本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種用于制備復(fù)合力學(xué)性能構(gòu)件的方法，該方法特別涉及在一種勻質(zhì)材料構(gòu)件的不同部位構(gòu)筑不同粗細(xì)晶粒組織的方法，尤其是在構(gòu)件的薄弱位置（尺寸較小、應(yīng)力應(yīng)變集中等位置）構(gòu)筑屈服強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度高的細(xì)晶組織，以及在構(gòu)件非薄弱位置構(gòu)筑屈服強(qiáng)度適中、抗拉強(qiáng)度適中的粗晶組織的方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中的金屬結(jié)構(gòu)件在工程中有著廣泛的應(yīng)用，例如交通、航空航天、能源、建筑等諸多領(lǐng)域。此類金屬結(jié)構(gòu)件的安全問(wèn)題一直是材料設(shè)計(jì)與加工領(lǐng)域所關(guān)注的重點(diǎn)。

一般而言，實(shí)際應(yīng)用的金屬結(jié)構(gòu)件并非是等徑的圓棒或等厚的平板結(jié)構(gòu)。為滿足裝配或使用要求，金屬結(jié)構(gòu)件必然會(huì)存在尺寸較小、較薄的區(qū)域，而這些區(qū)域在外部載荷作用時(shí)，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和應(yīng)變集中現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)件容易在這些區(qū)域發(fā)生提前破壞，給金屬結(jié)構(gòu)件的使用安全帶來(lái)隱患。

為解決上述問(wèn)題，通常采用更換材料、改變邊界支撐條件或添加附加結(jié)構(gòu)的方法增加金屬結(jié)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。但上述手段存有一定問(wèn)題：①使用高性能材料有可能會(huì)增加成本；②改變邊界或添加附加結(jié)構(gòu)則會(huì)改變布局，給其他結(jié)構(gòu)件的裝配和使用帶來(lái)影響；③在結(jié)構(gòu)件薄弱位置（尺寸較小、應(yīng)力應(yīng)變集中等位置）使用高性能材料，在結(jié)構(gòu)件非薄弱位置使用性能適中的材料，一定程度上可以降低材料成本，但是不同材料之間需要焊接、鉚接等工藝，無(wú)疑增加了工藝難度；而且，不同材料間的界面易存有缺陷如焊縫夾渣等，無(wú)疑也會(huì)影響金屬材料構(gòu)件的力學(xué)性能和安全性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種在勻質(zhì)材料構(gòu)件的不同部位構(gòu)筑不同粗細(xì)晶粒組織的方法，本發(fā)明與傳統(tǒng)方法對(duì)結(jié)構(gòu)件局部位置進(jìn)行強(qiáng)化（采用高性能材料、采用附加強(qiáng)化結(jié)構(gòu)等）的手段不同，本發(fā)明既不改變結(jié)構(gòu)件的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸，又可以使得結(jié)構(gòu)件具備復(fù)合力學(xué)性能，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)件整體強(qiáng)度和降低局部應(yīng)力應(yīng)變集中的目的，進(jìn)而發(fā)揮材料和結(jié)構(gòu)件的最大功效。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種在勻質(zhì)材料構(gòu)件的不同部位構(gòu)筑不同粗細(xì)晶粒組織的方法，其特征在于，包括以下步驟：

①選擇滿足薄弱位置性能要求的金屬材料，所述金屬材料滿足以下要求：a.金相組織為冷軋態(tài)或細(xì)晶態(tài)；b.受熱條件下不發(fā)生相變，但會(huì)發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大行為再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大行為；c.能夠承受熱沖擊，在≤800K/mm的溫度梯度下不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋；d.材料經(jīng)過(guò)表面毛化或黑化處理后，材料吸收激光熱量的吸收率≥50%，

②對(duì)金屬材料進(jìn)行粗加工或半精加工，并針對(duì)金屬材料不同局部位置留下不同的加工余量，加工余量范圍為0～0.1mm，

③使用連續(xù)激光器，設(shè)置激光光斑尺寸為5～20mm、搭接率為30%～50%、掃描速率為0mm/s～20mm/s、激光功率為0w～1500w，然后對(duì)經(jīng)過(guò)步驟②的金屬材料進(jìn)行激光表面熱處理，其中，針對(duì)金屬材料各局部區(qū)域的不同尺寸設(shè)定不同的激光器參數(shù)，a.金屬材料構(gòu)件局部區(qū)域的厚度小于1.5mm或者金屬材料構(gòu)件局部區(qū)域的直徑小于3mm, 設(shè)置激光光斑尺寸為5～20mm、搭接率為30%～50%、掃描速率為0mm/s、激光功率為0w，b.金屬材料構(gòu)件局部區(qū)域的厚度范圍為1.5～3mm或者金屬材料構(gòu)件局部區(qū)域的直徑范圍為3～5mm, 設(shè)置激光光斑尺寸為5～20mm、搭接率為30%～50%、掃描速率為10mm/s～20mm/s、激光功率為500w～1000w，c.金屬材料構(gòu)件局部區(qū)域的厚度大于3mm或者金屬材料構(gòu)件局部區(qū)域的直徑大于5mm, 設(shè)置激光光斑尺寸為5～20mm、搭接率為30%～50%、掃描速率為5mm/s～10mm/s、激光功率為1000w～1500w，進(jìn)而獲得在不同部分具有不同粗細(xì)晶粒組織結(jié)構(gòu)的金屬材料。

進(jìn)一步的，所述步驟①中金相組織為冷軋態(tài)或細(xì)晶態(tài)的金屬材料包括金相組織初始組織為冷軋態(tài)或細(xì)晶態(tài)的金屬材料、初始組織為粗晶態(tài)并經(jīng)冷軋結(jié)合再結(jié)晶工藝后獲得冷軋組織或者細(xì)晶組織的金屬材料。

進(jìn)一步的，所述金屬材料不同局部位置包括初始為冷軋或細(xì)晶態(tài)組織的局部位置，該局部位置留下0mm的加工余量。

進(jìn)一步的，所述金屬材料不同局部位置還包括滿足低能量密度激光熱處理的局部位置，該局部位置留下0.05～0.07mm加工余量。

進(jìn)一步的，所述金屬材料不同局部位置還包括滿足高能量密度激光熱處理的局部位置，該局部位置留下0.07～0.1mm加工余量。

采用上述方案，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本發(fā)明采用激光表面熱處理工藝對(duì)金屬材料構(gòu)件所需位置表面進(jìn)行激光熱處理，僅對(duì)金屬材料構(gòu)件不同位置的顯微組織進(jìn)行調(diào)整，不會(huì)引起材料成分變化，即金屬材料構(gòu)件整體為同質(zhì)材料；

（2）不同位置不同顯微組織之間無(wú)界面層，可避免焊接工藝產(chǎn)生的焊縫夾渣、氣孔等缺陷，有利于發(fā)揮金屬材料構(gòu)件力學(xué)性能；

（3）本發(fā)明含有兩步機(jī)加工，第一步粗加工或半精加工后留有一定加工余量，即使因金屬材料構(gòu)件尺寸較大、激光加工能量密度高，導(dǎo)致金屬材料構(gòu)件表面有輕微重熔痕跡，也可在第二步精加工中去除。故本發(fā)明可有效保障金屬材料構(gòu)件尺寸精度及表面質(zhì)量；

（4）激光束由光纖進(jìn)行傳導(dǎo)，故采用本發(fā)明，不受金屬材料構(gòu)件外形及尺寸限制，可加工棒狀、板材以及形狀復(fù)雜金屬材料構(gòu)件；

（5）基體材料選擇范圍廣，滿足以下特征：1）可以冷軋結(jié)合再結(jié)晶手段，獲取金相組織為冷軋態(tài)或細(xì)晶態(tài)；2）受熱條件下不發(fā)生相變，但會(huì)發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大行為再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大行為；3）能夠承受熱沖擊，即在≤800K/mm的溫度梯度下不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋；4）材料經(jīng)過(guò)表面處理后（表面毛化或黑化等）可有效吸收激光熱量，吸收率≥50%以上的金屬材料均可，例如純銅、純鐵、TWIP鋼等。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

附圖說(shuō)明

附圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例構(gòu)件A位置金相組織（200倍）結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例構(gòu)件B位置金相組織（200倍）結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例構(gòu)件C位置金相組織（200倍）結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖5為本發(fā)明具體實(shí)施例構(gòu)件D位置金相組織（200倍）結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖6為本發(fā)明具體實(shí)施例構(gòu)件E位置金相組織（200倍）結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施例如圖1-6所示是采用在TWIP鋼構(gòu)件不同部位構(gòu)筑不同粗細(xì)晶粒組織的方法器件所用材料為，該構(gòu)件尺寸如圖1所示。①選擇具有薄弱位置（圖1中A、E位置）、組織為冷軋態(tài)的TWIP鋼，

②將器件進(jìn)行根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸要求，進(jìn)行第一步加工。加工余量分別為：

A、E位置直接精車至φ3±0.01mm，為器件設(shè)計(jì)要求，并在兩端加工出M3螺紋；

B、D位置半精車至φ4﹢0.05mm，即在設(shè)計(jì)尺寸上留0.05mm加工余量；

C位置粗車至φ5﹢0.1mm，即在設(shè)計(jì)尺寸上留0.1mm加工余量；

③利用丙酮或者酒精對(duì)加工后的構(gòu)件進(jìn)行清洗去除表面油污。因?yàn)門WIP鋼表面已經(jīng)可以有效吸收半導(dǎo)體激光光源的能量，故無(wú)需做表面黑化處理。

④利用半導(dǎo)體激光器及相關(guān)裝配夾具對(duì)器件進(jìn)行激光表面熱處理，處理工藝如下：

A、E位置保留冷軋態(tài)組織，無(wú)需處理，其金相組織分別如圖2、圖6所示；

B、D位置以激光功率1000w、激光掃描速率10mm/s、激光光斑尺寸為5mm、搭接率為30%進(jìn)行掃描，處理后金相組織分別如圖3、圖5所示；

C位置以激光工率1500w、激光掃描速率5mm/s、激光光斑尺寸為5mm、搭接率為50%進(jìn)行掃描，處理后金相組織如圖4所示；

⑤將經(jīng)過(guò)激光表面熱處理后的器件精加工至設(shè)計(jì)尺寸；

⑥將加工完的器件利用酒精清洗并吹干后，涂抹黃油后保存。

表1 不同組織器件的力學(xué)性能對(duì)比

經(jīng)過(guò)力學(xué)分析，見表1，本發(fā)明所制備的具備復(fù)合組織的TWIP鋼構(gòu)件，不同位置表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能特點(diǎn)，綜合力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于單一組織的構(gòu)件。

上述實(shí)施例以TWIP鋼為例，只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)施方式，所涉及的金屬材料滿足以下特征即可：1）可以冷軋結(jié)合再結(jié)晶手段，獲取金相組織為冷軋態(tài)或細(xì)晶態(tài)；2）受熱條件下不發(fā)生相變，但會(huì)發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大行為再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大行為；3）能夠承受熱沖擊，即在≤800K/mm的溫度梯度下不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋；4）材料經(jīng)過(guò)表面處理后（表面毛化或黑化等）可有效吸收激光熱量，吸收率≥50%以上。

此外，具體的激光熱處理工藝根據(jù)器件尺寸、器件材料力學(xué)性能與顯微組織間的關(guān)系、激光熱處理工藝與顯微組織間的關(guān)系而定。同時(shí)顯而易見的是，激光功率、激光掃描速度、激光光斑尺寸等參數(shù)在一定范圍之間通過(guò)互相配合可以達(dá)到調(diào)整激光能量密度的效果。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其他多種具體實(shí)施方式實(shí)施本發(fā)明的，或者凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做簡(jiǎn)單變化或更改的，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。