1.本发明属于异质结构金属材料制备技术领域，具体涉及一种周期可调的多级异质结构的金属材料及其制备方法。
背景技术：
2.微观异构调控是近年来兴起的一种金属材料设计理念。该设计理念在宏观微观不同尺度调控成分单元之间的力学不相容性，以促进荷载条件下成分单元之间的交互约束作用，从而能够同时激发异质单元的力学性能，使材料整体表现出高强韧性能。在异质结构中，粗细晶相互作用产生的背应力极大程度地提高了软区域的应变硬化能力，大幅度提高软区域的强度，以承担更高的施加应力，并且促进硬区域的变形能力。其组织在微观尺度上表现为异质，而在宏观上仍为均匀，与均质材料相比，异质结构材料具有明显的强塑均衡优势。
3.目前不同研究者都在试图利用各种方法制备异构材料，比如层状材料，梯度材料和双/多模态材料等，以上三种结构都具有各自的特点和优势，能均衡合金强塑性是其共性。但是制备所用方法普遍存在诸多问题，比如层状材料的制备中固-固相复合工艺，要依赖较强的界面冶金结合强度并且要有高真空高纯净环境设备防止界面氧化层或污染而导致的界面缺陷等问题。梯度材料的制备是以材料表层和芯部位置产生较大差异的塑性变形为前提，严重依赖特殊的制备设备，如表面机械研磨和表面激光冲击等，而且目前不同工艺难以制备大尺寸的块体梯度材料。多模态材料的制备较多依赖等通道挤压和高压扭转等特殊大变形设备、并对变形和退火工艺极为敏感，难以做到组织的精准控制。而且目前的异构材料普遍具有单一的层状或梯度或多模态晶粒，未将多种结构集成在同种材料中，不能有效激发其潜在的塑性变形和强化机制，而进一步优化力学性能。
技术实现要素：
4.针对上述现有技术中的不足，提供一种周期可调的多级异质结构的金属材料及其制备方法，将层状、梯度和多模态晶粒组织以同一工艺同时集成在同一块体材料的普适制备方法，并且可以制备较大尺寸的周期性的多级异构块体材料，进一步提升材料力学性能。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，包括以下步骤：
7.s1、在金属板材的上下表面均设置有u型贯穿槽，并且两个u型贯穿槽对称设置；
8.s2、对步骤s1加工的金属板材进行预处理；
9.s3、将步骤s2预处理后的金属板材沿u型槽的深度方向进行冷轧，冷轧变形量为55～75％；
10.s4、将步骤s3冷轧后的金属材料进行完全再结晶退火热处理，再进行表面后处理得到层状多级异质结构金属材料。
11.优选的，所述u型贯穿槽的深度f与金属板材厚度b的比例为1:3，u型贯穿槽的开口
宽度e与深度f的比例为1:3，u型贯穿槽底部的弧面半径为开口宽度e的1/2，金属材料宽度a与u型贯穿槽的开口宽度e的比例为3:1。
12.优选的，步骤1中所述金属材料的上下表面均间隔设置多个u型贯穿槽。
13.优选的，所述相邻两个u型贯穿槽边缘之间的间距与u型贯穿槽的开口宽度的比例为1:1。
14.优选的，步骤2中所述预处理的方法如下：
15.首先对金属材料的表面进行打磨，然后采用酒精清洗。
16.优选的，步骤4中所述热处理的温度为1000～1100℃，时间为10～60min。
17.一种周期可调的层状多级异质结构金属材料，所述u型槽区域的组织为粗晶，u型槽外部区域的组织为细晶，u型槽底部圆弧处的组织晶粒尺寸呈梯度分布。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
19.本发明公开了一种周期可调的多级异质结构金属材料的制备方法，通过在合金板上下面加工u型槽使开槽与未开槽区域在轧制变形过程中产生不同程度的塑性变形，随后退火时两个区域的再结晶驱动力产生显著差异从而产生尺寸差异较大的晶粒。并且u型槽的渡圆角处可防止冷轧过程槽底部的应力集中而开裂，并且过渡圆角处具有应变梯度，退火时产生尺寸呈梯度分布的晶粒。另外，层数调制周期和每一周期的特征尺寸可根据具体材料尺寸和实际需求而灵活变化。本制备方法简单可行，无需特殊加工热处理设备，可实现层状、梯度和多模态晶粒组织以同一工艺同时集成在同一块体材料上，具有良好的普适性和经济性。
附图说明
20.图1为本发明多级异质结构材料制备流程示意图(单个周期)；
21.图2为本发明多级异质结构材料的不同位置组织图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
23.一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，包括以下步骤：
24.s1、沿金属材料的轴向在其上下表面均设置至少一个u型贯穿槽，并且两个u型贯穿槽对称设置；
25.所述u型贯穿槽的深度f与金属材料高度b的比例为1:3，u型贯穿槽的开口宽度e与深度f的比例为1:3，u型贯穿槽底部的弧面半径为其开口宽度e的1/2，金属材料宽度a与u型贯穿槽的开口宽度e的比例为3:1。
26.在另一实施例中，金属材料的上下表面均间隔设置多个u型贯穿槽，相邻两个u型贯穿槽边缘间距与u型贯穿槽的开口宽度的比例为1:1。
27.具体的，u型贯穿槽的开口尺寸为2～6mm。槽口相反的两个u型槽深度相同都为2～6mm，相邻u型槽边缘间距为2～6mm，上下表面的两个u型槽底端的距离为2～6mm。
28.s2、对步骤s1加工的金属材料进行预处理，用钢丝刷和砂纸对u型槽进行打磨，最后用酒精清洗然后表明面擦洗干净；
29.s3、将步骤s2预处理后的金属材料沿u型槽的深度方向进行冷轧，冷轧变形量为55～75％；
30.s4、将步骤s3冷轧后的金属材料进行完全再结晶退火热处理，再将表面磨平得到层状多级异质结构金属材料。
31.热处理的温度为1000～1100℃，时间为10～60min。
32.上述制备方法得到的层状多级异质结构金属材料，经过冷轧处理后u型槽处变形量相对较小，而未开槽处变形量较大；通过再结晶退火后变形量较小处形成粗晶，而变形量较大处形成细晶；冷轧后，u型槽过渡圆弧处是变形量大小呈梯度分布，导致退火后圆弧处晶粒尺寸呈梯度分布；
33.u型槽为单个或多个以调制不同层数周期，层数周期可根据实际要求的板材宽度、u型槽开口尺寸和u型槽间距而定；该层状多级异质结构金属材料在晶粒水平具有三级异构的特点，即梯度结构、层状结构和双模态晶粒结构，并且是周期性分布。
34.实施例1
35.一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，包括以下步骤：
36.s1、通过切割加工的方式，沿金属板材的轴向在其上下表面均加工两个u型贯穿槽；
37.u型槽开口尺寸为2mm，相邻u型槽边缘间距为2mm，上下表面的u型槽深度相同，都为2mm，上下对称的两个u型槽底部之间的距离为2mm。圆角半径为1mm。
38.s2、对步骤s1加工的板材进行预处理，用钢丝刷和砂纸对u型槽进行打磨，最后用酒精清洗然后表明面擦洗干净；
39.s3、将步骤s2预处理后的金属材料沿u型槽的深度方向进行冷轧，冷轧变形量为55％；
40.s4、将步骤s3冷轧后的板材进行完全再结晶退火热处理，加热处理的温度为1000℃，时间为60min，再将表面磨平得到层状多级异质结构金属材料。
41.实施例2
42.一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，包括以下步骤：
43.s1、通过切割加工的方式，沿金属板材的轴向在其上下表面均加工三个间隔设置的u型贯穿槽；
44.u型槽开口尺寸为4mm，相邻u型槽边缘间距为4mm，上下表面的u型槽深度相同，都为4mm，上下对称的两个u型槽底部之间的距离为4mm。圆角半径为2mm。
45.s2、对步骤s1加工的板材进行预处理，用钢丝刷和砂纸对u型槽进行打磨，最后用酒精清洗然后表明面擦洗干净；
46.s3、将步骤s2预处理后的金属材料沿u型槽的深度方向进行冷轧，冷轧变形量为65％；
47.s4、将步骤s3冷轧后的板材进行完全再结晶退火热处理，加热处理的温度为1050℃，时间为30min，再将表面磨平得到层状多级异质结构金属材料。
48.实施例3
49.一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，包括以下步骤：
50.s1、通过切割加工的方式，沿金属板材的轴向在其上下表面均加工五个间隔设置
的u型贯穿槽；
51.u型槽开口尺寸为6mm，相邻u型槽边缘间距为6mm，上下表面的u型槽深度相同，都为6mm，上下对称的两个u型槽底部之间的距离为4mm。圆角半径为3mm。
52.s2、对步骤s1加工的板材进行预处理，用钢丝刷和砂纸对u型槽进行打磨，最后用酒精清洗然后表明面擦洗干净；
53.s3、将步骤s2预处理后的金属材料沿u型槽的深度方向进行冷轧，冷轧变形量为75％；
54.s4、将步骤s3冷轧后的板材进行完全再结晶退火热处理，加热处理的温度为1100℃，时间为10min，再将表面磨平得到层状多级异质结构金属材料。
55.实施例4
56.一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，包括以下步骤：
57.s1、通过切割加工的方式，沿金属板材的轴向在其上下表面均加工一个u型贯穿槽；
58.u型槽开口尺寸为2mm，上下表面的u型槽深度相同，都为2mm，上下对称的两个u型槽底部之间的距离为2mm。圆角半径为1mm。
59.s2、对步骤s1加工的板材进行预处理，用钢丝刷和砂纸对u型槽进行打磨，最后用酒精清洗然后表明面擦洗干净；
60.s3、将步骤s2预处理后的金属材料沿u型槽的深度方向进行冷轧，冷轧变形量为60％；
61.s4、将步骤s3冷轧后的板材进行完全再结晶退火热处理，加热处理的温度为1100℃，时间为60min，再将表面磨平得到层状多级异质结构金属材料。
62.图1为本发明多级异质结构材料制备流程示意图，截面图中大写字母为各个位置的特征尺寸(单个周期)；
63.图2为本发明实施例1中制备的多级异质结构面心结构高熵合金的不同位置组织图。
64.本发明公开了一种周期可调的多级异质结构金属材料的制备方法。通过在合金板上下面加工u型槽使开槽与未开槽区域在轧制变形过程中产生不同程度的塑性变形，随后退火时两个区域的再结晶驱动力产生显著差异从而产生尺寸差异较大的晶粒。并且u型槽的渡圆角处可防止冷轧过程槽底部的应力集中而开裂，并且过渡圆角处具有应变梯度，退火时产生尺寸呈梯度分布的晶粒。另外，层数调制周期和每一周期的特征尺寸(如粗、细晶层的厚度可通过控制槽口尺寸和槽间距而调控)可根据具体材料尺寸和实际需求而灵活变化。本制备方法简单可行，无需特殊加工热处理设备，可实现层状、梯度和多模态晶粒组织以同一工艺同时集成在同一块体材料上，具有良好的普适性和经济性，本制备方法具有极大的工程应用前景。
65.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。技术特征：
1.一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、在金属板材的上下表面均设置有u型贯穿槽，并且两个u型贯穿槽对称设置；s2、对步骤s1加工的金属板材进行预处理；s3、将步骤s2预处理后的金属板材沿u型槽的深度方向进行冷轧，冷轧变形量为55～75％；s4、将步骤s3冷轧后的金属材料进行完全再结晶退火热处理，再进行表面后处理得到层状多级异质结构金属材料。2.根据权利要求1所述的一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，其特征在于，所述u型贯穿槽的深度f与金属板材厚度b的比例为1:3，u型贯穿槽的开口宽度e与深度f的比例为1:3，u型贯穿槽底部的弧面半径为开口宽度e的1/2，金属材料宽度a与u型贯穿槽的开口宽度e的比例为3:1。3.根据权利要求1所述的一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述金属材料的上下表面均间隔设置多个u型贯穿槽。4.根据权利要求2所述的一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，其特征在于，所述相邻两个u型贯穿槽边缘之间的间距与u型贯穿槽的开口宽度的比例为1:1。5.根据权利要求1所述的一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，其特征在于，步骤2中所述预处理的方法如下：首先对金属材料的表面进行打磨，然后采用酒精清洗。6.根据权利要求1所述的一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法，其特征在于，步骤4中所述热处理的温度为1000～1100℃，时间为10～60min。7.一种权利要求1-6任一项所述的一种周期可调的层状多级异质结构金属材料的制备方法制备的层状多级异质结构金属材料，其特征在于，所述u型槽区域的组织为粗晶，u型槽外部区域的组织为细晶，u型槽底部圆弧处的组织晶粒尺寸呈梯度分布。
技术总结
本发明公开了一种周期可调的层状多级异质结构金属材料及其制备方法，通过在合金板上下面加工U型槽使开槽与未开槽区域在轧制变形过程中产生不同程度的塑性变形，随后退火时两个区域的再结晶驱动力产生显著差异从而产生尺寸差异较大的晶粒。并且U型槽的渡圆角处可防止冷轧过程槽底部的应力集中而开裂，并且过渡圆角处具有应变梯度，退火时产生尺寸呈梯度分布的晶粒。另外，层数调制周期和每一周期的特征尺寸可根据具体材料尺寸和实际需求而灵活变化。本制备方法简单可行，无需特殊加工热处理设备，可实现层状、梯度和多模态晶粒组织以同一工艺同时集成在同一块体材料上，具有良好的普适性和经济性，本制备方法具有极大的工程应用前景。程应用前景。程应用前景。
技术研发人员：张金钰 张东东 刘刚 孙军
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.09.29
技术公布日：2022/1/21
声明：
“周期可调的层状多级异质结构金属材料及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：北方有色网
来源：西安交通大学
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