[发明专利]一种高强韧性微/纳米层状金属材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强韧性微/纳米层状金属材料及其制备方法。该材料由软质微米晶和硬质纳米晶单元层交替构成，层界面达到原子程度结合且层内连续。该材料通过跨界面软/硬交互约束作用抑制了硬质层过早应变局部化趋势并激发其持久的均匀承载机制，同时具有硬质层的强度和软质层的延塑性。其制备方法包括以下步骤：依次累积热轧、液氮冷轧异质叠层板；循环进行部分再结晶退火和轧制减薄至目标单元层厚；再进行部分再结晶退火。本发明克服了传统严重塑性变形所制备块体细晶材料低塑性的本征缺点，以及传统累积叠轧工艺所制备层状材料因界面结合强度低、硬质层优先颈缩断裂而力学性能低的缺点。

技术领域

本发明涉及高强韧性材料结构制备领域，具体涉及一种高强韧性微/纳米层状金属材料及其制备方法。

背景技术

高强度和高韧性材料几乎是对所有结构材料的力学性能要求。但是，对于绝大多数金属材料而言，强度和韧性总是互斥的。一般情况下，粗晶结构材料能保证较好的延塑性能，但其强度偏低。晶粒细化作为最典型的金属材料强化手段，能提供较高的强度，但大量的晶体缺陷结构促使构件在变形承载过程中过早的发生应力集中和应变局部化并由此诱发突发性的失效破坏。比如，等通道转角挤压、高压扭转、低温累积叠轧等大塑性变形方法，通过位错增殖、运动、湮灭、重组使晶粒细化致超细或纳米尺寸，可有效地制备高强度的金属大块体，但有限的晶体缺陷容纳、储存能力严重限制了后续的加工硬化和均匀塑性。

从强韧性角度而言，理想的金属材料微观结构应当：(1)能有效的阻碍位错、层错等晶体缺陷结构长程运动；(2)具有足够的晶体缺陷容纳、存储能力；(3)不存在微裂纹、微孔洞等应力或应变奇异点。虽然电沉积、物理气相沉积等方法能制备很干净的再结晶态纳米晶或超细晶结构，但此类方法仍然存在致密度低、难呈大块体、成本高、效率低等不宜工程实际应用的困难。高密度的孪晶结构、变形诱导孪生、相变诱导塑性等变形机理有利于结构材料的强韧性能，但这些机理都不具有普适性且往往只适用于特定属性的材料，比如高层错能材料中很难制备高密度孪晶结构，相变诱导塑性只适于部分多相钢。寻找具有普适性的强韧化结构设计方法并开发适于工程实际应用的制备工艺仍是科研、技术工程界的难题，也是本发明旨在解决的问题。

截至目前，累积叠轧法被视为是最具大规模实际工程应用潜力的高性能材料制备方法。该方法及其所制备材料的优点在于：(1)其大塑性变形工艺过程结合低温环境可以有效的细化晶粒尺寸，制备有高密度晶格缺陷的致密大块体高强材料；(2)将具有不同材料属性和力学、物理性能的异质板材叠轧粘合，可以获得兼具各单元层力学、物理性能的层状复合板材； (3)层间界面的特殊粘合结构可以激发单元层都不具备的特殊物理性能，比如，铜/铌叠层复合材料的因界面可以容纳大量的辐照空位和间隙而表现出很好的抗辐照损伤性能(Design of Radiation Tolerant Materials Via Interface Engineering,AdvanceMaterials,2013； 25:6975-6979)，因而该材料可以用作辐照环境下的结构材料。但是，对于高力学性能的复合层状材料，该方法仍然面临一系列问题：(1)均匀分布的大塑性变形将材料细化成晶体缺陷饱和的纳米晶(或超细晶)结构，后续承载过程中均匀塑性极低；(2)伴随剧烈塑性应变连续积累，局部剪切易于造成硬质层大幅度颈缩、断裂，不连续的单元层结构大幅度降低材料的强韧性能(Accumulative roll bonding of multilayered Cu/Zn/Al:an evaluation of microstructure and mechanical properties，MaterialsScience&Engineering A,2013，579：99-107)；(3)界面结合强度不够高，变形过程中容易因脱层而丧失层间交互约束作用。

严重塑性变形方法所制备纳米晶(超细晶)材料的低塑性承载特征及累积叠轧技术所面临的问题，严重限制了它们于工程实际的应用并影响结构安全设计。因此，新型强韧化结构和低成本的制备工艺已成为迫切之需。

发明内容