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深冷轧制制备高性能金属材料研究进展

摘要:相较于原来的热轧、温轧和冷扎方法来说，深冷轧制属于一种改革性

科技术，其用部分金属材料于深轧条件下具备良好的塑形变形性能和深冷环境限

制塑形变形阶段错位运动与再结晶行为，使得原料晶粒细化，原料具备较高的强

度和韧度。文章系统分析了近几年深冷轧制加工高性能金属物料的探究进展，涉

及深冷轧制于铝合金、铜合金以及钛合金等方便的使用，最后对深冷轧制加工高

性能金属物料的探究展开了展望。

关键词：深冷轧制工艺；高性能；金属物料；探究进展

1.

金属物料的深冷机械能力

材料于深冷状态下的力学性能和室温状态下的力学性能存在明显差别。针对

部分材料，像管线钢与橡胶材料于深冷状态下会从韧性材料变为脆性材料，当外

部应力超过材料屈服力时材料将会脆性断开。但是，针对另一部分金属物料，像

铝合金、铜合金以及钛合金等，其在深冷状态下具备比室温更好的强度和韧性，

图1是室温与深冷状态下6061铝合金、纯铜以及高锰钢这几种材料的应力应变

图。基于这类材料的深冷物理特性，对其展开深冷轧制既不会出现裂纹问题，也

能够得到比热轧与冷轧更好的机械能力。

图1三种常见金属物料在室温与深冷状态下产生的应力应变曲线

2、高性能金属原料加工中深冷轧制工艺的使用

2.1加工铝合金原料

6061铝合金原料于深冷条件下具备比室温条件下更好的强度和塑形，所以，

深冷轧制被普遍用来加工超细晶铝合金原料。结合现有探究报道，针对绝大多数

铝合金，其经过深冷轧制处理后的力学能力都大于冷轧处理后的力学能力，具体

原因在于铝合金深冷轧制环节晶粒大小会明显削减。针对室温异步轧制加工的纯

铝带材，其材料大小是500nm，但采取深冷异步轧制加工的纯铝带材，其材料大

小削减至220nm。

针对大塑性变化工艺加工的超细晶金属原料，通常伴随材料强度的提升而产

生韧性减小情况，但是，深冷成形可以同时提高材料强度和韧度。大量研究显示，

深冷轧制加工的铝合金原料的韧度也超过冷轧加工的铝合金原料。深冷轧制加工

的超细晶金属带材存在良好的工业化发展前景。

2.2加工铜合金原料

超细晶金属铜存在良好的力学性能、导电性能和防疲劳性能，原来一段时间

获得学术界与工业界的普遍关注。铜与铜合金于室温条件下有着良好的延展率，

但是，深冷条件下铜合金具备比室温条件下更好的强度与韧性，所以，深冷轧制

[1]

同样被普遍用于加工超细晶铜合金。于室温拉伸环节，深冷轧制加工的超细晶

铜带材产生了晶粒扩大和晶粒细分的协调变化效应。有些晶粒细化提升了强度，

有些晶粒扩大提升了材料韧度，进而有效诠释了深冷轧制加工超细晶铜高强度韧

度的主因。当退火温度＜100℃时，深冷异步轧制加工的高纯铜带材机械能力更

为稳固，具备良好的热稳固性。

2.3加工钛合金原料

超细晶钛合金在原来一段时间引起了学术界的普遍关注,尤其是超细晶钛合

金于超塑性变化、医疗仪器等方面有着良好的发展前景。钛合金属于HCP结构,

它的室温塑性变化性能小于其深冷条件下的塑性变化性能。深冷轧制加工钛合金

[2]

可以有效增强其机械能力。深冷轧制可以明显细分钛合金晶粒,它的晶粒大小和

深冷轧制环节等效应变呈线性关系减小,当等效应变为2.3时,晶粒大小从5.5cm

细分至17nm。当选择冷轧工艺时,钛合金最高真应力可以达到1000MPa,而选择

深冷轧制时,钛合金最高真应力可以高达1200MPa，与冷轧工艺对比，最高真应

力上升了20%。而且,与冷轧工艺加工的材料比较,深冷轧制加工的材料且韧性得

到明显提升。深冷轧制与冷轧的钛带材力学能力不同，是由于深冷轧制完成后材

料内孪晶的大小与孪晶距离明显缩小。对深冷轧制与冷轧加工的钛带材放在不同

温度条件下进行热处理,得知深冷轧制加工的钛带材细微组织更为稳固。

3、结论及研究展望

和橡胶等材料不一样，大量金属材料于深冷条件下具备比其在室温条件下更

好的塑形变化性能，所以，能够利用深冷轧制工艺对其展开处理。深冷轧制环节，

因为超低温限制错位运动使得晶粒细化，因此能够明显提高铝合金、铜合金和钛

合金等金属原料的晶粒细化质量，且提高材料的力学能力，尤其是针对金属纯铜

材料，使用深冷轧制工艺还能够提升材料的热稳固性，保证材料强度、韧度以及

[3]

热稳固性的统