，并且其均匀塑性和金属棒材相当，而断裂延伸率明显优于金属棒材，实现了强度和塑性的良好匹配。
下面通过具体实施例对本发明进一步说明如下：
本发明以下实施例针对特定的金属棒材(平均晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料是以位错为主要变形特征的金属材料)，引入上述所述的“从表层到芯层呈现出梯度位错结构”，得到棒状金属材料；进一步将棒状金属材料制备成管状金属材料。其中，金属棒材的尺寸为轴向长度(L)大于1mm，直径(d)大于0.5mm。管状金属材料的壁厚介于0.45mm和1.75mm之间。
实施例1
本实施例对平均晶粒尺寸为46μm的单相面心立方结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材(即，原始细晶合金棒材)进行设定条件的小角度循环往复扭转变形处理，以自表及里引入梯度分布的位错结构，得到棒状金属材料。
其中，Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材的直径为4.5mm、长度为12mm、扭转角振幅20度、扭转速率为1700°/min、扭转周次为200周、扭转时间约为140秒、扭转温度为室温20℃。
在此，上述参数满足：πθd/360°L≥0.02且πNθd/180°L≥25。
在此经过结构表征及性能表征，具体如下：
(1)原始合金棒材经过往复扭转处理后，原始晶粒的形貌、尺寸取向以及原始大角晶界和孪晶界不变，但得到棒状金属材料中，自表及里引入了梯度分布的小角界面(参见图1)，即为梯度分布的位错结构，其中，表层为百纳米尺度位错胞，平均直径尺寸为200nm；亚表层(0.7mm深度)为位错墙结构，平均位错墙间距为340nm；而样品芯部主要为孤散位错结构(参见图2)。相应的，显微硬度自芯部的2.2GPa连续梯度增加至最表面的3.7GPa。
(2)参见图3所示，位错胞结构指的是：位错自组织排列成空间三维胞状形貌特征(参见如图3中的a图的方框所示)；棒状材料的亚表层具有位错墙结构；其中，位错墙结构指的是：位错自组织排列成空间二维墙状形貌特征(参见图3中的b图的方框所示)；棒状材料的芯部具有孤散位错结构；其中，孤散位错结构呈孤立的线状形貌(参见图3中的c图的方框所示)。
(3)随距离表面深度的增大，该材料中的位错组态、尺寸和密度呈现出梯度变化趋势，形成了梯度分布的位错结构(参见图2)。由于梯度位错结构的存在，随距离材料表面深度增大，棒状金属材料的的显微硬度由3.7GPa逐渐降低到2.2GPa，也呈现出梯度变化的特征，明显高于粗晶合金棒材(1.7GPa)，如图4所示。
(4)本实施例中，对得到的棒状金属材料在室温条件进行单向拉伸实验，工程应力-应变曲线如图6所示，其单向拉伸屈服强度为539MPa、抗拉强度为689MPa，约为原始细晶合金棒材的2.91倍和1.15倍；其均匀延伸率为43％，断裂延伸率71％，略低于原始细晶合金棒材。
实施例2
梯度位错结构分布由表及芯部逐渐降低的特点，为了进一步凸现高密度位错结构的力学性能优势，本实施例是对棒状金属材料(如，采用实施例1的工艺制备出的棒状金属材料)进行中心腐蚀，以去除芯部1mm直径的硬度最小的中心区域，获得壁厚为1.75mm的梯度位错结构空心管#1样品(即1#管状金属材料)，如图5的a和b所示。
随距离表面深度的增大，该管状材料中的结构和硬度特征也呈现梯度变化趋势，形成了梯度分布的位错结构(参见图2所示)。基本和实施例1相同，本实施例得到的管状金属材料的最表面仍为平均尺寸为200nm的位错胞结构，其硬度值高达3.7GPa；但其芯部或管内壁的结构特征为孤散位错，但对应更高的硬度(2.4GPa)。
本实施例中，梯度位错结构空心管#1样品在室温条件进行单向拉伸实验，工程应力-应变曲线如图6所示，其单向拉伸屈服强度为556MPa，抗拉强度为661MPa，约为原始细晶合金棒材的3.01倍和1.16倍；其均匀延伸率为46％，断裂延伸率66％。
实施例3
本实施例对棒状金属材料(如，实施例1的工艺制备出的棒状金属材料)进行中心腐蚀，以去除芯部3mm直径的硬度最小的中心区域，获得壁厚为0.75mm的梯度位错结构空心管#2样品(即2#管状金属材料)
随距离表面深度的增大，该管状材料中的结构和硬度特征也呈现梯度变化趋势，形成了梯度分布的位错结构(参见图2所示)。基本和实施例1和2相同，最表面仍为平均尺寸为200nm的位错胞结构，其硬度值高达3.7GPa；但其芯部或管内壁的结构特征为位错墙位错，但对应更高的硬度(2.9GPa)。
本实施例中，梯度位错结构空心管#2样品在室温条件进行单向拉伸实验，工程应力-应变曲线如图6所示，其单向拉伸屈服强度为604MPa，抗拉强度为735MPa，约为原始合金棒材的3.26倍和1.23倍；其均匀延伸率为58％，断裂延伸率89％。
实施例4
本实施例对棒状金属材料(如，实施例1的工艺制备出的棒状金属材料)进行中心腐蚀，以去除芯部3.6mm直径的硬度最小的中心区域，获得壁厚为0.45mm的梯度位错结构空心管#3样品(即3#管状金属材料)，参见图5中的c和d。
随距离表面深度的增大，该管状材料中的结构和硬度特征也呈现梯度变化趋势，形成了梯度分布的位错结构(参见图2所示)。基本和实施例1-3相同，最表面仍为平均尺寸为200nm的位错胞结构，其硬度值高达3.7GPa；但其芯部或管内壁的结构也是位错胞，对应的硬度为3.1GPa。
本实施例中，梯度位错结构空心管#3样品在室温条件进行单向拉伸实验，工程应力-应变曲线如图6所示，其单向拉伸屈服强度为676MPa，抗拉强度为789MPa，约为原始细晶合金棒材的3.65倍和1.32倍；其均匀延伸率为52％，断裂延伸率80％。
对比例1
普通退火态Al0.1CoCrFeNi高熵合金(平均晶粒尺寸约为46μm，如实施例1的原始细晶合金棒材)在室温下拉伸，屈服强度185MPa，抗拉强度599MPa，均匀延伸率55％，断裂延伸率65％，如图6所示。退火态Al0.1CoCrFeNi高熵合金样品(平均晶粒尺寸约为560μm，即粗晶合金棒材))在室温下拉伸，屈服强度138MPa，抗拉强度545MPa，均匀延伸率63％，断裂延伸率76％。这些结果表明：原始结构(原始细晶合金棒材、粗晶合金棒材)拥有良好的拉伸塑性，但其屈服强度和抗拉强度较低。
对比例2
香港大学T.G.Nieh和美国约翰霍普金斯大学M.W.Chen等人利用低温(-196℃)轧制结合500℃/1小时退火工艺技术制备出平均晶粒尺寸为100nm的纳米晶结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金样品。拉伸测试表明该Al0.1CoCrFeNi样品的屈服强度和抗拉强度分别高达为1540MPa和1670MPa，但均匀延伸率只有5％，断裂延伸率5％。
对比例3
美国北德克萨斯大学S.Gangireddy等人利用室温轧制技术制备出包含高密度位错的严重变形结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金样品样品。拉伸测试表明该样品的屈服强度和抗拉强度分别为750MPa和780MPa，但均匀延伸率只有4％，断裂延伸率14％。
对比例4
太原理工大学Z.H.Wang等人利用高速动态扭转技术制备出包含晶粒和孪晶尺寸梯度的梯度纳米结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金样品样品。拉伸测试表明该样品的屈服强度为590MPa，抗拉强度为730MPa，但均匀延伸率只有8.4％，断裂延伸率小于15％，严重变形金属较差的塑性严重限制了其实际应用。
对比例5
美国北德克萨斯大学K.Alagarsamy等人结合室温轧制和后续1000℃、24小时退火制备出平均晶粒尺寸为50微米的细晶Al0.1CoCrFeNi高熵合金样品样品。拉伸测试表明该样品的均匀延伸率高达50％和75％，但是其屈服强度和抗拉强度分别为210MPa和570MPa。
对比例6
对比例6为专利号为ZL201911044516.5中实施例3，对晶粒尺寸为560微米的粗晶Al0.1CoCrFeNi高熵合金样品直径为4.5mm(所涉及样品长度为25mm)、扭转角振幅15度、扭转周次为200周。根据已知参数计算πθd/360°L＝0.023，πNθd/180°L＝9.4，显然不满足本申请的形成梯度位错结果所要满足的应变条件遵循πθd/360°L≥0.02且πNθd/180°L≥25。故对比例6所制备样品的单向拉伸屈服强度(427MPa)、抗拉强度(556MPa)和断裂延伸率(7.5％)均明显低于满足本申请条件所制备的梯度位错结构的Al0.1CoCrFeNi高熵合金(并且，由于对比例6没有采用本发明的构思策略，其所制备的样品的位错结构也与本发明相差甚远)。
通过和以上结果对比发现，本发明提出的特殊梯度位错结构概念，即在不改变金属材料原始晶粒结构特征的同时，自表及里引入梯度分布的位错结构特征(位错胞、位错墙、孤散位错)。通过对金属样品施加满足设定条件的小角度循环往复扭转变形，可以实现该结构特征的可控制备，并且保留原始态的晶粒结构。经过循环往复扭转工艺处理后的金属材料的屈服强度提高1.9倍以上，并且其均匀塑性和断裂延伸率略低于原始结构。尤其是通过后续腐蚀和切割等工艺去除芯部较低位错密度区域，所获得高密度梯度位错结构管状样品的屈服强度能提高2.6倍以上，并且其均匀塑性和细晶结构相当，而断裂延伸率明显优于细晶结构，实现了强度和塑性的良好匹配。
另外，需要说明的是：本发明的上述实施例仅是Al0.1CoCrFeNi高熵合金为例进行举例说明，但不仅限于此金属材料，原则上满足“晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料是以位错为变形特征的金属材料”，均适用本发明的方案。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种棒状金属材料，其特征在于，所述棒状金属材料中的平均晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料是以位错为变形特征的金属材料；其中，在所述棒状金属材料中，从表层到芯层呈现出位错结构空间梯度分布；
所述棒状金属材料的表层具有位错胞结构；其中，所述位错胞结构指的是：位错自组织排列成空间三维胞状或网状形貌特征；
所述棒状金属材料的亚表层具有位错墙结构；其中，所述位错墙结构指的是：位错自组织排列成空间二维墙状形貌特征；
所述棒状金属材料的芯部具有孤散位错结构；其中，所述孤散位错结构呈随机、孤立的线状形貌。
2.根据权利要求1所述的棒状金属材料，其特征在于，
所述棒状金属材料的位错结构尺寸自表及里呈梯度增加趋势；和/或
所述棒状金属材料的位错密度自表及里呈梯度减小趋势；和/或
所述位错胞结构中的位错胞的壁厚为5～80nm、直径为20～700nm；和/或
所述位错墙结构中的位错墙的壁厚为10～100nm、间距为200～1000nm；和/或
在所述棒状材料的芯部，孤散位错结构的密度如下：1013～1016根/m2。
3.根据权利要求1或2所述的棒状金属材料，其特征在于，所述棒状金属材料为两端粗、中间细的狗骨头棒或等直径棒。
4.权利要求1-3任一项所述的棒状金属材料的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
对金属棒材进行设定条件的小角度循环往复扭转变形处理，以自表及里引入梯度分布的位错结构，得到所述棒状金属材料；其中，
所述小角度循环扭转变形处理是指：将金属棒材的一端固定，并施加力使金属棒材的另一端绕其中心轴旋转，先从初始位置顺时针旋转角度θ，再逆时针旋转角度θ回到初始位置，使金属棒材完成一次往复旋转，并作为一个循环扭转周次；接着使金属棒材再从初始位置开始进行下一次往复旋转过程，如此反复循环，直至达到所需循环扭转周次；其中，每个循环往复扭转变形处理过程中θ取固定值；
在所述设定条件的小角度循环往复扭转变形处理中：所述金属棒材每次转动的角度θ即为扭转角振幅、循环扭转周次为N、金属棒材的直径为d，金属棒材的长度为L、则需满足如下条件：
πθd/360°L≥0.02且πNθd/180°L≥25。
5.根据权利要求4所述的棒状金属材料的制备方法，其特征在于，所述金属棒材的长度L大于1mm、直径d大于0.5mm、扭转角振幅θ大于7.2L/πd度、循环扭转周次为N≥4500°L/πθd；
优选的，若金属棒材的长度为12mm±1mm、直径为4.5mm±1mm棒材，则扭转角振幅为20°±1°、扭转周次大于190周、扭转速率介于10～10000°/min，扭转温度为25℃±2℃。
6.根据权利要求4所述的棒状金属材料的制备方法，其特征在于，所述棒状金属材料的屈服强度为所述金属棒材的2～5倍；所述棒状金属材料的均匀塑性为所述金属棒材的0.7～1.3倍；所述棒状金属材料的断裂延伸率为所述金属棒材的0.8～1.5倍。
7.一种管状金属材料，其特征在于，所述管状金属材料中的平均晶粒尺寸大于1μm、小于200μm，且金属材料是以位错为变形特征的金属材料；其中，所述管状金属材料中的位错结构为第一种位错结构、第二种位错结构、第三种位错结构中的任一种；
其中，所述第一种位错结构包括沿着第一方向依次排布的位错胞结构、位错墙结构、孤散位错结构；
其中，所述第二种位错结构包括沿着第一方向依次排布的位错胞结构、位错墙结构；
其中，所述第三种位错结构为位错胞结构；
其中，所述第一方向为从管外壁到管内壁的方向，且所述第一方向垂直于管壁；
优选的，所述管状金属材料的轴向长度大于1mm、直径大于0.5mm，壁厚大于0.2mm；
进一步优选的，所述管状金属材料的壁厚为0.2～2.5mm。
8.权利要求7所述的管状金属材料的制备方法，其特征在于，所述管状金属材料是由权利要求1-3任一项所述的棒状金属材料制备而成。
9.根据权利要求8所述的管状金属材料的制备方法，其特征在于，利用电腐蚀结合穿孔工艺，将所述棒状金属材料制成管状金属材料；
优选的，基于电火花穿孔机，利用铜管电腐蚀处理所述棒状金属材料，在棒状金属材料中获得第一直径的通孔；然后，进行扩孔电火花切割处理，得到具有设定壁厚的管状金属材料；
进一步优选的，第一壁厚为0.3～2mm；
进一步优选的，电腐蚀处理参数如下：选用脉冲电流，峰值电流为0.1～20A，脉冲为2～500μs，选用水冷却，保持金属材料的温度为20℃±2℃。
10.根据权利要求9所述的管状金属材料的制备方法，其特征在于，所述棒状金属材料是由以下方法制备而成：对金属棒材进行设定条件的小角度循环往复扭转变形处理，以自表及里引入梯度分布的位错结构，得到棒状金属材料；
其中，所述管状金属材料的屈服强度为金属棒材的2～5倍；
其中，所述管状金属材料的均匀塑性为所述金属棒材的0.7～1.3倍；
所述管状金属材料的断裂延伸率为所述金属棒材的0.8～1.5倍。
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