對(duì)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(xué)，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(xué)技術(shù)水平的廣泛提高，對(duì)于納米材料的設(shè)計(jì)開發(fā)過程開展了相應(yīng)更廣闊的應(yīng)用，其中特別是對(duì)于納米結(jié)構(gòu)的金屬原材料的相關(guān)應(yīng)用。對(duì)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(kuò)展樣品的實(shí)際尺寸，有利于減緩孔隙結(jié)構(gòu)的堵塞現(xiàn)象，有效推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境保護(hù)進(jìn)程。因此，隨著塑性變形模式不斷拓展全新的應(yīng)用路徑，對(duì)從根本上制備涵蓋納米技術(shù)的相關(guān)原材料方面展現(xiàn)出卓越的優(yōu)勢(shì)。

從20世紀(jì)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(guān)注。所以在很大程度上可以認(rèn)為，兩者之間的相互結(jié)合，實(shí)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(xiàng)工藝為核心標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)相關(guān)宣傳推廣力度，進(jìn)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(shí)踐效果的持續(xù)影響，從而更好的實(shí)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)金屬材料的批量規(guī)?；苽?，并在另一個(gè)層面上推進(jìn)塑性變形技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)。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(huì)日常生產(chǎn)工作需要的高質(zhì)量工業(yè)化產(chǎn)物，如超細(xì)晶材料等。

通過對(duì)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(shí)際運(yùn)用過程中存在較為明顯的差異特點(diǎn)，對(duì)于整體納米結(jié)構(gòu)金屬材料制備工作流程的相關(guān)環(huán)節(jié)，需要以變形處置作為性質(zhì)研究的劃分標(biāo)準(zhǔn)。通過比對(duì)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(shí)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(yīng)變量的形變技術(shù)要求。與此同時(shí)，對(duì)納米結(jié)構(gòu)金屬原料表面進(jìn)行相應(yīng)深層次的研磨，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度變換梯度耐受的塑性變形。

2 大應(yīng)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(shè)領(lǐng)域的材料建造模式，特別是對(duì)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(dāng)前時(shí)代背景下，已經(jīng)被判定為有效制備超精細(xì)結(jié)構(gòu)材料以及納米構(gòu)造素材的重要模式，在大應(yīng)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(yù)先設(shè)定距離的軋輥結(jié)構(gòu)內(nèi)部，同時(shí)樣本經(jīng)過與之相對(duì)運(yùn)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(shí)現(xiàn)塑性變形過程。由于樣本軋鋼的實(shí)際要求次數(shù)的相應(yīng)增多，致使塑性變形的效果也進(jìn)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(xì)化功能作用，從而在根本上實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的金屬材料制備。對(duì)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(dāng)純Cu冷凝至液氮的溫度時(shí)，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(jì)90年代末期，通過一些專家學(xué)者進(jìn)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(zhǔn)，從而研發(fā)創(chuàng)造出的新型植被超細(xì)晶金屬原材料的科學(xué)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(shí)將兩塊平板金屬材料表面相對(duì)重疊貼合在一起并固定在累計(jì)疊軋工藝的結(jié)構(gòu)裝置當(dāng)中，繼而在室溫或高溫的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)平板金屬材料的多次持續(xù)軋制工作。對(duì)于每一次疊加軋制環(huán)節(jié)，都嚴(yán)格按照軋制工藝的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)在厚度方向施加向下量的一半，最終實(shí)現(xiàn)累計(jì)疊軋工藝，完成納米結(jié)構(gòu)的金屬原材料制備工作。同時(shí)，對(duì)該工藝技術(shù)軋制后產(chǎn)物展開觀察，實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)平板實(shí)際厚度與之前數(shù)值一致，但整體長(zhǎng)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(duì)軋制后的平板金屬材料進(jìn)行長(zhǎng)度尺寸切割，確保兩塊平板金屬材料實(shí)現(xiàn)持續(xù)平穩(wěn)的被處理過程，進(jìn)一步增強(qiáng)平板大應(yīng)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(rèn)為是無限次數(shù)的，是有效落實(shí)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(shí)，累計(jì)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(jì)八十年代研發(fā)而成，充分實(shí)現(xiàn)大剪切變形量的金屬材料的成型技術(shù)。在當(dāng)時(shí)的時(shí)代背景影響下，使用范圍較為局限，未得到廣泛的關(guān)注使用。隨著對(duì)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(shí)際應(yīng)用范圍有了明顯的擴(kuò)展，增加了實(shí)現(xiàn)材料剪切屬性變形的手段應(yīng)用，有效的完成晶粒細(xì)化的工作目標(biāo)，繼而逐步演變發(fā)展成為制備超細(xì)晶材料的重要應(yīng)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(shí)，根據(jù)通道結(jié)構(gòu)形態(tài)實(shí)現(xiàn)剪切變形效果，最終完成大應(yīng)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(shí)現(xiàn)多種類金屬的超細(xì)晶材料制備，有效控制等通道結(jié)構(gòu)和驗(yàn)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(jìn)一步確認(rèn)力學(xué)性能對(duì)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(guān)影響。

3 高應(yīng)變梯度變形制備技術(shù)

3.1 表面機(jī)器研磨技術(shù)

高應(yīng)變梯度變形制備技術(shù)主要分為兩類，主要是表面機(jī)器研磨技術(shù)和碾壓技術(shù)。其中，對(duì)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(jī)器研磨技術(shù)。該技術(shù)的工作原理主要是借助振動(dòng)設(shè)備機(jī)構(gòu)的牽動(dòng)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(jìn)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(jìn)一步促使材料表面實(shí)現(xiàn)高應(yīng)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(chǔ)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(duì)于納米結(jié)構(gòu)金屬材料制備的應(yīng)用實(shí)踐。彈丸隨機(jī)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(dòng)，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(duì)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(dòng)設(shè)備的振動(dòng)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(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)樣本金屬材料表層微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化過程，從而保證納米結(jié)構(gòu)金屬原料的制備操作的實(shí)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(duì)于該技術(shù)的晶粒細(xì)化程度的測(cè)算依據(jù)認(rèn)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(biāo)來實(shí)現(xiàn)的，變形應(yīng)變的實(shí)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(shí)，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(guān)。

4 結(jié)論

通過上述對(duì)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(jìn)一步深入探究了相關(guān)大應(yīng)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(jìn)行了流程分析，提出了超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的制造。與此同時(shí)，對(duì)于高應(yīng)變梯度變形制備技術(shù)提出了全新的應(yīng)用，總結(jié)概括了相關(guān)技術(shù)工藝原理。通過對(duì)納米結(jié)構(gòu)金屬原料的塑性變形技術(shù)工藝的綜合評(píng)估判斷，對(duì)于存在的局限性問題，選取了相應(yīng)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(jí)，由此在很大程度上為推動(dòng)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(jìn)程具有重要建設(shè)性指導(dǎo)意義。