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金属材料表面纳米化研究现状
作者:张瀚文
来源:《西部论丛》2018年第12期
摘要:材料的组织结构决定着材料的性能。自 20 世纪80 年代初 HGleiter 等人首次用惰性气体冷凝法制备出纳米金属粒子并经原位加压成型获得纳米材料以来,人们对纳米材料和其制备技术的研究进行了不断的探索。纳米材料具有特殊的组织和一系列优良的力学性能及物理化学性能,已经成为材料研究的热门。就目前而言,大块体金属材料的整体纳米化制备技术尚不成熟,难以进行工业化的大批量生产。
关键词:表面纳米化制备方法显微组织特征使役性能
1表面纳米化的制备方法
目前金属材料表面纳米化主要有三种基本方法:表面涂层或沉积、表面自纳米化及混合方式。表面涂层或沉积是将已制备好具有纳米尺度的颗粒固结在材料的表面,形成一个与基体结构成分相同(或不同)的表层。处理后纳米表层晶粒大小比较均匀且整体外形尺寸有所增加;常用的方法有 CVD、PVD、溅射、电镀及电解沉积等;实现表层纳米晶粒与基体的牢固结合并抑制纳米晶粒长大是整个工艺的关键。表面自纳米化是采用非平衡处理的方法增加材
料表面的自由能,使表面粗晶组织逐渐细化至纳米量级。处理后晶粒组织及尺寸沿深度方向呈梯度变化,外形尺寸基本不变。常用的几种方法有表面机械研磨处理法(SMAT)、超声喷丸法、凸轮滚压法、超音速微粒轰击法(SFPB)等。混合方式是将表面纳米化技术与化学处理相结合,形成与基体成分不同的固溶体或化合物,如 20CrMo 合金钢、低碳钢等在表面研磨处理后进行低温渗氮等。
三种处理方式中,表面自纳米化技术具有操作简单且实用,设备投资少的独特优点。
2表面自纳米化机理
目前,对表面自纳米化的研究主要集中在往复塑性变形法,其基本原理如下:利用载荷的重复作用,使金属材料表面粗晶组织产生不同方向的强塑性变形,以产生高密度的晶体缺
陷(例如位错、孪晶、大角度晶界等),这些缺陷相互作用,不断地湮没和重组,使晶粒逐渐细化至纳米量级。表面自纳米化机理跟金属晶体结构和层错能的大小有着密切的关系。一般
体心立方和中高层错能的面心立方金属晶体主要通过位错的不断增值和相互作用,经历了由
大晶粒晶界-亚晶界-小晶粒晶界的演变,最终达到增值速率与湮没速率的平衡而细化至纳米量级。如工业纯铁在高能喷丸表面自纳米化过程中,晶粒的纳米化过程就是通过位错分割的方
式演变而成的。对于低层错能和含有亚稳相的金属而言,孪晶的生长驱动力较大。首先在表
面位错的作用下形成了单系孪晶,随着作用时间的延长和作用次数的增多,单系孪晶逐渐演变成多系孪晶,多系孪晶和相变马氏体的相互交割而使晶粒尺寸不断减小,最终细化至纳米量