金屬材料表面納米化研究現(xiàn)狀

張瀚文

摘 要：材料的組織結(jié)構(gòu)決定著材料的性能。 自 20 世紀(jì)80 年代初 HGleiter 等人首次用惰性氣體冷凝法制備出納米金屬粒子并經(jīng)原位加壓成型獲得納米材料以來，人們對(duì)納米材料和其制備技術(shù)的研究進(jìn)行了不斷的探索。納米材料具有特殊的組織和一系列優(yōu)良的力學(xué)性能及物理化學(xué)性能， 已經(jīng)成為材料研究的熱門。 就目前而言，大塊體金屬材料的整體納米化制備技術(shù)尚不成熟，難以進(jìn)行工業(yè)化的大批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：表面納米化 制備方法 顯微組織特征 使役性能

1表面納米化的制備方法

目前金屬材料表面納米化主要有三種基本方法：表面涂層或沉積、表面自納米化及混合方式。 表面涂層或沉積是將已制備好具有納米尺度的顆粒固 結(jié)在材料的表面，形成一個(gè)與基體結(jié)構(gòu)成分相同（或不同）的表層。處理后納米表層晶粒大小比較均勻且整體外形尺寸有所增加；常用的方法有 CVD、PVD、濺射、電鍍及電解沉積等；實(shí)現(xiàn)表層納米晶粒與基體的牢固結(jié)合并抑制納米晶粒長(zhǎng)大是整個(gè)工藝的關(guān)鍵。 表面自納米化是采用非平衡處理的方法增加材料表面的自由能， 使表面粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級(jí)。 處理后晶粒組織及尺寸沿深度方向呈梯度變化，外形尺寸基本不變。常用的幾種方法有表面機(jī)械研磨處理法（SMAT）、超聲噴丸法、凸輪滾壓法、超音速微粒轟擊法（SFPB）等。 混合方式是將表面納米化技術(shù)與化學(xué)處理相結(jié)合， 形成與基體成分不同的固溶體或化合物，如 20CrMo 合金鋼、低碳鋼等在表面研磨處理后進(jìn)行低溫滲氮等。

三種處理方式中， 表面自納米化技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單且實(shí)用， 設(shè)備投資少的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

2表面自納米化機(jī)理

目前， 對(duì)表面自納米化的研究主要集中在往復(fù)塑性變形法， 其基本原理如下： 利用載荷的重復(fù)作用， 使金屬材料表面粗晶組織產(chǎn)生不同方向的強(qiáng)塑性變形，以產(chǎn)生高密度的晶體缺陷（例如位錯(cuò)、孿晶、大角度晶界等），這些缺陷相互作用，不斷地湮沒和重組，使晶粒逐漸細(xì)化至納米量級(jí)。表面自納米化機(jī)理跟金屬晶體結(jié)構(gòu)和層錯(cuò)能的大小有著密切的關(guān)系。 一般體心立方和中高層錯(cuò)能的面心立方金屬晶體主要通過位錯(cuò)的不斷增值和相互作用， 經(jīng)歷了由大晶粒晶界-亞晶界-小晶粒晶界的演變，最終達(dá)到增值速率與湮沒速率的平衡而細(xì)化至納米量級(jí)。 如工業(yè)純鐵在高能噴丸表面自納米化過程中，晶粒的納米化過程就是通過位錯(cuò)分割的方式演變而成的。對(duì)于低層錯(cuò)能和含有亞穩(wěn)相的金屬而言，孿晶的生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力較大。 首先在表面位錯(cuò)的作用下形成了單系孿晶，隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)和作用次數(shù)的增多，單系孿晶逐漸演變成多系孿晶，多系孿晶和相變馬氏體的相互交割而使晶粒尺寸不斷減小， 最終細(xì)化至納米量級(jí)。 如 AISI304 不銹鋼經(jīng)表面機(jī)械研磨處理實(shí)現(xiàn)表面自納米化就是這一種納米化機(jī)理的典型。

3表面納米化對(duì)材料使役性能的影響

3.1力學(xué)性能

材料強(qiáng)度和硬度與晶粒尺寸之間滿足 Hall-Petch關(guān)系。 金屬材料經(jīng)表面自納米化處理后，表面強(qiáng)度和硬度會(huì)顯著提高，并隨著深度的增加，逐漸降低至與心部原始晶粒相同。此外，納米化過程中發(fā)生的相變或第二相的存在也促進(jìn)了表面強(qiáng)度和硬度的增加。 吳建軍等采用快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓設(shè)備

（FMRR）對(duì) 1Cr17 不銹鋼進(jìn)行表面納米化處理。結(jié)果表明： 表面納米化處理后表層獲得了約為 50 um 厚的強(qiáng)烈塑變層，該層平均晶粒尺寸約為 20 nm，晶粒大小隨深度呈梯度變化；隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，變形層厚度變大，但表層的晶粒尺寸變化不大；與未處理試樣的表面顯微硬度（190 HV）相比， 表面處理 30 min 的試樣表面硬度增加至 270 HV，處理 60 min 的試樣表面硬度增加至 310 HV。

對(duì)于大多數(shù)超細(xì)晶金屬材料， 強(qiáng)度和硬度的提高會(huì)伴隨著韌性和塑性的降低， 這是由于高密度的晶界數(shù)量分割了晶粒中位錯(cuò)的連續(xù)性， 阻礙了位錯(cuò)的滑移發(fā)展[14]。 金屬材料經(jīng)表面納米化處理后，由于晶粒大小隨深度呈梯度變化， 故材料整體韌塑性降低的幅度不明顯。 Liu 等采用 SMAT 法對(duì) 1.5 mm 厚度低碳鋼板材進(jìn)行表面納米化處理后發(fā)現(xiàn)， 材料的整體屈服強(qiáng)度提高約 35 %，而伸長(zhǎng)率只下降 4%?？梢?，表面納米強(qiáng)化層能夠提高材料的整體強(qiáng)度，同時(shí)又不明顯地降低材料的韌性和塑性。 少部分超細(xì)晶金屬材料韌塑性變化趨勢(shì)與之相反。 如 LA91合金板表面納米化后， 抗拉強(qiáng)度比未處理時(shí)提高了10%，伸長(zhǎng)率提高了 53%，綜合力學(xué)性能得到提升。

3.2抗疲勞性

金屬表面自納米化后表層的晶界處、 第二相夾雜物或滑移帶相對(duì)減少， 減少了導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力集中源。另一方面，細(xì)化的晶粒相當(dāng)于減小了滑移的平均距離， 即分散了位錯(cuò)塞積造成的應(yīng)力集中，提高了材料的滑移抗力，有效抑制了微裂紋的萌生與擴(kuò)展。 表面殘余應(yīng)力在一定程度上也有效抑制了疲勞裂紋的萌生， 心部粗晶組織又可以阻止裂紋擴(kuò)展，對(duì)其疲勞壽命的提高起到了非常重要的作用。表面粗糙度的增加可能會(huì)使疲勞壽命有所降低，但相對(duì)影響較小。辛素敏等采用由超聲噴丸納米化技術(shù)對(duì)316L 不銹鋼試樣進(jìn)行了表面納米化處理，并研究了表面納米化對(duì)其抗疲勞性能的影響，得出以下結(jié)論：

①超聲噴丸表面納米化使表面晶粒細(xì)化成等軸、取向隨機(jī)、晶粒尺寸為 15～20 nm 的納米晶，由奧氏體和馬氏體兩相組成， 說明處理過程中伴隨了馬氏體相變的發(fā)生；

② 噴丸后是噴丸前疲勞壽命的1.29～1.45 倍；

③超聲噴丸后樣品的疲勞裂紋主要產(chǎn)生在試樣次表面 60～80 μm 深度過渡變形層的氣孔或夾雜處；

④納米層顯微組織結(jié)構(gòu)的改變和殘余壓應(yīng)力直接促進(jìn)了 316L 不銹鋼疲勞壽命的提高；

⑤噴丸處理表面納米化的材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均得到了顯著提高，對(duì)抗疲勞更有利。

5結(jié)論與展望

金屬表面自納米化的過程中， 不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料納米化機(jī)理存在一些差異。 通常體心立方的材料，納米化行為主要取決于位錯(cuò)的發(fā)展變化；而面心立方的材料，除了位錯(cuò)作用外，還可能受到孿生和層錯(cuò)的影響。金屬經(jīng)表面納米化處理后能明顯提高金屬材料及其零部件表面的強(qiáng)度、硬度、抗疲勞、耐磨性及耐蝕性等。將表面納米化技術(shù)與其他表面處理相結(jié)合，如電鍍、噴涂等，可開發(fā)出高性能的新型材料。將表面自納米化技術(shù)與化學(xué)處理相結(jié)合，能為制備高性能的復(fù)相表層提供一條新途徑。 此外，表面自納米化技術(shù)在異種金屬材料的擴(kuò)散焊接中也有很大的應(yīng) 用潛力。 目前，人們對(duì)表面納米化的研究處于初步階段，若要投入生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，還需要對(duì)表面納米化的微觀機(jī)理和動(dòng)力學(xué)以及對(duì)組織的影響做進(jìn)一步研究， 以研制出適用于工業(yè)生產(chǎn)的表面自納米化設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

何忠治.電工鋼（上冊(cè)）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997