通力合作，攜手向前丨訪中南大學機電工程學院深冷成型與極端服役性能材料團隊
發(fā)布時間:2025-05-26 閱讀次數：123次
導讀
中南大學機電工程學院深冷成型與極端服役性能材料團隊，作為科研領域的佼佼者，一直致力于材料科學的前沿探索。島津非常榮幸能與該團隊緊密合作，共同推進技術創(chuàng)新與突破。通過雙方的努力，我們已取得了豐富的成果。島津提供的高精度、高性能儀器為團隊的研究提供了堅實的技術支持，助力其在深冷成型及極端服役條件下的材料性能研究上取得了重要進展。
中南大學機電學院
喻海良教授，中南大學輕合金研究院/機電工程學院/高性能復雜制造國家重點實驗室教授，博士生導師，2009年獲得東北大學材料加工工程博士學位，后又獲得中南大學升華特聘教授、國家特聘教授、湖湘高層次人才聚集工程-創(chuàng)新人才、中國科協(xié)海智計劃特聘專家、校/省/國家級人才項目支持等頭銜與榮譽。喻老師及其團隊一直從事金屬壓力加工領域的研究，近年來專注于超低溫塑性加工與高性能有色金屬材料的制備和研究，深耕多年成果豐碩，已發(fā)表學術論文230篇，在多部國內外學術專著上發(fā)表著述。獲國家授權發(fā)明專利60項；獲得國內外有色金屬行業(yè)10余項技術與創(chuàng)新獎項。并擔任中國有色金屬學會、中國有色金屬學會材料科學與工程學術委員會等國內外多個材料期刊的專家與理事等職務，在金屬加工相關學術領域有很高的知名度。
前沿學科，前景廣闊
相對于傳統(tǒng)熱軋、溫軋、冷軋，深冷軋制是一項變革性技術，它利用某些金屬材料在深冷情況下具有優(yōu)異的塑性變形能力以及深冷環(huán)境阻礙塑性變形過程中位錯運動和再結晶行為，促使材料晶粒細化，材料具有更高的強度與韌性。近年來深冷軋制制備高性能金屬材料的研究不斷取得進展，深冷軋制工藝在鋁合金、銅合金、鈦合金、復合層狀金屬帶材中都得到應用。
常溫下復雜構件成形過程中應變硬化能力有限，容易在加工過程中復雜曲面位置容易破裂，從而導致加工失?。桓邷靥幚黼m然能讓金屬塑性顯著增加，但容易硬化變弱甚至軟化，更易集中變形，不僅不能解決起皺的問題，產生破裂，并且還易造成組織性能損失，需要通過成形后再次熱處理來提高構件強度，然而成形后再淬火會導致大尺寸薄壁件受殘余應力影響，嚴重變形且難以校形。一語概之，微觀結構決定宏觀性能，這些問題都需要從原子和微觀層面的定量研究中給出答案。金屬材料微觀變形機制有位錯滑移、晶界滑動和孿生等。變形機制不同，微觀結構演變也就不同，從而表現出不同的宏觀性能。
開拓進取，直面挑戰(zhàn)
喻教授團隊在國際上領先發(fā)現深冷環(huán)境條件下部分合金強塑性雙增效應，該效應非常利于航空航天和汽車領域復雜構件的成形。深冷成形加工的核心是利用硬化擴展變形，避免變形局域化。因此深冷環(huán)境下合金的雙增效應是一個非常值得探究的科學問題。
近期，喻教授團隊發(fā)表在《中國有色金屬學報》上的重點推薦文章《7075鋁合金深冷軋制及時效處理微觀組織和性能》中闡述了采用深冷軋制與時效處理成功制備了高強度、高延展性且無裂紋的7075鋁合金板材，在強度略高于室溫軋制+峰值時效的同時，斷裂伸長率與之相比提升了57.4%。揭示了深冷軋制的 7075 鋁合金板材無裂紋、成形性能提高的機理，即深冷環(huán)境下7075 鋁合金延展性的改善、深冷軋制對剪切帶形成的抑制以及深冷軋制對 MgZn2 強化相過早形成的避免這三種因素的共同作用。驗證了采用深冷軋制+時效處理制備優(yōu)異綜合力學性能并避免熱處理強化合金出現邊緣裂紋的可行性，為熱處理強化合金的制備提供了一種新穎可行的技術方案。
圖1. 深冷軋制和室溫軋制制備7075鋁合金板材的流程圖
如以上流程圖所示，進行多道次軋制，單道次軋制壓下率為8%，分別在20%、40%、60%和80%四個壓下率留樣。對于深冷軋制，第一道次前將固溶板材浸泡在盛有液氮(-196℃)的深冷容器中30 min，后續(xù)每道次開始前浸泡10 min。
深耕學術，成果豐碩
圖2. 金屬深冷軋制樣品
圖3. 不同壓下率樣品的工程應力-應變曲線和加工硬化率曲線：
(a) 20%壓下率，(b) 40%壓下率，(c) 60%壓下率，(d) 80%壓下率）
上圖顯示了深冷軋制和室溫軋制樣品強度較固溶樣品得到顯著提升，強化效果隨壓下率增加而提高，其中80%壓下率的深冷軋制樣品屈服強度和抗拉強度較固溶樣品分別提高了155%和44%。相同壓下率的深冷軋制樣品塑性明顯優(yōu)于室溫軋制樣品。（使用島津AGS-X電子萬能試驗機獲?。?/p>
圖4. 島津AGS-X電子萬能試驗機
表1. 7075鋁合金板材的力學性能
圖5. 20%、40%、60%和80%壓下率軋制樣品的XRD衍射圖圖6.島津XRD-7000S衍射儀
深冷軋制+峰值時效樣品斷裂伸長率較室溫軋制+峰值時效樣品分別提高了8.7%、18.5%、45.5%和57.4%，提升效果隨壓下率增加而大幅增強。深冷軋制+峰值時效樣品優(yōu)異的塑性，主要是時效引起的位錯湮滅、深冷軋制時更均勻的變形和深冷軋制+峰值時效樣品中大量細小析出相的共同作用（使用島津XRD射線衍射儀獲?。?。
攜手共進，展望未來
島津作為世界知名的儀器制造商，與中南大學以及喻教授團隊通力合作。配備了多臺島津試驗機產品 —AGS-X 10KN 電子試驗機用于高低溫金屬力學測試；TRView非接觸式視頻引伸計測定拉伸應變，XRD射線衍射儀用于金屬和合金材料的晶體結構。島津分析設備除了檢測試驗，也用于重點科研項目的研究與學生的培養(yǎng)，同時也承接喻教授團隊的研究任務。島津儀器穩(wěn)定可靠的性能，為科研項目研究的開展提供有力的支持。談到未來暢想時，喻海良教授表示：研究團隊目前對航空航天裝備迫切需求的高強鋁合金整體結構的制備研究逐漸向更深領域推進，對不同金屬在深冷環(huán)境下的力學性能、微觀組織演變和變形機理研究也取得了可喜 進展，將來會繼續(xù)深入研究航空航天和汽車領域的復雜構件的深冷成形工藝開發(fā)。在這個嶄新的研究領域，期望能和島津在后續(xù)的分析應用過程中加強合作，緊跟世界研 究前沿，通力合作攜手未來。衷心感謝深冷成形與極端服役性能材料團隊的杰出工作和無私分享，我們希望繼續(xù)為客戶提供先進的儀器、精湛的技術與完善的服務，實現合作共贏，創(chuàng)造美好未來！
喻海良教授團隊2024年發(fā)表的部分論文（影響因子5.0以上）：
1.Achieving High Strength and Tensile Ductility in Pure Nickel by Cryorolling with Subsequent Low-Temperature Short-Time Annealing刊登于Engineering，影響因子10.1。
2. Microstructure and mechanical properties of AA1050/AA6061 multilayer composites via accumulative roll bonding and cryorolling and subsequent aging刊登于Materials Science and Engineering: A，影響因子6.1。
3. Microstructure evolution and mechanical properties of Al/Mg–Li/Al laminate metallic composites via hot roll bonding and subsequent cryorolling刊登于Materials Science and Engineering: A，影響因子6.1。
4. Effect of cryorolling on the microstructure and high-temperature mechanical properties of AA5083 sheets刊登于Materials Science and Engineering: A，影響因子6.1。
5. Fracture toughness and fracture mechanism of Al-Mg-Si alloy sheet subjected to pre-cryorolling and subsequent bake hardening刊登于Journal of Alloys and Compounds，影響因子5.8。
6. Transverse texture weakening and anisotropy improvement of Ti-6Al-4Valloy sheet via asymmetric rolling and static recrystallization annealing刊登于Journal of Alloys and Compounds，影響因子5.8.
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