技術領域

本發明涉及低碳鋼的納米結構制備方法以及由此制備的納米結構低碳鋼，特別是涉及塊體納米結構低碳鋼及其制備方法。

背景技術

一般而言，低碳鋼具有低的抗拉強度和疲勞極限。典型地，可以通過以下四種方式提高低碳鋼的抗拉強度和疲勞極限：1)合金化(即固溶強化或析出硬化)；2)相變強化(諸如馬氏體化)；3)通過熱處理將晶粒細化至微米量級，或者通過劇烈的塑性變形將晶粒細化至亞微米量級；4)將晶粒細化至納米量級。

通過上述第四種方式制備的納米結構低碳鋼由于晶粒尺寸小、界面密度高等而表現出優異的力學和物理性能，例如其具有高的抗拉強度和疲勞極限。與傳統的高強度鋼相比，納米結構低碳鋼消耗較少的合金元素，具有更佳的可焊性，并在汽車、造船、風能和航空工業等方面顯示出廣闊、良好的應用前景。目前已知多種制備納米材料的方法，包括物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、非晶晶化法等，然而由這些方法獲得的納米材料或因制備工藝復雜、生產成本高，或因材料的外形尺寸有限、內部孔隙等缺陷而大多難以在工業上取得實際應用。特別是，在目前的現有技術中，如何在較大塊體材料、尤其是例如厚度或直徑為5mm以上(即等于或大于5mm)的塊體低碳鋼中獲得均勻的納米結構以及如何以低的生產成本制備塊體納米結構材料仍面臨著巨大的挑戰。

發明內容

鑒于以上背景，本發明的目的在于提出一種低成本、經濟地制備塊體納米結構低碳鋼的方法。

本發明的另一個目的在于提供具有較大尺寸的塊體納米結構低碳鋼。

為達到上述目的，本發明提供了一種塊體納米結構低碳鋼的制備方法，包括以下步驟：

準備低碳鋼塊體坯料；

由壓縮設備沖擊低碳鋼塊體坯料，以迫使低碳鋼塊體坯料以通常在10²-10³/s范圍內的高應變速率變形，由此使低碳鋼塊體坯料的顯微結構納米化，即制備出塊體納米結構低碳鋼。

已經發現，經過上述以通常在10²-10³/s范圍內的高應變速率進行的變形處理后，本發明可以低成本、經濟地制備出塊體納米結構低碳鋼，特別是可以在例如厚度或直徑為5mm以上的較大塊體低碳鋼中獲得均勻的納米結構。而且，由本發明的方法制備的塊體納米結構低碳鋼最終可以在整個體積內將其特征結構(如晶粒尺寸)顯著細化至納米量級，并顯示出高的抗拉強度和高的疲勞極限，這主要得益于低碳鋼的高塑性和本發明的高變形速率下的變形。

有利的是，所述壓縮設備為動態壓縮設備，所述高應變速率變形可進行多次。事實上，根據低碳鋼塊體坯料的初始狀態和具體需要，可選擇性地進行一次或多次上述變形過程，直到獲得所需的塊體尺寸和顯微結構為止。

有利的是，所述低碳鋼塊體坯料由傳統的低碳鋼20C制成。

有利的是，每次變形時的應變被設定為≥0.1，變形后的總應變被設定為≥1.4。

有利的是，將每次變形時的應變控制在0.1-0.2的范圍內。

有利的是，根據本發明制備出的塊體納米結構低碳鋼的厚度或直徑為5mm以上。

有利的是，可在沖擊之前對低碳鋼塊體坯料進行預處理(例如熱處理)，以盡可能地獲得較均勻的初始顯微結構。顯然，低碳鋼塊體坯料的初始顯微結構越均勻，將越有利于本發明的方法的高應變速率變形，并有利于獲得更均勻的顯微結構和更佳的機械性能。

有利的是，所述動態壓縮設備包括下砧和上沖砧，當實施本發明的方法時，所述低碳鋼塊體坯料放置在下砧上，并由上沖砧在高加載速率下壓縮。

有利的是，所述低碳鋼塊體坯料呈板狀、矩形或圓柱形。當然，根據具體情況和實際需要，所述低碳鋼塊體坯料也可呈任何其它所需形狀。

有利的是，由于低碳鋼的高塑性，本發明的變形過程可在室溫下進行。當然，根據需要，也可以很方便地通過冷卻或加熱系統控制變形時環境和樣品的溫度(例如，可以通過冷卻裝置保證低碳鋼塊體坯料在低溫下變形)。

有利的是，當對本發明的低碳鋼塊體坯料進行冷卻時，冷卻介質可以為空氣、液氮等。

本發明的方法可利用簡單的設備實施，易于控制和批量生產，并能夠以經濟的生產成本制備出例如厚度或直徑為5mm以上的較大塊體納米結構低碳鋼。此外，由本發明制備的納米結構低碳鋼內部結構均勻，與傳統低碳鋼相比，其具有顯著高的抗拉強度和疲勞極限。

本發明還提出一種優選由上述方法制備的塊體納米結構低碳鋼，其中所述塊體納米結構低碳鋼具有較大尺寸，優選地是厚度為5mm以上的板材或者直徑為5mm以上的棒材。