骨启发金属管

为设计出新一代的高性能材料,研究者们相继仿效自然界中一些具特殊结构及功能的材料,例如骨骼。骨骼所具有的出色的机械性能归功于其梯度结构。硬骨皮质的表皮结构包裹着骨核中相对柔软的骨小梁组织,使其具有优异的强度和韧性。在此研究中,我们提出一种新的金属管件加工技术,能赋予管件从内部的微米尺度晶粒转变至表面的超细晶粒的梯度结构。这种技术称为高压管件剪切(High Pressure Tube Shearing,HPTS)。由于形变过程结合了高静水压应力和巨大的剪切形变,HPTS也被归纳为剧塑性形变技术的一种。剧塑性形变技术通过晶粒细化有效提高金属材料的力学性能,在近年被越来越多的课题组研究应用。该研究中实现的梯度结构也将拓宽该技术的应用前景。

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通过加工钢管和钛管,作者就HPTS中一系列加工参数对管件的微结构和性能的影响进行了研究。通过深入的机理理论分析,有限元模拟,以及对于管件本身的微观结构和织构的表征,确定了HPTS能够加工出具备表面超细晶粒的梯度结构。该超细晶粒层可形成于管件的外表面,内表面或是双面;其厚度亦可通过调整加工过程中模具旋转和上下平移的速度来控制。基于文中报道的机制研究和实验论证,HPTS技术在扩大规模后,可望应用于高性能金属管件的工业化生产。

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