對納米結(jié)構(gòu)金屬材料的塑性變形制備技術(shù)分析

王婷翌

（西北工業(yè)大學，陜西 西安 710114）

1 納米結(jié)構(gòu)金屬材料的綜合定義論述

隨著科學技術(shù)水平的廣泛提高，對于納米材料的設計開發(fā)過程開展了相應更廣闊的應用，其中特別是對于納米結(jié)構(gòu)的金屬原材料的相關應用。對于制備納米材料，選擇性使用塑性變形的工藝技術(shù)，可以有效的擴展樣品的實際尺寸，有利于減緩孔隙結(jié)構(gòu)的堵塞現(xiàn)象，有效推進可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境保護進程。因此，隨著塑性變形模式不斷拓展全新的應用路徑，對從根本上制備涵蓋納米技術(shù)的相關原材料方面展現(xiàn)出卓越的優(yōu)勢。

從20世紀90年代以來，納米技術(shù)原材料和塑性變形工藝技術(shù)就獲得了廣泛關注。所以在很大程度上可以認為，兩者之間的相互結(jié)合，實現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)金屬材料的塑性變形制備工藝技術(shù)的誕生。并以此專項工藝為核心標準，增強相關宣傳推廣力度，進一步拓展納米金屬材料塑性變形制備工藝技術(shù)的普及范圍。也正是由于該工藝技術(shù)實踐效果的持續(xù)影響，從而更好的實現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)金屬材料的批量規(guī)?；苽?，并在另一個層面上推進塑性變形技術(shù)的優(yōu)化升級。隨之開發(fā)創(chuàng)新出新型變形工藝技術(shù)，從而制備出更為貼合社會日常生產(chǎn)工作需要的高質(zhì)量工業(yè)化產(chǎn)物，如超細晶材料等。

通過對納米結(jié)構(gòu)金屬原料的塑性變形技術(shù)工藝展開深入探究，可以看出，此類工藝技術(shù)在實際運用過程中存在較為明顯的差異特點，對于整體納米結(jié)構(gòu)金屬材料制備工作流程的相關環(huán)節(jié)，需要以變形處置作為性質(zhì)研究的劃分標準。通過比對納米結(jié)構(gòu)金屬原料的變形處理前后的樣品，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷變形處理后樣本的實際空間集合尺寸無任何改變，基本保持原尺寸大小。也就是說，經(jīng)塑性變形技術(shù)處理的納米結(jié)構(gòu)金屬材料符合大應變量的形變技術(shù)要求。與此同時，對納米結(jié)構(gòu)金屬原料表面進行相應深層次的研磨，從而實現(xiàn)強度變換梯度耐受的塑性變形。

2 大應變量變形制備技術(shù)

2.1 冷軋

冷軋作為被廣泛使用于工業(yè)建設領域的材料建造模式，特別是對于納米結(jié)構(gòu)材料的科研行業(yè)涉及范圍更為寬泛。因此，冷軋模式在當前時代背景下，已經(jīng)被判定為有效制備超精細結(jié)構(gòu)材料以及納米構(gòu)造素材的重要模式，在大應變量變形制備技術(shù)方面占據(jù)重要核心地位。冷軋技術(shù)的基本原理是將形狀結(jié)構(gòu)為平面板狀的樣本放置于預先設定距離的軋輥結(jié)構(gòu)內(nèi)部，同時樣本經(jīng)過與之相對運轉(zhuǎn)的軋輥區(qū)域，從而促使樣本在高度范圍形成向下的壓力，繼而實現(xiàn)塑性變形過程。由于樣本軋鋼的實際要求次數(shù)的相應增多，致使塑性變形的效果也進一步提高，由此，減小樣本之前過大的晶粒尺寸，發(fā)揮晶粒結(jié)構(gòu)的細化功能作用，從而在根本上實現(xiàn)納米級別的金屬材料制備。對于特殊環(huán)境下的冷軋技術(shù)，例如在日常室溫環(huán)境下的冷軋技術(shù)制備的金屬材料，其晶粒構(gòu)成的尺寸依舊是原本形態(tài)，但是晶粒與晶粒之間的取向差逐步提升。然而，當純Cu冷凝至液氮的溫度時，立即拿出并完成冷軋，平均晶粒尺寸能夠被縮減到22nm。

2.2 累積疊軋

累積疊軋的首次提出是在上世紀90年代末期，通過一些專家學者進一步深入研究納米結(jié)構(gòu)金屬材料的冷軋制備技術(shù)，并以冷軋技術(shù)工藝為基準，從而研發(fā)創(chuàng)造出的新型植被超細晶金屬原材料的科學技術(shù)。該工藝技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)金屬材料的基本工作原則是將兩塊平板金屬材料在一定的技術(shù)工藝作用下，形成一塊納米結(jié)構(gòu)金屬原材料。具體來說，借助脫脂和鋼刷處理確保兩塊平板金屬材料表層形態(tài)光滑，同時將兩塊平板金屬材料表面相對重疊貼合在一起并固定在累計疊軋工藝的結(jié)構(gòu)裝置當中，繼而在室溫或高溫的環(huán)境下實現(xiàn)平板金屬材料的多次持續(xù)軋制工作。對于每一次疊加軋制環(huán)節(jié)，都嚴格按照軋制工藝的規(guī)定標準在厚度方向施加向下量的一半，最終實現(xiàn)累計疊軋工藝，完成納米結(jié)構(gòu)的金屬原材料制備工作。同時，對該工藝技術(shù)軋制后產(chǎn)物展開觀察，實際數(shù)據(jù)測量發(fā)現(xiàn)平板實際厚度與之前數(shù)值一致，但整體長度為原來的兩倍。因此，在使用累積疊軋工藝流程之前，需要對軋制后的平板金屬材料進行長度尺寸切割，確保兩塊平板金屬材料實現(xiàn)持續(xù)平穩(wěn)的被處理過程，進一步增強平板大應變量的累積疊軋工藝技術(shù)效用的發(fā)揮。累積疊軋工藝技術(shù)與傳統(tǒng)冷軋相比，兩者的樣本尺寸都沒發(fā)生改變，但是累積疊軋工藝在工作原理上可以認為是無限次數(shù)的，是有效落實晶粒尺寸縮小，確保變形量最大的納米結(jié)構(gòu)金屬材料制備工藝。同時，累計疊軋工藝技術(shù)也可以完成兩類不同金屬材料的納米結(jié)構(gòu)制備。

2.3 等通道擠壓

等通道擠壓的納米結(jié)構(gòu)金屬原料的塑性變形技術(shù)工藝是上世紀八十年代研發(fā)而成，充分實現(xiàn)大剪切變形量的金屬材料的成型技術(shù)。在當時的時代背景影響下，使用范圍較為局限，未得到廣泛的關注使用。隨著對等通道擠壓納米結(jié)構(gòu)金屬材料制備技術(shù)研究的不斷深入，該技術(shù)的實際應用范圍有了明顯的擴展，增加了實現(xiàn)材料剪切屬性變形的手段應用，有效的完成晶粒細化的工作目標，繼而逐步演變發(fā)展成為制備超細晶材料的重要應用模式。具體工作流程主要是將樣品金屬材料通過施加一定的外力，在其經(jīng)過拐角結(jié)構(gòu)的通道時，根據(jù)通道結(jié)構(gòu)形態(tài)實現(xiàn)剪切變形效果，最終完成大應變量累積的納米結(jié)構(gòu)金屬原料的塑性變形效用累積。等通道擠壓技術(shù)可以從根本上實現(xiàn)多種類金屬的超細晶材料制備，有效控制等通道結(jié)構(gòu)和驗證研究等通道擠壓效果，從根本層面上有效的縮減納米結(jié)構(gòu)金屬材料的晶粒尺寸，進一步確認力學性能對納米結(jié)構(gòu)金屬材料塑性變形制備技術(shù)產(chǎn)生的相關影響。

3 高應變梯度變形制備技術(shù)

3.1 表面機器研磨技術(shù)

高應變梯度變形制備技術(shù)主要分為兩類，主要是表面機器研磨技術(shù)和碾壓技術(shù)。其中，對于納米結(jié)構(gòu)金屬原料的塑性變形技術(shù)工藝最具有代表性的就是表面機器研磨技術(shù)。該技術(shù)的工作原理主要是借助振動設備機構(gòu)的牽動效用，在用來存放彈丸和固定樣品的容器之間形成共振，促使多顆彈丸借助高速的沖擊力進而持續(xù)的撞擊樣品材料表面。也就是借助彈丸所帶來的多方面、高頻率的沖擊壓力，持續(xù)高速的作用于金屬材料表面，從而進一步促使材料表面實現(xiàn)高應變速率的塑性變形。在不改變金屬材料樣品本身尺寸大小的基礎上，從根本上有效的縮減納米結(jié)構(gòu)金屬原料的晶粒尺寸，最終確保塑性變形技術(shù)對于納米結(jié)構(gòu)金屬材料制備的應用實踐。彈丸隨機性的向金屬材料樣本釋放沖擊力，由此在樣品表面展開不同式樣的滑移系或?qū)\晶系開動，從而充分的保證金屬材料表面微觀結(jié)構(gòu)的塑性變形效果梯度變化。對于最終的納米結(jié)構(gòu)金屬材料制成產(chǎn)品產(chǎn)生影響的因素包括振動設備的振動頻率，容器內(nèi)安置的彈丸尺寸大小以及容器壁至金屬材料制備樣品的表層間距等。

3.2 表面機器碾壓技術(shù)

該技術(shù)主要是通過構(gòu)建球形碾壓頭壓入待制備的樣品金屬材料表層內(nèi)，在規(guī)定深度內(nèi)的金屬材料表層完成碾壓過程，由此實現(xiàn)樣本一定厚度的表層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大剪切變形，繼而實現(xiàn)樣本金屬材料表層微觀結(jié)構(gòu)的細化過程，從而保證納米結(jié)構(gòu)金屬原料的制備操作的實現(xiàn)，形成梯度形式的納米結(jié)構(gòu)塑性變形技術(shù)工藝。對于該技術(shù)的晶粒細化程度的測算依據(jù)認定，主要是通過調(diào)整剪切變形量以及變形層厚度等兩部分指標來實現(xiàn)的，變形應變的實際速度效率根據(jù)樣品的球形碾壓頭的旋轉(zhuǎn)速率變化。同時，該塑性工藝技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)金屬原料的效果也與碾壓半徑的范圍有關。

4 結(jié)論

通過上述對納米結(jié)構(gòu)金屬材料的塑形變形工藝技術(shù)的概念整合論述，進一步深入探究了相關大應變量變形金屬材料制備工藝的三種類型，并從工作原理上進行了流程分析，提出了超細晶結(jié)構(gòu)的制造。與此同時，對于高應變梯度變形制備技術(shù)提出了全新的應用，總結(jié)概括了相關技術(shù)工藝原理。通過對納米結(jié)構(gòu)金屬原料的塑性變形技術(shù)工藝的綜合評估判斷，對于存在的局限性問題，選取了相應的解決方案，促使納米結(jié)構(gòu)金屬材料制備工藝技術(shù)的優(yōu)化升級，由此在很大程度上為推動我國納米結(jié)構(gòu)金屬原料的塑性變形技術(shù)和工藝制備發(fā)展進程具有重要建設性指導意義。