超细晶金属材料制备方法论文
【摘要】将普通钢材晶粒细化来制备超细晶金属材料，可在保持充分金属材料原有的成形质量的同时，使普通钢材获得良好的综合性能，从而代替昂贵的合金材料。在当前资源紧缺、环境污染日益严重的背景下，该技术的发展对我国制造业具有重要意义。
【关键词】强旋；热处理；超细晶；金属材料
随着现代工业和科学的飞速发展，要求金属材料在保持原有成像质量的同时，还要具备更高的力学性能。将普通钢材晶粒细化来制备超细晶金属材料即可实现上述功能，进而取代较为昂贵的合金材料。在资源紧缺、环境污染日益严重的背景下，该技术减少了对昂贵金属的消耗、提升了材料利用率及性能，优化了尺寸公差及形位公差，对我国制造业，尤其是汽车制造业具有重要意义。
1制备超细晶金属材料主要方法
剧烈塑性变形是制备超细晶金属材料的主要方法，其主要包括高压扭转、等径角挤压、多向锻造及累计叠轧。其目的为将晶粒尺寸剪切至小于1000nm，从而获得超细晶金属材料。高压扭转制备法是20世纪50年代由OArahao提出，并进行了相关实验和理论研究。俄罗斯Valiev在实验室条件下加工Ni-Ti的平均晶粒尺寸可细化到100nm。我国在实验室条件加工纯钼、纯钛以及铝合金的平均晶粒尺寸分别可细化到200nm、120nm及100nm。等径角挤压制备法是20世纪80年代由Segal提出。日本Aoli在实验室条件下加工Al、Mg、Cu、Ti等有色金属平均晶粒尺寸可细化到200-300nm。我国在实验室条件下加工铝合金平均晶粒尺寸可细化到300-600nm。多向锻造制备法是20世纪90年代由Salishchev提出。Sal-ishchev在实验室条件下加工TiAl及Ti-6Al-3.2Mo平均晶粒尺寸分别可细化到100nm和60nm。累计叠轧制备法是1999年由Saito提出。Chen等人在实验室条件下加工Al及Mg平均晶粒尺寸分别可细化到875nm和656nm。Yu等人在实验室条件下加工Al平均晶粒尺寸可细化到380nm。强力旋压法制备超细晶是目前发展较快的超细晶制备方法。现代的加工方法将旋压加工开始与热处理相结合形成复合成形工艺，其加工方法如图1所示。2013年华南理工大学夏琴香等提出采用对轮强力旋压与再结晶退火相结合的方法来制备具有纳米超细晶结构的筒形件[1-8]。其研究的技术路线如图2所示。采用强力旋压及热处理相结合的方法制备筒形超细晶金属材料，通过仿真模拟、神经网络与遗传算法来实现工艺参数优化，从而揭示制备筒形超细晶金属材料的变形机理。探索超细晶金属材料生成条件，以及其微观组织与力学性能及耐腐蚀性能之间的'关系，对实现超细晶金属材料的低成本、高效、高精度生产，以及促进超细晶金属材料制备技术发展和完善具有重大科学意义。其具体工艺路线如图3所示。常见旋压制品如图4所示。
2超细晶金属制备研究中所需解决的关键问题
（1）强力旋压法制备超细晶金属仿真模拟研究利用有限元软件对旋压过程进行数值模拟，通过仿真模型确定旋压工艺参数对成形质量的影响趋势，了解旋压制品的应力应变情况，从而探索出超细晶的晶粒细化机理。
（2）强力旋压法制备超细晶金属成形试验研究通过淬火、强力旋压、再结晶退火、再强力旋压的方法，在小应变条件下制备超细晶金属。以仿真为依据合理设置旋压道次、旋轮进给比等旋压工艺参数，通过旋压试验总结典型缺陷，优化旋压工艺参数。
（3）强力旋压法制备超细晶金属微观组织演变规律研究研究超细晶金属制备过程中晶粒尺寸、形态等演变特征，揭示微观组织演变规律，从而明确超细晶金属的生成条件。
（4）超细晶金属塑性变形机理及力学性能研究通过对金相组织、微观组织表征数据分析，利用力学性能试验，研究超细晶金属的屈服强度、抗拉强度、延伸率及硬度，并结合微观组织特征，对耐腐蚀性进行分析。
3总结
在汽车制造、建筑的超高层化、大跨度桥梁、超临界发电机组、大型舰船、海洋设施、高强工程机械、高速铁路等多领域中，对金属材料要求均较高，数据显示每年由于金属失效造成的损失约占国民经济总产值的3%。因此超细晶金属材料存在巨大需求。在汽车制造业中，皮带轮、排气管、CVJ罩、离合器、催化转化器、传动轴、消音器、减震器、轮毂等部件均可使用超细晶金属材料来改善其性能。我国20XX年乘用车销量超过2400万辆，超细晶金属材料的应用前景巨大。
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