一种冷变形制备高强度纯锆的方法
阅读说明：本技术 一种冷变形制备高强度纯锆的方法 (Method for preparing high-strength pure zirconium through cold deformation ) 是由 郭得峰 郝津源 李明 李晓红 李伟 张湘义 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种冷变形制备高强度纯锆的方法,其包括以下步骤：S1、用线切割机把需要进行强化处理的材料切成矩形板材样品,矩形板材样品的规格为：长宽为50mm×10mm,厚度为2-4mm；S2、将矩形板材样品表面用酒精擦拭干净,均匀涂抹防氧化膏,待防氧化膏风干以后,放在马弗炉中在950-1030℃温度下保温30-60分钟,取样迅速放入冷水中进行淬火处理,一段时间后取出,剥落防氧化层；S3、对水淬处理的矩形板材样品进行多道次冷轧变形。本发明在室温冷变形的基础上,对变形前的金属板材进行淬火处理。将控制合金相结构的淬火热处理工艺,创新性的用于纯金属变形前样品微结构的调控。(The invention provides a method for preparing high-strength pure zirconium by cold deformation, which comprises the following steps: s1, cutting the material to be reinforced into rectangular plate samples by using a wire cutting machine, wherein the specification of the rectangular plate samples is as follows: the length and width are 50mm multiplied by 10mm, and the thickness is 2-4 mm; s2, wiping the surface of the rectangular plate sample clean with alcohol, uniformly coating anti-oxidation paste, after the anti-oxidation paste is air-dried, placing the rectangular plate sample in a muffle furnace, preserving the temperature for 30-60 minutes at the temperature of 950-1030 ℃, quickly sampling, placing the rectangular plate sample in cold water for quenching treatment, taking out the rectangular plate sample after a period of time, and stripping off an anti-oxidation layer; and S3, performing multi-pass cold rolling deformation on the water-quenched rectangular plate sample. The invention carries out quenching treatment on the metal plate before deformation on the basis of cold deformation at room temperature. The quenching heat treatment process for controlling the alloy phase structure is innovatively used for regulating and controlling the microstructure of a sample before the pure metal is deformed.)
技术领域
本发明涉及金属材料的制备方法，特别涉及一种冷变形制备高强度纯锆的方法。
背景技术
全球的能源危机和污染问题对新材料提出越来越高的要求，其中制备具有超高强度的结构材料是节能减排的有效手段。变形强化是提高金属材料强度的主要方式之一。传统的变形强化方法有轧制、锻压、挤压、累积叠轧等等。利用这些塑性变形工艺，人们能够将金属材料细化至亚微米、甚至200-300纳米，从而大大提升了材料的强度。为了进一步提高变形效果，科研工作者开发了多种新的严重塑性变形工艺，比如液氮低温轧制、液氮低温动态变形、等通道挤压、高压扭转等。利用这些新的变形工艺，人们进一步将金属材料的晶粒尺寸细化至几十甚至十几纳米，使金属材料的强度得到了大幅的提高。比如，纳米结构铜的抗拉强度可以达到～900MPa，远高于其粗晶试样的220MPa。但这些新的严重塑性变形工艺也存在着一些问题。例如，液氮低温变形需要高昂的冷却剂费用，而且难以对大尺寸样品进行操作；高压扭转变形只能得到小的样品，在大尺寸样品上操作困难等。
金属锆是重要的核工业和化工业使用的金属材料，且具有优异的生物医用特性。但是锆材料的强度比较低，例如纯锆的抗拉强度382.32MPa，屈服强度330.43MPa。虽然利用合金化的方法可以提高锆金属的强度，但是合金元素的引入会带来其他的一些问题。例如辐照性能的退化、生物毒性等等。变形是提高金属材料强度的常用手段，但是常温下锆属六方晶系，具有滑移系少，塑性变形差的特点，因此利用变形强化的效果往往比较有限。
在以往的研究中，人们主要关注变形参数(如变形量、变形速率、温度)对材料微结构和力学性能的影响。忽略了变形前样品的状态对后续变形结构和力学性能的影响。而变形前样品的微结构，包括晶粒尺寸、形态、织构，都会对后续变形微结构和力学性能产生巨大的影响。
淬火是常用的热处理工艺方法。通过急速冷却，人们可以控制合金的相结构与相组成，从而实现力学性能的调控。淬火工艺的应用范围为合金材料(如钢、铝合金、铜合金、钛合金等)或玻璃材料的结构和性能调控。对于锆合金，人们通过添加β相稳定元素并结合淬火工艺，可以获得具有α+β双相结构的锆合金，并获得高的强度。
纯锆除了有常温的六方晶体结构(α相)，在862℃以上，它还具有高温的体心立方结构(β相)。如果对纯锆进行β相变点以上保温并进行水淬，并不会形成传统淬火工艺的相结构调控效果，这是因为没有β相稳定元素的掺杂，高温的β相不会保留至室温。但是，快速相变的过程中，α相会以板条的形式在高温β相中析出。这样，淬火处理后材料的晶粒尺寸、形态和织构相比铸态或再结晶态纯锆的微结构会发生很大改变。这会对锆的变形会产生非常重要的影响。因此，本发明将控制合金相结构的淬火热处理工艺，创新性的用于纯金属变形前样品微结构(晶粒尺寸、形态和织构)的调控。在随后的冷轧变形中，样品中形成了更细小的晶粒结构，进而获得了更高的屈服强度和抗拉强度。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种冷变形制备高强度纯锆的方法。本发明主要是通过将纯锆在β相变点以上保温后进行水淬处理，进而提高后续室温冷轧变形强化的效果，从而实现超高强度纯锆的制备。
具体地，本发明提供一种冷变形制备高强度纯锆的方法，其包括以下步骤：
S1、用线切割机把需要进行强化处理的材料切成矩形板材样品，矩形板材样品的规格为：长宽为50mm×10mm，厚度为2-4mm；
S2、将矩形板材样品表面用酒精擦拭干净，均匀涂抹防氧化膏，待防氧化膏风干以后，放在马弗炉中在950-1030℃温度下保温30-60分钟，取样迅速放入冷水中进行淬火处理，一段时间后取出，剥落防氧化层；
S3、对水淬处理的矩形板材样品进行多道次冷轧变形。
优选地，步骤S3中变形量为80-90％，轧机的输出功率为7500W，扭矩为1077Nm，轧辊直径为90mm；轧制过程中的线速度117.6mm/s，轧制每道次下压量0.05-0.1mm，轧制变形后样品的厚度为0.4mm，变形量为80-90％。
优选地，还包括步骤S4，对矩形板材样品进行拉伸测试。
优选地，步骤S2冷水淬火前后样品均为纯α相。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在室温冷变形的基础上，对变形前的金属板材进行淬火处理。将控制合金相结构的淬火热处理工艺，创新性的用于纯金属变形前样品微结构的调控。这不同于现有冷变形技术对铸态、再结晶态或热轧态的金属材料直接进行冷变形处理。一般来说，淬火是对合金材料进行的、以获得新相为目的的热处理工艺，通过保留高温相或淬火过程中形成的马氏体相来提高材料强度。本发明虽然采用了淬火工艺，但淬火前后的相组成并未发生变化，都是常温的六方α相。因此，淬火的效果只是为了改变了α相的晶粒尺寸、形态和晶粒取向。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本专利的拉伸样品的尺寸示意图；
图3是本专利实施例1未淬火和经淬火处理的高纯锆的XRD图；
图4a和图4b分别是本专利实施例1未淬火和经淬火处理的高纯锆的金相照片示意图；
图5是本专利实施例1未淬火和经淬火处理的高纯锆样品经冷轧变形后的工程应力-应变曲线示意图；
图6是本专利实施例2未淬火和经淬火处理的商业纯锆的XRD图；
图7是本专利实施例2未淬火和经淬火处理的商业纯锆经冷轧变形后的工程应力-应变曲线。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
具体地，本发明提供一种冷变形制备高强度纯锆的方法，其包括以下步骤：
S1、用线切割机把需要进行强化处理的材料切成矩形板材样品，矩形板材样品的规格为：长宽为50mm×10mm，厚度为2-4mm；
S2、将矩形板材样品表面用酒精擦拭干净，均匀涂抹防氧化膏，待防氧化膏风干以后，放在马弗炉中在950-1030℃温度下保温30-60分钟，取样迅速放入冷水中进行淬火处理，一段时间后取出，剥落防氧化层；
S3、对水淬处理的矩形板材样品进行多道次冷轧变形。
优选地，步骤S3中变形量为80-90％，轧机的输出功率为7500W，扭矩为1077Nm，轧辊直径为90mm；轧制过程中的线速度117.6mm/s，轧制每道次下压量0.05-0.1mm，轧制变形后样品的厚度为0.4mm，变形量为80-90％。
优选地，还包括步骤S4，对矩形板材样品进行拉伸测试。
具体实施例1
(1)取厚度为4mm的高纯锆板，纯度为Zr+Hf≥99.95％。将其切为长×宽＝50mm×10mm的矩形板。
(2)打磨样品并在四周均匀涂抹防氧化膏并风干且无裂纹。
(3)将步骤(2)中处理好的样品放入烧至1030℃的马弗炉中保温30分钟。
(4)将样品从马弗炉中迅速取出并放入水中冷却5min；冷却后，剥落防氧化层。淬火态样品的XRD和金相照片见图3和图4。由图3的XRD数据可以看出：淬火前后样品均为纯α相，淬火样品中没有β相残留；与未淬火样品相比，淬火样品的(002)峰明显降低，表明基面织构大幅降低。由图4的金相照片对比可以看出，淬火前样品中为20-100μm的等轴晶；淬火后样品为板条结构，板条宽度约为10μm。
(5)将步骤(4)样品进行轧制，轧机线速度117.6mm/s，轧制每道次压下量0.1mm，扎至0.4mm停止。
(6)按照图2规格切出拉伸测试试样。利用英斯特朗5948微力材料试验机对步骤(5)处理的拉伸试样进行力学性能测试，拉伸应变速率为1×10-3s-1，拉伸曲线如图5所示。可以看出：未经淬火的高纯锆经轧制变形后，屈服强度和抗拉强度分别为550MPa和599MPa；经过淬火处理样品经轧制变形后，屈服强度和抗拉强度分别为640MPa和732MPa。屈服强度和抗拉强度分别提高了16.4％和22.2％。
具体实施例2
(1)取厚度为2mm的商业纯锆，成分为：Zr+Hf≥99.2，Hf≤4.5％，Fe+Cr:0.2％，C：0.05％，N：0.025％，H：0.005％，O：0.1％。将其切为长×宽＝50mm×10mm的矩形板。
(2)打磨样品并在四周均匀涂抹防氧化膏并风干且无裂纹。
(3)将(2)中处理好的样品放入烧至950℃的马弗炉中保温60分钟。
(4)将样品迅速取出放入水中冷却5min，剥落防氧化层。淬火态样品的XRD和金相照片见图6。由图6的XRD数据可以看出：淬火前后样品均为纯α相，淬火样品中没有β相残留；与未淬火样品相比，淬火样品的(002)峰明显降低，表明基面织构大幅降低。
(5)对(4)样品室温轧制变形，轧机线速度117.6mm/s，轧制每道次压下量0.05mm，样品轧至0.4mm停止。
(6)按照图2规格切出拉伸测试试样。利用英斯特朗5948微力材料试验机对(5)处理的拉伸试样进行力学性能测试，拉伸应变速率为1×10-3s-1，拉伸曲线如图7所示。可以看出：未经淬火的高纯锆经轧制变形后，屈服强度和抗拉强度分别为665MPa和734MPa；经过淬火处理样品经轧制变形后，屈服强度和抗拉强度分别为760MPa和873MPa。屈服强度和抗拉强度分别提高了14.3％和18.9％。
之后将本专利两个实施例得到的结果与现有技术进行对比，对比结果如下表1所示：
表1本专利结果与文献报道结果对比
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在室温冷变形的基础上，对变形前的金属板材进行淬火处理。将控制合金相结构的淬火热处理工艺，创新性的用于纯金属变形前样品微结构的调控。这不同于现有冷变形技术对铸态、再结晶态或热轧态的金属材料直接进行冷变形处理。一般来说，淬火是对合金材料进行的、以获得新相为目的的热处理工艺，通过保留高温相或淬火过程中形成的马氏体相来提高材料强度。本发明虽然采用了淬火工艺，但淬火前后的相组成并未发生变化，都是常温的六方α相。因此，淬火的效果只是改变了α相的晶粒尺寸、形态和晶粒取向。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。