[发明专利]一种超高塑性双尺度分布的超细晶/微米晶块体铁材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超细晶/微米晶金属材料，特别涉及一种超高塑性双尺度分布的超细晶/微米晶块体铁材料及其制备方法。

背景技术

铁及铁合金具有价格便宜、资源丰富、性能优异及易实现规模化生产等特点，因而成为目前应用最为广泛的材料。然而，现代工业的高速发展对铁及铁合金的综合力学性能提出了越来越高的要求，采用合适的制备方法获得高的综合力学性能已成为材料工作者的重要研究课题。细晶强化是提高强度和塑性的重要方法，通过细化晶粒手段可以获得微米晶、超细晶以及纳米晶，使材料的强度相比传统的铸造粗晶材料成倍地提高。目前，制备超细晶铁材料主要有以下几种方法：（1）利用等通道转角挤压的方法，通过大塑性变形细化晶粒得到低强度高塑性的超细晶块体铁材料，其晶粒尺寸为200～400nm，真应力应变条件下压缩断裂强度为800MPa、塑性应变达30%（Gertsman V.Y.,Birringer R.,Valiev R.Z.,et al.,Scripta Metallμrgica et Materialia,1994,30(2):229-234）；（2）利用冷压和热压方法低温（683K～863K）得到高强度低塑性的超细晶或纳米晶块体铁材料。当烧结温度为863K，获得超细晶块体铁材料，晶粒尺寸为268nm，真应力应变条件下压缩断裂强度为1600MPa，塑性应变为12%；当烧结温度为683K时，获得纳米晶块体铁材料，晶粒尺寸为138nm，真应力应变条件下压缩断裂强度为2500MPa，塑性应变为6%（Jia D.,Ramesh K.T.,Ma E..Acta Materialia,2003,51(12):3495-3509）；（3）利用放电等离子烧结技术，采用分步加压的方式在烧结温度为993K的条件下，制备得到了高强度和高塑性的双尺度纳米晶α-Fe/微米晶α-Fe块体铁材料（其中，微米晶α-Fe含量很少），真应力应变条件下压缩断裂强度高达2249MPa，塑性应变为40%（Srinivasarao B.,Oh-ishi K.,Ohkμbo T.,et al.Scripta Mater.,2008,58:759–762）。

但是，当金属晶粒尺寸细化至纳米级时，尽管材料的强度成倍地提高，但是塑性却显著下降。正如Jia D.等在实验里获得的纳米晶铁性能所示，虽然纳米晶铁具有高达2500MPa的强度，但塑性应变只有6%。除了细化晶粒增韧的方法外，依照结构决定性能的经典理论，制备不同尺度和形态的复合材料有望提高材料的塑性，获得良好的综合力学性能。Srinivasarao B.等获得的纳米晶和微米晶双尺度分布的铁材料不仅具有高达2249MPa的断裂强度，塑性应变也达到了40%。由此可见，探索制备双尺度或者多尺度分布的超细晶材料的制备方法对于提高金属材料的综合力学性能具有十分重要的意义。

综上所述，利用各种方法制备的超细晶铁材料最高塑性可达40%（Scripta Mater.,2008,58:759–762），但Srinivasarao B.等所用实验烧结温度是在铁的同素异构转变温度（1185K）以下，且采用的分步加压方式工艺繁杂，不易于成品的致密化。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种超高塑性双尺度分布的超细晶/微米晶块体铁材料的制备方法，制备的超细晶/微米晶块体铁材料实现微观组织晶粒均匀、近全致密、超高塑性以及双尺度分布的优点。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法得到的高塑性双尺度分布的超细晶/微米晶块体铁材料。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种超高塑性双尺度分布的超细晶/微米晶块体铁材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）高能球磨制备纳米晶铁粉：在氩气保护条件下，将纯铁粉末置于不锈钢球磨介质中进行高能球磨，直至获得晶粒尺寸为8～12nm的纳米晶铁粉；

（2）放电等离子烧结制备超高塑性双尺度分布的块体铁材料：将步骤（1）得到的纳米晶铁粉装入模具内，在氩气保护条件下，采用放电等离子烧结，得到超高塑性双尺度分布的超细晶/微米晶块体铁材料，其中快速烧结工艺条件如下：

烧结设备：放电等离子烧结系统；

烧结电流类型：脉冲电流；

烧结温度Ts：1253K≤Ts≤1335K；

烧结时间：14～26min；

烧结压力：40～500MPa。

步骤（2）所述放电等离子烧结中，升温速率为54～235K/min，保温时间控制在0～10min。