梯度结构纯铜轧制组织性能研究(2)
1.1 课题的主要背景和现阶段发展状况纳米材料在最近特别是二十几年内迅速发展，已经成为了人类进入科技新时代的一个显著标志。纳米科技的发展不是毫无缘由的，因为纳米材料的出现对于人类社会而言是一次巨大的变化，将及其有力地推动影响我们工作、生活的各方面的进一步革新。对于现阶段来说，表面纳米化很显然已经成为纳米科技领域的绝对热点，而且经由表面纳米化后，材料会成为与传统材料毫不相同的梯度结构，由于表面纳米化技术对材料性能提升有很大帮助，而且并不难操作，因此也相应地成为了制备金属梯度结构材料的有效方法，本次课题主要研究梯度材料，即经由表面纳米化操作制备的，梯度结构的纳米材料铜，再经过低应变地液氮轧制，来相应改变已得到的梯度铜的各种参数，特别是粗糙度和力学性能[1]，这将再一次使得材料各种参数得到提高，从而获得更加优良的金属结构，造福今后的实际社会生活和工业工程应用。
1.2 表面纳米化处理介绍表面纳米化技术是基于纳米科技的又一次重大突破，即利用各种物理化学方法使材料的表面晶粒细化，从而达到微米和纳米尺度，然而材料的基体，也就是内部和芯部，却不发生本质变化，这对于现有纳米科技是一种创新，也是一种挑战。这项技术使得材料得到了明显改进，各种性能和参数都与原来不同，而且基本都得到了有效地提高，在与生活相关的各行业中，利用此技术可以令力学性能得到与之前不同的突破，也就是说，与传统材料相比，这样的新型纳米化的材料会使得材料更加安全、耐用，也会相应提高材料在各行各业使用过程中的寿命，传统材料不管是性能还是参数都可以得到显著提升，从而使得表面纳米化处理过的材料在生产和生活的各个领域有所施展。
1.3 梯度结构材料常用的制备方法纳米材料与较为传统的金属材料相比，拥有很多优秀地参数与性能，作为一项已经快速发展几十年的新兴科学技术，虽说还未完全成熟，但也已经在实验和工业领域产生了许多有效的制备方法，其中关于表面纳米化处理的方法自然也有很多，1999 年，K Lu曾经提出了表面纳米化概念[2]，从此开启了纳米科技的新时代，至今为止，表面纳米化主要有三种常见的方法： 即表面沉积或者表面涂层、 表面自纳米化、 化学处理与表面自纳米化结合的混合方式[3]。关于表面纳米化的这三种处理方法，首先第一种会造成表面纳米化表层与内部基体材料之间形成非常显著的界面，混合处理方式比较复杂，改变了纳米化的表面化学成分，而最为优异的要数表面自纳米化，处理起来不会很复杂，也不会如前者改变纳米化表面化学成分，亦不会导致表层基体之间界面的形成，因此可以说是非常适合实验研究和工业领域发展。基于上述的方法比较，本次实验也采用表面自身纳米化来处理。
1.4 表面纳米化后的性能变化表面纳米化后，商业纯铜会发生严重变化，其中最明显的就是晶粒的细化，这一点完全可以由肉眼看到，而且在晶粒细化过程中，表面层发生的形变也改变了纯铜的粗糙度，使得纯铜表面不似之前光滑，反而凹凸不平，这也算表面纳米化的一个缺陷。但除此之外，表面纳米化后的纯铜，在强度方面具有非常明显的提高，但韧性却不减[4]，这不仅在实验室中呈现出良好的性能曲线，更会在工业工程应用和社会生活中带来更大影响，减小不必要地损失。之所以会出现这样优良的特性，是因为表层的纳米晶粒使得位错运动受阻，而表层与芯部的明显对比从而形成的梯度结构也导致滑移困难[5]。不仅如此，表面纳米化过后，表面的硬度急剧提高，与芯部再次形成明显对比，芯部的硬度相对较小，从而进一步提升了梯度纯铜的结构性能。表面纳米化材料具有其他材料不同的结构，也就是梯度结构。其中芯部位置与寻常材料无异，都是无变化的普通材料，而由内到外，则先是粗晶部分，再经过细晶层面，然后就是最表层的纳米层面(厚度大约 10-15μm)，如图所示：