機(jī)械處理對(duì)材料表面納米化的影響

機(jī)械處理對(duì)材料表面納米化的影響

1smat的優(yōu)勢表面納米化采用各種物理或化學(xué)方法將材料表面的顆粒細(xì)細(xì)描述為納米水平，并以形成納米結(jié)構(gòu)的表面。為了改善和改善材料表面的性能，如勞動(dòng)強(qiáng)度、抗侵蝕性和耐候性，它們都可以保持原來的狀態(tài)。與其它表面納米化技術(shù)相比,表面機(jī)械研磨法(SMAT)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)具有普適性。常規(guī)表面機(jī)械處理方法(或?qū)ζ溥M(jìn)行改進(jìn))幾乎可用于所有的金屬材料,工業(yè)應(yīng)用不存在明顯的技術(shù)障礙。且設(shè)備簡單、安全易操作,可在常溫下進(jìn)行;與電鍍、化學(xué)沉積等方法相比,成本低、無污染,高效節(jié)能,是一種環(huán)保型的工藝技術(shù);(2)具有高韌性。在明顯提高材料表面和整體的力學(xué)性能及化學(xué)性能的同時(shí),不損害材料的韌性,從而有效地解決了納米材料強(qiáng)度升高與韌性明顯下降之間的矛盾;(3)界面結(jié)合好。納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間的結(jié)構(gòu)和性能呈梯度變化,不存在明顯的界面,不會(huì)因溫度和應(yīng)力等的變化而發(fā)生剝層和分離。這種表面為納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度結(jié)構(gòu),反映出材料通過塑性變形逐漸演變成納米晶的過程(形變誘發(fā)納米化機(jī)理),并可以在一塊樣品上研究從微米到納米量級(jí)的組織與性能的關(guān)系;(4)有利于后處理。材料表面產(chǎn)生的高體積分?jǐn)?shù)界面為擴(kuò)散提供了理想的通道,能大幅度地降低化學(xué)處理的溫度和時(shí)間,解決了低溫化學(xué)處理這一技術(shù)“瓶頸”,使得精密零部件的化學(xué)處理成為可能。傳統(tǒng)的噴丸、轟擊等表面處理時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)具有一定方向性,一般與材料表面成90°夾角;而SMAT過程中的顆粒運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的,在外加載荷的重復(fù)作用下,材料表面通過不同方向產(chǎn)生的強(qiáng)烈塑性變形而逐漸細(xì)化至納米量級(jí)。這種由表面機(jī)械加工處理導(dǎo)致的表面自身納米化過程包括:材料表面局部強(qiáng)烈塑性變形產(chǎn)生大量的缺陷,如位錯(cuò)、孿晶、層錯(cuò)和剪切帶;位錯(cuò)密度增至一定程度時(shí),發(fā)生湮沒、重組,形成具有亞微米或納米尺度的亞晶;另外隨著溫度的升高,表面具有高形變儲(chǔ)能的組織發(fā)生再結(jié)晶,形成納米晶;此過程不斷發(fā)展,最終形成晶體學(xué)取向呈隨機(jī)分布的納米晶組織。2復(fù)合材料表面的方向頻繁作用在SMAT方式下,當(dāng)彈丸以不同方向頻繁作用于材料的表面時(shí),會(huì)在材料的表面附近形成應(yīng)力場,由于應(yīng)變量和應(yīng)變速率均隨深度的增加而減小2.1c系金屬Fe是典型的bcc系金屬,具有較高的SFE(約200mJ/m2.2等軸狀位錯(cuò)胞和晶粒分布對(duì)孿生晶發(fā)育的作用純銅是具有中等層錯(cuò)能(約78mJ/m可以看出,隨著應(yīng)變量的增加依次形成了由較厚位錯(cuò)墻分割的等軸狀位錯(cuò)胞、晶粒尺寸逐漸減小而取向差逐漸增大的亞微晶和取向呈隨機(jī)分布的納米晶。在較高的應(yīng)變速率下,孿生成為其主要變形方式。從圖4可以看出在距表層厚度為25μm的范圍內(nèi),高密度的孿晶將粗晶分割為層片狀,位錯(cuò)墻的運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步將其細(xì)化為納米尺度的區(qū)域,最后發(fā)展成為具有任意取向的納米晶。2.3鎂的sfe具有簡單hcp結(jié)構(gòu)的鎂及其合金所具有的SFE一般為60～78mJ/m3納米晶體結(jié)構(gòu)對(duì)表面摩擦學(xué)性能的影響表面納米化改變了材料表面的組織和結(jié)構(gòu),這不僅明顯地提高了材料表面的性能,而且對(duì)材料整體的性能也產(chǎn)生了一定的影響。材料經(jīng)過表面納米化處理后,表面硬度顯著提高,并隨深度的增加而逐漸下降(圖6)。表面納米化提高了材料表面的硬度,也改變了材料表面的摩擦磨損行為。通過對(duì)比可以看出,盡管表面納米化前后樣品的磨損量均隨載荷增加而增大,但表面納米化樣品的磨損量總是低于原始樣品(見圖7(a))。在較低的載荷下,表面納米化樣品和原始樣品具有相近的摩擦系數(shù),但隨著載荷的增加,表面納米化樣品表面摩擦系數(shù)明顯低于原始樣品(見圖7(b))經(jīng)過SMAT后,材料表面的摩擦磨損行為主要取決于納米結(jié)構(gòu)表層的厚度和表面粗糙度。在中低載荷下,粗糙度過大會(huì)抵消納米化的作用,甚至?xí)档筒牧系哪湍バ?在高載荷下,粗糙度的影響不大。由于納米晶能夠改善材料表面的耐磨性,因此增加納米結(jié)構(gòu)表層的厚度有助于提高材料的耐磨性,特別是在高載荷的條件下。所以,要提高材料表面耐磨性,應(yīng)盡可能地增加納米結(jié)構(gòu)表層的厚度,同時(shí)應(yīng)控制材料表面的粗糙度。對(duì)于塊體超細(xì)晶材料來說,強(qiáng)度提高的同時(shí)總是伴隨著韌性的明顯下降4降低處理溫度材料經(jīng)過表面納米化處理后,表面納米晶之間形成高體積分?jǐn)?shù)的界面為元素?cái)U(kuò)散提供了理想的通道,能顯著地加快擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)過程,使得材料表面的化學(xué)處理更容易進(jìn)行。例如利用氨氣分解對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行滲氮處理的常規(guī)方法中,溫度一般在500～550℃,時(shí)間>20h。對(duì)表面納米化前后純鐵樣品進(jìn)行300℃、9h氣體滲氮可以看出粗晶樣品的表面組織沒有任何變化,而表面納米化樣品的表面形成了厚度約為10μm的氮化物層,氮含量高達(dá)11.0%～12.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右,接近Fe對(duì)表面納米化后的材料進(jìn)行表面合金化處理,可以獲得結(jié)合力更強(qiáng)的涂層,降低處理溫度,從而避免對(duì)基體材料的影響。將經(jīng)過SMAT處理后的AZ91D鎂合金薄板埋入鋁粉末中,進(jìn)行400℃、24h的合金化處理通過在SMAT過程中加入合金粉末,可以將表面納米化和表面合金化有機(jī)地結(jié)合在一起。圖115表面納米化的應(yīng)用表面納米化技術(shù)所形成的梯度結(jié)構(gòu)表層,為研究納米化機(jī)理、組織與性能的關(guān)系提供了理想的樣品,同時(shí)也為納米技術(shù)與常規(guī)工程金屬材料的結(jié)合提供了切實(shí)可行的途徑。但是,表面納米化研究還處于探索階段,下一步的發(fā)展方向主要包括:開發(fā)適合工業(yè)上不同