一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构制造技术

技术编号:19628779 阅读:32 留言:0更新日期:2018-12-01 11:00
本发明专利技术公开了一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,属于金属材料疲劳性能强化技术领域。具体是通过施加表面塑性加工,在金属材料表面引入一种梯度纳米结构,其微观组织为最表层的纳米晶结构、亚表层的超细晶/变形孪晶结构和芯部原始粗晶结构。其中,梯度纳米结构层整体厚度大于50微米,介于50和300微米之间。与相同成分的均匀粗晶结构相比,具有表层梯度纳米结构的纯Cu样品的应力控制高周疲劳极限提高2倍,高周疲劳寿命提高15倍以上;并且应变控制低周疲劳寿命较普通粗晶样品提高1倍。本发明专利技术获得的表层梯度纳米结构金属材料同时改善金属材料的高周和低周疲劳性能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构
本专利技术涉及金属材料疲劳性能强化
,具体涉及一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构。
技术介绍
实际应用中金属工程构件大多在交变载荷(应力幅远小于材料屈服强度)下服役,即处于高周疲劳阶段(疲劳寿命高于104周次),而工程构件局部如孔或缺口位置或者截面形状不断变化的轴类和连杆类零件由于应力/应变集中却处于低周疲劳阶段(疲劳寿命小于104周次)。统计表明,约90%失效破坏事故由疲劳失效占所有,造成巨大社会经济损失和大量人身伤亡。因此同时具有优异高周与低周疲劳性能对保证工程构件的安全服役至关重要。研究表明,金属材料的应力控制高周疲劳性能(如疲劳极限)主要取决于其强度:强度提高,疲劳裂纹萌生阻力增加,疲劳极限提高。应变控制低周疲劳性能(如疲劳寿命)主要与材料塑性相关。塑性越好,可累计更大塑性变形,且降低疲劳裂纹扩展速率,有利于低周疲劳寿命提高。但是金属材料的强度和塑性往往具有明显“倒置”关系,高强度和良好塑性很难同时兼得。例如,目前工程金属材料多为粗晶结构,塑性好,但强度低,具有优异的低周疲劳寿命,但高周疲劳性能较差。由于近年来日趋加剧的能源消耗和环境污染,工程机械不断向高速重载、节能环保方向发展,这对金属材料的疲劳性能和安全可靠性提出愈来愈高的要求。而传统工程用粗晶金属较低的强度和高周疲劳性能严重限制了其在更苛刻工况环境下的应用。在不改变材料成分的前提下,将多晶体材料的晶粒尺寸细化至纳米量级可以大幅度提高其强度和硬度,但并不能保证其抗疲劳性能的提高。实验结果表明,具有超细晶结构(晶粒尺寸在亚微米量级)的纯Cu样品,其应力控制的高周疲劳性能优于粗晶样品而应变控制的低周疲劳疲劳寿命却显著低于粗晶材料,并且发生连续循环软化。对于纳米晶粒结构纯Ni样品,在应力控制的疲劳实验中其裂纹扩展阻力明显低于超细晶结构样品,表明当晶粒细化至纳米尺度时,其抗疲劳性能明显恶化。传统粗晶和纳米结构金属的高周疲劳性能与低周疲劳性能之间不可调和的“倒置”关系已经成为制约金属构件安全服役的关键瓶颈问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中均匀结构金属材料的高周和低周疲劳性能倒置问题,本专利技术的目的是提供一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,该种结构通过表面纳米晶抑制疲劳裂纹萌生和芯部粗晶抑制裂纹扩展,同时具有优异的高周和低周疲劳性能。为实现上述目的,本专利技术所采用的技术方案如下:一种具有优异高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,对金属材料进行表面机械处理,使其表层粗晶产生塑性变形并形成梯度纳米结构:所形成的梯度纳米结构使金属材料的高周和低周疲劳性同步提高,梯度纳米结构的厚度大于50微米。所述金属材料经表面机械处理后,表面为纳米晶,芯部为原始粗晶,表面与芯部之间的过渡区域为变形结构(超细晶/变形孪晶结构),金属材料晶粒尺寸由最表面的纳米尺度梯度过渡为芯部微米尺度。所述金属材料为铜或304不锈钢;在垂直于金属材料表面方向上,该梯度纳米结构的显微硬度由外至内呈现出由高到低的连续梯度变化。所述梯度纳米结构的厚度(纳米晶层+变形结构层)为50微米-300微米。采用表面机械处理系统对金属材料进行表面塑性变形,所述表面机械处理系统包括处理刀具和冷却系统,刀具的刀头部分为硬质合金球,所述硬质合金球为WC-Co合金材质,硬质合金球的直径为4-10mm。对于纯铜样品,处理过程采用液氮气氛冷却,以减小处理过程中样品表面的温升。对于低层错能合金如304不锈钢,表面机械处理过程不需要冷却。所述表面机械处理的过程为:金属材料回转件沿自身轴向旋转,处理刀具的硬质合金球与金属材料表面接触并压入一定深度,然后沿金属材料回转件表面从工件的一端运动到另一端,完成一个道次处理;重复上述过程若干道次后,在金属材料表面形成梯度纳米结构层;所述表面机械处理的过程中,金属材料回转件的转速为200-800r/min,处理刀具沿金属材料回转件轴向的进给速度为40-80mm/min,每个处理道次中硬质合金球刀头在材料表面的压入深度为20-60μm,加工道次为1-12。所述的梯度纳米结构纯Cu样品具有如下性质:室温条件下拉伸,其屈服强度达到均匀粗晶材料的两倍,均匀延伸率与粗晶态材料相同;应力控制高周疲劳寿命为粗晶材料的15倍以上;应变控制低周疲劳寿命为粗晶材料的2倍,循环变形过程中不出现循环软化。本专利技术具有如下优点:1、在循环载荷作用下,疲劳裂纹通常萌生于样品表面,本专利技术将样品表面层结构细化到纳米尺寸,而芯部保持粗晶结构,晶粒尺寸由表及里呈梯度变化,则表层纳米晶层由于其高强度可有效阻止疲劳裂纹的萌生,而芯部的粗晶结构由于其高塑性可阻碍裂纹扩展,两种机制的共同作用可同时阻碍疲劳裂纹的萌生和扩展。因此,本专利技术通过改变金属材料的三维微观结构,制备的表层梯度纳米结构实现了金属材料的高周和低周疲劳性能的同步优化。2、本专利技术提出通过表面塑性变形的方法,制备出具有表层梯度纳米结构金属,其微观结构包含纳米晶层、超细晶层、变形粗晶层和芯部粗晶结构,其晶粒尺寸和微观硬度在距离表面深度方向梯度变化,不同于传统方法制备的均匀结构材料。其中表层梯度纳米结构层的厚度大于50微米、小于300微米。3、现有技术中一般通过增加变形层的厚度以提高金属材料综合性能,本专利技术在试验过程中,结合基材的特点并优化表面机械处理过程中的各项参数以及刀具参数等,使得在制备出较薄的变形层时,仍然能够实现兼顾材料的综合性能。4、本专利技术提出的具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构已经在纯铜材料中得到实现。在应力控制条件下,表层梯度纳米结构Cu的高周疲劳寿命为粗晶Cu疲劳寿命的15倍以上;在应变控制条件下,其低周疲劳寿命约为粗晶铜疲劳寿命的2倍。梯度纳米结构可使材料高周和低周疲劳性能同步改善。5、本专利技术应用范围广:本专利技术涉及具有优异的高周和低周综合疲劳性能的表层梯度纳米结构,仅需要施加简单的表面机械变形便可获得。通过改进传统的车床、喷丸或喷砂设备,便可用于在疲劳载荷下服役的传动轴类、齿轮类、承力梁等工件表面引入梯度纳米结构。通过改变表面机械变形工艺,可灵活控制梯度结构中的晶粒尺寸、梯度纳米结构层厚度等,从而获得具有不同高周和低周综合疲劳性能匹配的梯度纳米结构金属,以满足工件服役要求,对于机械设备轻量化和节能减排具有重要的意义。附图说明图1为实施例1中,沿与表面垂直方向,表层梯度纳米结构Cu#1样品微观结构扫描和透射电子显微图片。图2为实施例2中,沿与表面垂直方向,表层梯度纳米结构Cu#2样品微观结构扫描和透射电子显微图片。图3为实施例1和2中,表层梯度纳米结构Cu#1和#2样品微观硬度随距离表面的深度的分布。图4为实施例1和2中,表层梯度纳米结构Cu#1和#2及粗晶Cu单向拉伸工程应力-应变曲线。图5为实施例1和2中,表层梯度纳米结构Cu#1和#2及粗晶Cu高周疲劳应力幅-疲劳寿命关系。作为对比,文献中超细晶Cu的疲劳数据也在图中标出。图6为实施例1和2中,表层梯度纳米结构Cu#1和#2、均匀粗晶Cu的疲劳比-抗拉强度关系。作为对比,文献中超细晶Cu的疲劳数据也在图中标出。图7为实施例1和2中,表层梯度纳米结构Cu#1和#2及均匀粗晶Cu低周疲劳应变幅-疲劳寿命关系。作为本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种具有优异高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,其特征在于:对金属材料进行表面机械处理,使其表层粗晶产生塑性变形并形成梯度纳米结构:所形成的梯度纳米结构使金属材料的高周和低周疲劳性同步提高,梯度纳米结构的厚度大于50微米。

【技术特征摘要】
1.一种具有优异高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,其特征在于:对金属材料进行表面机械处理,使其表层粗晶产生塑性变形并形成梯度纳米结构:所形成的梯度纳米结构使金属材料的高周和低周疲劳性同步提高,梯度纳米结构的厚度大于50微米。2.根据权利要求1所述的具有优异高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,其特征在于:所述金属材料经表面机械处理后,表面为纳米晶,芯部为原始粗晶,表面与芯部之间的过渡区域为变形结构,金属材料晶粒尺寸由最表面的纳米尺度梯度过渡为芯部微米尺度。3.根据权利要求1所述的具有综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,其特征在于:在垂直于金属材料表面方向上,该梯度纳米结构的显微硬度由外至内呈现出由高到低的连续梯度变化。4.根据权利要求1所述的具有综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,其特征在于:所述梯度纳米结构的厚度为50微米-300微米。5.根据权利要求1所述的具有综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,其特征在于:所述金属材料为铜或304不锈钢。6.根据权利要求5所述的优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构,其特征在于:采用表面机械处理系统对金属材料进行表面塑性变形,所述表面机械处理系统包括处理刀具和冷却系统,刀具的刀头部分为硬质合金球;...

【专利技术属性】
技术研发人员:卢磊龙建周潘庆松陶乃镕
申请(专利权)人:中国科学院金属研究所
类型:发明
国别省市:辽宁,21

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