[发明专利]一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝基复合材料，特指一种提高铝基复合材料塑性变形能力的光磁耦合方法，属新材料制备技术领域。 

背景技术

金属塑性加工是以材料高塑性为前提并在外力作用下进行的，从金属塑性加工的角度出发，具有高塑性变形能力将是材料的重要优势之一；但众所周知，对于金属材料，高强度和低塑性往往是伴生的，在实际生产中往往需要对 “高强度、低塑性”材料进行塑性变形加工，目的在于改善制品尺寸或提高材料综合性能，因此探索一条行之有效的提高此类材料塑性变形能力的途径是非常迫切的；在备受关注的高性能铝材研究和应用领域中，在铝基复合材料出现之前，对铝材的研发和应用主要集中在不同系列铝合金方面，强化机制主要涉及固溶强化、析出相强化、细晶强化等方面，材料的强韧性和弹性模量在较长时间内停留在一个不太高的极值水平；近十余年来国家各主要支撑行业如轨道交通、军事国防的迅速发展对轻质高强韧铝材提出了迫切需求，在此应用背景下铝基复合材料应运而生，其中原位内生颗粒增强铝基复合材料满足了研发新材料新工艺必备的“高性能、高效率、低成本、低污染”的外在和内在需求，且日渐受到关注；从组织特征上看，内生颗粒尺寸细小且容易控制，基体与颗粒界面结合良好，无副产物生成，材料具有综合优异的使用性能，包括高比强度、高比刚度、高比模量、高耐磨、高耐腐蚀、低热膨胀（尺寸稳定性好）等，在轨道交通、航空航天、军事装备、电子器件等领域有着广泛应用前景；但研究同时也发现：因为硬质颗粒的存在弱化了材料塑性变形能力，复合材料的延展性远不及基体材料，较大程度上限制了复合材料在更广度和更深度层面的使用，因此亟待寻找一条能提高复合材料塑性变形能力的有效途径以弥补其塑性变形能力差之关键缺陷。 

目前来看，与材料高塑性变形能力直接相关的研究是超塑性材料，使金属具备超塑性的方法主要是使其发生特定的组织变性并获得晶粒直径10μm以下的稳定等轴超细晶粒；常采用剧烈变形方法通过大应变实现基体晶粒纳米化和超塑性（专利：CN200810230081.9一种细晶超塑性耐热镁合金制备方法；专利CN200710011887.4一种短流程细晶超塑性材料制备方法；专利CN200910183585.4基于多对轮轧制和等通道转角挤压的金属材料大应变加工方法），控制并优化超塑性变形时的温度、应变速率、加热方式等使金属更易获得超塑性；但对几个专利的分析可知：通过剧烈变形实现晶粒纳米化和超塑性的方法只适合于延展性好的合金，比如变形铝、镁和钛合金等，换句话说：通过晶粒纳米化实现塑性提高或者超塑性的途径只适合某些高塑性金属材料；并且在剧烈变形过程中材料尺寸变形、组织变形和残余应力都很大，对于有特殊要求的构件并不适合；因此针对此类构件探索一条“高性能、高效率、低成本、低污染”的加工途径非常有必要。 

理论分析表明：塑性变形的本质是位错缺陷的运动，而位错缺陷的实质具有电子特征，能影响电子行为的外场就能影响位错行为和运动性，进而影响材料的塑性变形特征及规律；在诸多物理场中光照能激发电子，电子的衰弱导致了电离、光化学反应、原子在晶格中的迁移等，进而影响位错运动；磁场（主要是≤30T的磁场）能诱发材料内部的磁敏感位错钉扎中心，进而影响位错运动。 

实验研究表明：在光照和磁场共同作用下，对金属材料进行固态处理时，在处理后组织中观察到位错的大量增殖和位错运动痕迹，并发现了层错和形变孪晶等多数在剧烈变形条件下才会出现的塑性变形特征，同时试样仍保留着原有的形状和尺寸，说明材料内部发生了实质性的塑性变形但外观尺寸上仍保持着原有特征，属于微塑性变形范畴，并将该现象定义为“光磁致塑性变形”，是一个重要的研究发现；进一步进行理论分析认为：根据公式λf=c（λ是波长，f是频率，c是光速3.4×10⁸m/s，当光照频率超过临界频率时（1.035×10¹⁵/s）或波长小于临界波长（329nm）时，一定强度的光子能激发电子离开原子核的束缚，并形成电子流，电子流运动后嵌入位错沟壑并在磁场中受力，其在位错中间的运动引发了位错运动，此时对应较高的光子能量，位错运动所需要的磁场强度较小；而当光子能量较小时，电子只能发生跃迁，偏离原有轨道，形成一个附加磁矩，附加磁矩在磁场中受力运动，进而诱发位错运动，此时对应较低的光子能量，位错运动所需要的磁场强度较高；特别发现，在铝材（包括铝、铝合金和铝基复合材料等）中，当颗粒相和析出相体积分数高时，“光磁耦合塑性变形”效果越明显，本发明即是基于此效应，提出一种提高铝基复合材料塑性变形能力的新方法。 

发明内容