專利名稱：制造高強(qiáng)度超塑性材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于利用超聲波的金屬材料晶粒細(xì)化和制造具有高強(qiáng)度以及超塑性特性的金屬材料的方法。
背景技術(shù)：
人們知道，金屬材料的晶粒越小，金屬材料的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性越高。當(dāng)金屬材料的晶粒尺寸不超過(guò)幾個(gè)微米時(shí)，雖然在室溫下表現(xiàn)出極高的強(qiáng)度，但是在特定的加熱條件下產(chǎn)生超塑性現(xiàn)象并且可加工性顯著提高。
根據(jù)超塑性的一般定義，認(rèn)為超塑性是多晶材料伸展變形中的一種現(xiàn)象，變形應(yīng)力顯示出高的應(yīng)變依賴性并且在不發(fā)生局部收縮的情況下可表現(xiàn)出不小于百分之?dāng)?shù)百的巨大延伸率。具體地，據(jù)認(rèn)為具有等軸晶粒且晶粒不大于10μm的材料，在不小于以絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn)的1/2的溫度下并以大約10-4/s的應(yīng)變速率變形時(shí)，在不超過(guò)10MPa的變形應(yīng)力下表現(xiàn)出巨大的延伸率。
作為鐵質(zhì)材料和非鐵金屬材料的晶粒細(xì)化方法，已知的方法包括，涉及添加抑制晶粒生長(zhǎng)的元素的方法，涉及通過(guò)熱-機(jī)械處理利用相變，析出和再結(jié)晶的方法，涉及施加大的剪切加工的方法等等(參見(jiàn)例如JP2003-041331A，JP2002-194472A，JP2002-105568A，和JP2000-271693A)。
對(duì)于鐵質(zhì)材料，涉及通過(guò)熱-機(jī)械利用相變，析出和再結(jié)晶的方法是有效的而且在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下得到了小于1μm的細(xì)晶粒組織。然而，工藝可以簡(jiǎn)化到何種程度以便適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)是一個(gè)問(wèn)題。
另一方面，對(duì)于非鐵金屬材料特別是鋁，迄今為止難以得到不大于10μm的均勻細(xì)晶粒組織。在日本，制造不大于3μm的細(xì)晶粒組織是New Energy Development Organization(NEDO)的一個(gè)項(xiàng)目，自1997年以來(lái)已經(jīng)進(jìn)行了一個(gè)五年計(jì)劃。該項(xiàng)目的基本技術(shù)是涉及向材料施加大的剪切加工的方法。
近年來(lái)，在筆記本個(gè)人電腦和移動(dòng)電話中使用了輕質(zhì)且堅(jiān)韌的鎂合金，該合金具有高的吸振特性。然而，鎂的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫下該結(jié)構(gòu)具有低的延伸性而且難于進(jìn)行例如壓制等二次加工。因此，鎂的缺點(diǎn)是如果不通過(guò)模鑄和觸變鑄造進(jìn)行成型則不能獲得良好品質(zhì)的零件和殼體。制造方法的這些限制使鎂合金的應(yīng)用有限。
此外，鎂合金強(qiáng)度的不足是鎂合金不能進(jìn)一步用于交通工具如汽車和飛機(jī)的部分原因。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)獲得不大于1μm的細(xì)晶粒的技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了研究。這些技術(shù)中的一種是涉及如同對(duì)鋁那樣施加大的剪切加工的方法。
盡管在金屬材料中，通過(guò)軋輥進(jìn)行擠壓和軋制是施加大的剪切加工的一般方法，但是近年來(lái)已經(jīng)對(duì)ECAP工藝(equal-channel-angularpressing process)等進(jìn)行了研究。
在擠壓加工中，從具有特定形狀開(kāi)口的模具擠壓出坯料或板坯，并且通常采用通過(guò)模具開(kāi)孔擠壓坯料或板坯的直接方法。例如，在純鎂的情形中，擠壓加熱到350℃至400℃的坯料或板坯。然而，與鋁相比，坯料溫度與擠壓速度之間的平衡是困難的，而且純鎂具有這樣的缺點(diǎn)既使當(dāng)溫度稍低也不能對(duì)該材料進(jìn)行擠壓，且當(dāng)溫度升高時(shí)發(fā)生氧化。在Mg-Al-Zn合金(AZ合金)等情形中，進(jìn)一步的精確控制是必需的。
通過(guò)軋輥進(jìn)行軋制的方法是在一個(gè)方向上釋放金屬材料同時(shí)通過(guò)上軋輥和下軋輥對(duì)其進(jìn)行壓制，并且研究了反復(fù)軋制結(jié)合(accumulative roll bonding)，低溫軋制，使用不同圓周速率的軋制，熔融金屬軋制、溫?zé)彳堉频鹊取?br> 在反復(fù)軋制結(jié)合中，將軋制板沿長(zhǎng)度方向一分為二并對(duì)其進(jìn)行如脫脂的表面處理，隨后，將該兩塊板相互疊置然后再次進(jìn)行軋制。雖然這種方法的特征是可以在不改變板厚的情況下進(jìn)行大的剪切加工，但是它的缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高昂。
低溫軋制是在液氮溫度下進(jìn)行軋制的方法，在這個(gè)溫度下，軋制中引入的應(yīng)變盡可能地不恢復(fù)，隨后，通過(guò)快速加熱以形成細(xì)的再結(jié)晶晶粒。然而，沒(méi)有得到充分的效果。
使用不同圓周速率的軋制是通過(guò)改變上軋輥和下軋輥的圓周速率向材料施加大的剪切加工的方法。由于在無(wú)潤(rùn)滑的情況下進(jìn)行軋制，因此材料易于受到不均勻剪切力的作用，而且這種方法的缺點(diǎn)是材料的表面粗糙化。
熔融金屬軋制是通過(guò)將熔融金屬注入水冷軋輥或通過(guò)其它方式使其快速冷卻的方法，其中添加的元素以過(guò)飽和方式以固溶態(tài)溶解在熔融金屬中。雖然添加的元素可以有效促進(jìn)結(jié)晶核的形成同時(shí)抑制晶粒生長(zhǎng)，但是易氧化的金屬材料需要徹底的氣氛調(diào)節(jié)。因此，這種方法不適合于大量生產(chǎn)。
溫?zé)彳堉剖窃诓坏陀谠俳Y(jié)晶溫度的熱軋溫度和冷軋的室溫之間的中間溫度下進(jìn)行軋制的方法。例如，在向Al-Zn-Mg-Cu合金中添加適量Zr得到的合金中，獲得了細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。因此，在一些合金中已確定了這種軋制方法的效果。然而，中間溫度的控制非常困難并且對(duì)于是否可以在其它金屬材料中得到效果仍存在許多不明之處。
ECAP方法是將坯料或板坯放入具有特定角度的孔的模具中，進(jìn)行壓制和擠壓由此向該坯料或板坯施加大的剪切力。這種方法引起了人們的注意，因?yàn)樗且环N非常有效的獲得細(xì)晶粒組織的方法。然而，由于接受大剪切力的坯料或板坯非常堅(jiān)硬，難于進(jìn)行如軋制的二次加工。如果為了提高可加工性進(jìn)行熱軋，會(huì)發(fā)生晶粒生長(zhǎng)，且實(shí)際水平下足夠的強(qiáng)度和韌性以及高的延展性將不再令人滿意。這就是目前的狀況。
順便提及，作為彌補(bǔ)ECAP工藝缺點(diǎn)的方法，提出了連續(xù)剪切變形工藝(Conshearing工藝)，其中使ECAP工藝連續(xù)進(jìn)行(Saitou和其它二人，“Proposal of Novel continuous High Straining Process-Development of Conshearing Process，”Advanced Technology ofPlasticity，第III卷，Proceedings of the 6thInternationalCoference of Technology of Plasticity，1999年，9月19日-24日，第2459-2464頁(yè))。
所有方法都涉及對(duì)制成的坯料等進(jìn)行大的剪切加工，并且剪切加工需要極大的應(yīng)力或者不能維持金屬材料的初始形狀。

發(fā)明內(nèi)容
提出本發(fā)明以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題，并且本發(fā)明的目的是提供制造高強(qiáng)度超塑性材料的方法，該方法使得容易地獲得具有細(xì)晶粒構(gòu)成的金屬組織的高強(qiáng)度超塑性材料成為可能。
在本發(fā)明的高強(qiáng)度超塑性材料的制造方法中，通過(guò)向金屬材料施加超聲波然后在以絕對(duì)溫度表示的金屬材料熔點(diǎn)乘以0.35至0.6得到的溫度下對(duì)該金屬材料進(jìn)行熱處理解決了上述問(wèn)題。
在許多情形中，當(dāng)向金屬材料施加振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)會(huì)隨時(shí)間減弱并且會(huì)最終停止。振動(dòng)的減弱存在兩種機(jī)制。一種被稱為外部摩擦，并且這種機(jī)制是振動(dòng)能量通過(guò)空氣等從振動(dòng)金屬釋放到外部。另一種機(jī)制是內(nèi)部摩擦，并且這種機(jī)制是在金屬材料內(nèi)部振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變成熱、應(yīng)變等。內(nèi)部摩擦也被稱為減震能力。
根據(jù)振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)變機(jī)制，將減震能力分為下列4種(1)母相和第二相界面處產(chǎn)生的粘性流體或塑性流體引起的減震能力。
(2)磁疇壁的不可逆移動(dòng)引起的減震能力。
(3)位錯(cuò)由于雜質(zhì)原子從固著點(diǎn)脫離引起的減震能力(4)母相和馬氏體相邊界處轉(zhuǎn)變孿晶界的移動(dòng)引起的減震能力。
在減震能力特別大的金屬材料中，部分振動(dòng)能量以熱量形式或通過(guò)任意上述分類的(1)至(4)轉(zhuǎn)變機(jī)制積累成應(yīng)變而消耗。在積累應(yīng)變的金屬材料中，引入了大的應(yīng)變，該應(yīng)變相當(dāng)于或大于機(jī)械方式施加剪切的情形中的應(yīng)變。因此，可以認(rèn)為如果在以絕對(duì)溫度表示的金屬材料熔點(diǎn)乘以0.35至0.6得到的溫度下對(duì)該金屬材料進(jìn)行熱處理，這時(shí)在由晶格缺陷的重構(gòu)或晶格缺陷的相互結(jié)合與消去引起的能量釋放過(guò)程中，金屬材料的組織轉(zhuǎn)變成由等軸細(xì)晶粒構(gòu)成的再結(jié)晶組織。
具有大減震能力的金屬材料通常是指比衰減率(SDC)不小于10％的那些金屬材料，并且通常稱之為高減震金屬材料等。在純金屬中，Mg，Ni和Fe具有大的比衰減率。在合金中，Mg合金，Mn-Cu合金，Mn-Cu-Al合金，Cu-Zn-Al合金，Cu-Al-Ni合金，F(xiàn)e-Cr合金(12Cr鋼)，F(xiàn)e-Cr-Al合金，F(xiàn)e-Cr-Mo合金，Co-Ni合金，F(xiàn)e-Cr-Al-Mn合金，Ni-Ti合金，Cu-Zn-Al合金，Al-Zn合金，耐晶粒間腐蝕的18-8不銹鋼，F(xiàn)e-C-Si合金(通過(guò)軋制片狀石墨鑄鐵或球狀石墨鑄鐵得到的軋制鑄鐵)等，這些合金具有大的比衰減率并且被稱為高減震合金，吸震合金，防震合金等等。
如下式所示，比衰減率通過(guò)振動(dòng)物體每個(gè)周期的振動(dòng)能量損失率來(lái)表示SDC(％)＝(ΔW/W)×100其中W是振動(dòng)能量而ΔW是一個(gè)周期內(nèi)損失的能量。
在比衰減率不小于10％的高減震金屬材料中，Mg或Mg合金最適于應(yīng)用本方法。所有金屬材料中Mg具有最大的減震能力并且具有不小于60％的比衰減率，在Mg中振動(dòng)能量容易積累成應(yīng)變，并且通過(guò)在適當(dāng)溫度下進(jìn)行熱處理，可以獲得由細(xì)晶粒構(gòu)成的再結(jié)晶組織。Mg具有相對(duì)小的強(qiáng)度和耐腐蝕性。然而在通過(guò)添加Al，Zn，Zr等在這方面對(duì)其進(jìn)行改良的Mg合金中，盡管減震能力低于Mg，但由于添加元素的效果產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，部分超聲振動(dòng)能量積累成應(yīng)變并且通過(guò)熱處理得到細(xì)晶粒構(gòu)成的再結(jié)晶組織。因此，較高的強(qiáng)度和超塑性可以相互共存。
對(duì)于Mg合金，Mg-Al合金，Mg-Al-Zn合金，Mg-Zr合金，Mg-Zn-Zr合金，Mg-Mg2Ni合金，Mg-RE-Zn(RE是稀土元素)，Mg-Ag-RE合金(RE是稀土元素)，Mg-Y-RE合金(RE是稀土元素)等被認(rèn)為是實(shí)用的合金。由于當(dāng)Al的加入量增加時(shí)減震能力降低，因此在Mg-Al合金和Mg-Al-Zn合金之中，Mg-10％Al合金(Al100)，Mg-9％Al-1％Zn合金(AZ91)，Mg-6％Al-3％Zn合金(AZ63)等的比衰減率小于10％。
正如上文振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變機(jī)制(3)中所述，可以認(rèn)為施加到Mg或Mg合金上的超聲振動(dòng)能通過(guò)位錯(cuò)由于雜質(zhì)原子從固著點(diǎn)脫離或變形孿晶的產(chǎn)生被吸收。
對(duì)于施加了超聲波的金屬材料，由于在以絕對(duì)溫度表示的金屬材料的熔點(diǎn)乘以0.35至0.6得到的溫度下進(jìn)行熱處理而再結(jié)晶。在高于以絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn)乘以0.6得到的溫度下，存在抑制再結(jié)晶晶粒生長(zhǎng)的能量損失并且控制困難。在低于以絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn)乘以0.35得到的溫度下，只發(fā)生應(yīng)變回復(fù)并且不形成再結(jié)晶晶粒，其中應(yīng)變回復(fù)是一部分金屬材料中的應(yīng)變消失的現(xiàn)象。
實(shí)際上，結(jié)晶溫度是經(jīng)過(guò)冷加工的金屬組織通過(guò)一小時(shí)熱處理完全轉(zhuǎn)變成具有新的再結(jié)晶晶粒的組織的溫度，并且這個(gè)溫度是一個(gè)根據(jù)金屬材料的種類和純度，內(nèi)應(yīng)變程度等變化的特征值。然而，當(dāng)內(nèi)應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，存在結(jié)晶溫度匯集到一特定溫度的趨勢(shì)。即可以認(rèn)為經(jīng)過(guò)大內(nèi)應(yīng)變的金屬材料中，使用上述溫度范圍作為粗略的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)施控制可抑制晶粒的生長(zhǎng)，結(jié)果易于得到需要的高強(qiáng)度超塑性材料。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式對(duì)金屬材料的形狀沒(méi)有具體的限制。可以使用例如固化粉末坯，或板材，棒材和管材，這些材料是鍛造材料或通過(guò)壓制形成要求形狀得到的成形體。固化粉末坯是通過(guò)對(duì)粉末燒結(jié)體或粉體進(jìn)行壓制剪切制成的固化坯，鍛造材料是將鑄件或熔化后凝固的金屬材料壓制或擠壓成要求形狀得到的物體。
作為向金屬材料施加超聲波的方法，可以利用的方法是例如將與超聲振動(dòng)器相連的喇叭(horn)與金屬材料緊密接觸并施加超聲波一定的時(shí)間。為了確保振動(dòng)從喇叭有效傳遞到金屬材料，還可以在喇叭和金屬材料之間施加油脂。然而，必須使用不易變質(zhì)或不易引燃的安全油脂。例如可以使用硅脂。
此外，還可以通過(guò)中間介質(zhì)傳遞振動(dòng)，例如將金屬材料放入水中或有機(jī)溶劑中并使喇叭發(fā)出的振動(dòng)通過(guò)水或該有機(jī)溶劑傳遞的方法，還可以使用與上文所述的方法不同方法，只要該方法可確保有效且安金的傳遞。
對(duì)于超聲波的頻率，輸出和作用時(shí)間，必須通過(guò)適當(dāng)考慮金屬材料的熔點(diǎn)，比衰減率，尺寸等來(lái)確定最佳值。例如，在高減震Mg合金Mg-3％Al-1％Zn合金(AZ31)的伸長(zhǎng)材料(elongated material)的情形中(20mm×50mm×1.25mm)，可以使用直徑22mm的鈦合金喇叭施加頻率為19kHz且輸出為200W的超聲波5到60秒。
將已施加超聲波的金屬材料在再結(jié)晶溫度下加熱1小時(shí)。例如，將再結(jié)晶溫度預(yù)計(jì)為180至230℃的AZ31在230℃下于真空中加熱1小時(shí)。如果不在真空中，則優(yōu)選在氬氣氣氛中加熱AZ31。如果在氮?dú)?，氫氣或氧氣中加熱AZ31，AZ31會(huì)與這些元素形成化合物，從而損害表面性能和機(jī)械性能。順便提及，如果使用耐氧化金屬材料則允許在空氣中進(jìn)行加熱。
施加超聲波之后，再結(jié)晶的金屬材料保持其初始形狀并且晶粒尺寸變成施加超聲波之前晶粒尺寸的1/10至1/150。例如，對(duì)于AZ31的伸長(zhǎng)材料(20mm×50mm×1.25mm)，該材料的尺寸無(wú)變化但從晶粒尺寸為150至200μm的晶體組織變成1至15μm的等軸晶體組織。因此，可以將這種AZ31改良成具有高強(qiáng)度且表現(xiàn)超塑性的AZ31材料。
根據(jù)上文所述本發(fā)明的高強(qiáng)度超塑性材料的制造方法，可以獲得高強(qiáng)度超塑性材料，該材料的內(nèi)部組織均勻并且該材料是在不改變金屬材料形狀的情況下由細(xì)晶粒組織形成。
作為金屬材料，使用具有外圓切削刃的切割機(jī)從工業(yè)純鋁(JIS合金編號(hào)1100)制伸長(zhǎng)材料上切出20mm×50mm×1.25mm的試件，并用乙醇迅速清潔試件的表面。
使用超聲波均質(zhì)機(jī)作為超聲波施加裝置，向直徑22mm的鈦合金喇叭的端面涂覆適量硅脂，然后利用夾具將上述工業(yè)純鋁制伸長(zhǎng)材料的試件壓在該端面，施加19kHz和300W的超聲波振動(dòng)60秒。重復(fù)該操作三次。
將施加過(guò)超聲波的工業(yè)純鋁制伸長(zhǎng)材料的試件置于真空加熱爐中，并使用5Pa的真空度和468K的加熱溫度進(jìn)行1小時(shí)的熱處理，即加熱溫度/熔點(diǎn)＝0.50。
在工業(yè)純鋁制伸長(zhǎng)材料的試件中幾乎沒(méi)有觀察到由于上述處理引起的變形和尺寸改變。
經(jīng)過(guò)熱處理的工業(yè)純鋁制伸長(zhǎng)材料的拉伸強(qiáng)度是180MPa，在473K下并且以10-4/s的應(yīng)變速率研究斷裂延伸率時(shí)，延伸率顯示為150％。因此，顯然產(chǎn)生了超塑性現(xiàn)象。
此外，當(dāng)切出10mm×10mm×1.25mm的用于組織觀察的試件，并用0.5％王水腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行偏振光簡(jiǎn)單觀察時(shí)，晶粒尺寸約為15μm。這個(gè)值是施加超聲波之前晶粒尺寸150μm的1/10。
作為金屬材料，使用具有外圓切削刃的切割機(jī)從工業(yè)純鐵制冷軋材料上切出20mm×50mm×1.25mm的試件，并用乙醇迅速清潔試件的表面。
使用超聲波均質(zhì)機(jī)作為超聲波施加裝置，向直徑22mm的鈦合金喇叭的端面涂覆適量硅脂，然后利用夾具將上述工業(yè)純鐵制冷軋材料的試件壓于該端面，施加19kHz和300W的超聲波振動(dòng)60秒。
將施加過(guò)超聲波的工業(yè)純鐵制冷軋材料的試件置于真空加熱爐中，并使用5Pa的真空度和923K的加熱溫度進(jìn)行1小時(shí)的熱處理，即加熱溫度/熔點(diǎn)＝0.51。
在工業(yè)純鐵制冷軋材料的試件中幾乎沒(méi)有觀察到由于上述處理引起的變形和尺寸改變。
經(jīng)過(guò)熱處理的工業(yè)純鐵制冷軋材料的拉伸強(qiáng)度是700MPa，在923K下并且以10-3/s的應(yīng)變速率研究斷裂延伸率時(shí)，延伸率顯示為200％。因此，顯然產(chǎn)生了超塑性現(xiàn)象。
此外，當(dāng)切出10mm×10mm×1.25mm的用于組織觀察的試件，并用1％的硝酸乙酯(ethanol nitrate)溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行偏振光簡(jiǎn)單觀察時(shí)，晶粒尺寸約為10μm。這個(gè)值是施加超聲波之前晶粒尺寸150μm的1/15。
作為金屬材料，使用具有外圓切削刃的切割機(jī)從AZ31制伸長(zhǎng)材料上切出20mm×50mm×1.25mm的試件，并用乙醇迅速清潔試件的表面。
使用超聲波均質(zhì)機(jī)作為超聲波施加裝置，向直徑22mm的鈦合金喇叭的端面涂覆適量硅脂，然后利用夾具將上述AZ31制伸長(zhǎng)材料的試件壓在該端面，施加19kHz和200W的超聲波振動(dòng)15秒。
將施加過(guò)超聲波的AZ31制伸長(zhǎng)材料的試件置于真空加熱爐中，并使用5Pa的真空度和503K的加熱溫度進(jìn)行1小時(shí)的熱處理，即加熱溫度/熔點(diǎn)＝0.54。
在AZ31制伸長(zhǎng)材料的試件中幾乎沒(méi)有觀察到由于上述處理引起的變形和尺寸改變。
經(jīng)過(guò)熱處理的AZ31制伸長(zhǎng)材料的拉伸強(qiáng)度是300MPa，在503K下并且以10-2/s的應(yīng)變速率研究斷裂延伸率時(shí)，延伸率顯示為100％。因此，顯然產(chǎn)生了超塑性現(xiàn)象。
此外，當(dāng)切出10mm×10mm×1.25mm的用于組織觀察的試件，并用1％的硝酸乙酯溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行偏振光簡(jiǎn)單觀察時(shí)，晶粒尺寸約為5μm。這個(gè)值是施加超聲波之前晶粒尺寸150μm的1/30。
將施加過(guò)超聲波的AZ31制伸長(zhǎng)材料的試件置于真空加熱爐中，并使用5Pa的真空度和463K的加熱溫度進(jìn)行1小時(shí)的熱處理，即加熱溫度/熔點(diǎn)＝0.50。在其它方面，進(jìn)行與實(shí)施方案3相同的操作。
經(jīng)過(guò)熱處理的AZ31制伸長(zhǎng)材料的拉伸強(qiáng)度是310MPa，在503K下并且以10-2/s的應(yīng)變速率研究斷裂延伸率時(shí)，延伸率顯示為130％。因此，顯然產(chǎn)生了超塑性現(xiàn)象。
此外，當(dāng)切出10mm×10mm×1.25mm的用于組織觀察的試件，并用1％的硝酸乙酯溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行偏振光簡(jiǎn)單觀察時(shí)，晶粒尺寸約為3μm。這個(gè)值是施加超聲波之前晶粒尺寸150μm的1/50。
將施加過(guò)超聲波的AZ31制伸長(zhǎng)材料的試件置于真空加熱爐中并使用5Pa的真空度和523K的加熱溫度進(jìn)行0.5小時(shí)的熱處理，即加熱溫度/熔點(diǎn)＝0.57。在其它方面，進(jìn)行與實(shí)施方案3相同的操作。
經(jīng)過(guò)熱處理的AZ31制伸長(zhǎng)材料的拉伸強(qiáng)度是300MPa，在503K下并且以10-2/s的應(yīng)變速率研究斷裂延伸率時(shí)，延伸率顯示為100％。因此，顯然產(chǎn)生了超塑性現(xiàn)象。
此外，當(dāng)切出10mm×10mm×1.25mm的用于組織觀察的試件，并用1％的硝酸乙酯溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行偏振光簡(jiǎn)單觀察時(shí)，晶粒尺寸約為5μm。這個(gè)值是施加超聲波之前晶粒尺寸150μm的1/30。
作為金屬材料，使用具有外圓切削刃的切割機(jī)從AZ31制伸長(zhǎng)材料上切出20mm×50mm×1.25mm的試件，并用乙醇迅速清潔試件的表面。
使用超聲波均質(zhì)機(jī)作為超聲波施加裝置，以如下方式安裝直徑為22mm的鈦合金喇叭喇叭的端面與浸入純水的AZ31制伸長(zhǎng)材料的試件的距離為2cm，并施加19kHz和240W的超聲波振動(dòng)300秒。
將施加過(guò)超聲波的AZ31試件置于真空加熱爐中，并使用5Pa的真空度和453K的加熱溫度進(jìn)行1小時(shí)的熱處理，即加熱溫度/熔點(diǎn)＝0.49。
在AZ31制試件中幾乎沒(méi)有觀察到由于上述處理引起的變形和尺寸改變。
經(jīng)過(guò)熱處理的AZ31制伸長(zhǎng)材料的拉伸強(qiáng)度是375MPa，在503K下并且以10-2/s的應(yīng)變速率研究斷裂延伸率時(shí)，延伸率顯示為233％。因此，顯然產(chǎn)生了超塑性現(xiàn)象。
此外，當(dāng)切出10mm×10mm×1.25mm的用于組織觀察的試件，并用1％的硝酸乙酯溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行偏振光簡(jiǎn)單觀察時(shí)，晶粒尺寸約為1μm。這個(gè)值是施加超聲波之前晶粒尺寸150μm的1/150。
作為金屬材料，使用具有外圓切削刃的切割機(jī)從AZ31制伸長(zhǎng)材料上切出20mm×50mm×1.25mm的試件，并用乙醇迅速清潔試件的表面。
使用超聲波均質(zhì)機(jī)作為超聲波施加裝置，以如下方式安裝直徑為22mm的鈦合金喇叭喇叭的端面與浸入純水的AZ31制伸長(zhǎng)材料的試件的距離為2cm，然后施加19kHz和240W的超聲波振動(dòng)300秒。
將施加過(guò)超聲波的AZ31試件置于真空加熱爐中，并使用5Pa的真空度和303K的加熱溫度進(jìn)行1小時(shí)的熱處理，即加熱溫度/熔點(diǎn)＝0.33。
在AZ31制試件中幾乎沒(méi)有觀察到由于上述處理引起的變形和尺寸改變。
經(jīng)過(guò)熱處理的AZ31制伸長(zhǎng)材料的拉伸強(qiáng)度是260MPa，在503K下并且以10-2/s的應(yīng)變速率研究斷裂延伸率時(shí)，延伸率顯示為50％。因此，顯然沒(méi)有產(chǎn)生超塑性現(xiàn)象。
此外，當(dāng)切出10mm×10mm×1.25mm的用于組織觀察的試件，并用1％的硝酸乙酯溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行偏振光簡(jiǎn)單觀察時(shí)，晶粒尺寸約為150μm并且沒(méi)有觀察到相對(duì)于施加超聲波之前晶粒尺寸150μm的變化。
將施加過(guò)超聲波的AZ31制伸長(zhǎng)材料的試件置于真空加熱爐中，并使用5Pa的真空度和533K的加熱溫度進(jìn)行1小時(shí)的熱處理，即加熱溫度/熔點(diǎn)＝0.62。在其它方面，進(jìn)行與對(duì)照實(shí)施例1相同的操作。
在AZ31制伸長(zhǎng)材料的試件中幾乎沒(méi)有觀察到由于上述處理引起的變形和尺寸改變。
經(jīng)過(guò)熱處理的AZ31制延長(zhǎng)材料的拉伸強(qiáng)度是280MPa，在503K下并且以10-2/s的應(yīng)變速率研究斷裂延伸率時(shí)，延伸率顯示為80％。因此，顯然沒(méi)有產(chǎn)生超塑性現(xiàn)象。
此外，當(dāng)切出10mm×10mm×1.25mm的用于組織觀察的試件，并用1％的硝酸乙酯溶液腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行偏振光簡(jiǎn)單觀察時(shí)，晶粒尺寸約為30μm。這個(gè)值是施加超聲波之前晶粒尺寸150μm的1/5。
工業(yè)應(yīng)用性根據(jù)本發(fā)明的高強(qiáng)度超塑性材料制造方法，可以向金屬材料提供大的內(nèi)應(yīng)變并且可以易于得到具有細(xì)晶粒構(gòu)成的金屬組織的高強(qiáng)度超塑性材料。
權(quán)利要求
1.制造高強(qiáng)度超塑性材料的方法，其中向金屬材料施加超聲波之后，在以絕對(duì)溫度表示的該金屬材料熔點(diǎn)乘以0.35至0.6得到的溫度下對(duì)該金屬材料進(jìn)行熱處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造高強(qiáng)度超塑性材料的方法，其中該金屬材料是比衰減率不小于10％的高減震金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的制造高強(qiáng)度超塑性材料的方法，其中比衰減率不小于10％的該高減震金屬材料是Mg或Mg合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的制造高強(qiáng)度超塑性材料的方法，其中以絕對(duì)溫度表示的該金屬材料熔點(diǎn)乘以0.35至0.6得到的溫度是該金屬材料的再結(jié)晶溫度。
全文摘要
提出了制造高強(qiáng)度超塑性材料的方法，該方法能夠容易地獲得具有細(xì)晶粒構(gòu)成的金屬組織的高強(qiáng)度超塑性材料。向金屬材料施加超聲波之后，在以絕對(duì)溫度表示的該材料熔點(diǎn)乘以0.35至0.6得到的溫度下對(duì)該金屬材料進(jìn)行熱處理。最合適的金屬材料是比衰減率不小于10％的高減震金屬材料，特別是Mg或Mg合金。
文檔編號(hào)C22F1/06GK1795282SQ200480014439
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者山本一富 申請(qǐng)人:古河機(jī)械金屬株式會(huì)社