【正文】 用于小尺寸平面試樣，山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 9 并僅在試驗室研究使用。表面機械研磨處理法中，彈丸直徑約為 8mm，較大，振動時間約為 60min，也較長。 超聲噴丸法和表面機械研磨處理法的細(xì)化晶粒的機理相同，彈丸每沖擊材料表面一次，都將使試樣在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生劇烈的塑性變形 ，如圖 14(b) 所示。晶粒細(xì)化的機制可能為高密度位錯運動和小的剪切帶的產(chǎn)生。晶粒細(xì)化的主要機制為在位錯的作用下，大的晶粒逐步碎化為亞晶粒，以至到等軸的小晶粒 [11]。根據(jù)使用者的噴丸需要，通常有兩種噴丸方法可供采用，它們分別是帶有噴嘴系統(tǒng)的氣動噴丸法和帶有爆破輪的離心噴丸法 [8]。控制普通噴丸工藝的阿爾明弧高度試片等技術(shù)經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換也可以應(yīng)用于超聲噴丸工藝中。常用的噴丸設(shè)備如圖 13所示。 （ USSP） 超聲噴丸法是將常見機械改造后進(jìn)行金屬表面納米化處理的一個典型例子。同時，將表面納米化處理與化學(xué)處理相結(jié)合，在材料表 層可以獲得具有高性能的復(fù)相表層，可望為利用常規(guī)工程金屬材料取代昂貴材料提供一條新途徑。強烈塑性變形誘發(fā)表面自納米化 (SSNC)是近幾年提出的新概念，它技術(shù)簡單、成本低，對用途廣、用量大的各種常規(guī)工程金屬材料均具有普適性， 它能有效地實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計，為傳統(tǒng)的工程金屬材料賦予高性能和多功能，并對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的升級改造具有重要的推動作用，它有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 5 第一次接觸 第二次接觸 圖 12 重復(fù)的多方向的塑性變形產(chǎn)生了包含高密度位錯列的不同的滑移帶 變形后的材料晶粒層變化如圖 13示。 表面機械加工處理法使材料表面納米化的基本原理為：在材料表面重復(fù)的作用外加載荷，使多晶體金屬材料表面的自由能增加，從而材料的表面能夠產(chǎn)生強烈的塑性變形，粗晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)晶。激光加熱和電子輻射等方法可實現(xiàn)快速加熱 冷卻過程 ]2[ 。 米化的分類 對于表面自身納米化，一般采用非平衡處理的方法，增加材料表面的自由能，使粗晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)晶粒。表面自身納米化技術(shù)相對來說在技術(shù)上更易實現(xiàn)，即通過強烈塑性變形，亦稱為深度塑性變形或大塑性變形是一種產(chǎn)生表面納米化的新方法。第一，納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間沒有明顯的界面，從而避免了表面涂覆和沉積方法可能造成的納山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 4 米結(jié)構(gòu)表層與基體之間結(jié)合強度不理想的問題。 （ 2） 表面自身納米化方法 對于多晶材料，采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能，可以使粗晶組織逐漸細(xì)化至納米級別，見圖 11（ b）這種材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大；納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間沒有明顯的界限；處理前后材料的外形尺寸基本不變。 納米表面工程的科學(xué)問題 納米表面工程的科學(xué)問題主要有 3 個： （ 1）材料表面的改性、界面及非平衡條件下低維材料的結(jié)構(gòu)和行為，如納米等 低維非平衡材料結(jié)構(gòu)的形成演化及表征，以及對結(jié)構(gòu)、物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能等基本問題進(jìn)行深入研究，有助于達(dá)到表面優(yōu)化設(shè)計和有效控制； （ 2）宏觀、介觀和微觀的一體化研究，從而揭示出兩個新的科學(xué)問題：一是“尺度問題”，即怎么進(jìn)行不同尺度層次 — 宏觀、介觀及微觀下的過渡及其相應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系，如體相材料表面原子排布對單晶格、超晶格和納米超薄膜的生長、力學(xué)性能等有何影響；二是“群體演化問題”，即如何描述介觀、微觀結(jié)構(gòu)和缺陷作為群體所體現(xiàn)的交互作用和演化問題； （ 3）“環(huán)境問題”，即宏觀環(huán)境中介觀材料的行為和作用，介觀 環(huán)境中微觀粒子的行為和作用。 納米表面工程是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎(chǔ)，通過特定的加工技術(shù)、加工手段，對固體表面進(jìn)行強化、改性、超精細(xì)加工或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。在開展相關(guān)理論研究與實踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，“納米表面工程”這一新的概念和領(lǐng)域應(yīng)運而生。納米材料與技術(shù)的發(fā)展得到了世界各國的高度重視。 表面工 程的研究對象是固體材料表面層，以使表面形成特殊功能的表面層及覆蓋層，起到裝飾、防護(hù)、特殊功能（強化、韌化， …… .）作用。 Surface nanocrystallization。鋁合金 5052。結(jié)果表明： 通過快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓加工，鋁合金 5052 表面可以實現(xiàn)表面納米化。實驗方案為對鋁合金 5052 進(jìn)行相同轉(zhuǎn)速、不同加工時間的快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓實驗，用金相顯微鏡、維氏顯微硬度儀、 X 射線衍射儀等分析檢測試樣組織和性能的變化。 關(guān)鍵詞 :快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓 。 5052 aluminum alloy。 上述可見，表面工程綜合了材料科學(xué)、冶金學(xué)、物理、化學(xué)、表面科學(xué)各門學(xué)科的最新成果，是一門正在迅速發(fā)展的新型學(xué)科。納米科技研究范圍是過去人類很少涉及的非宏觀、非微觀的中間領(lǐng)域（ 10 9? ~108 m），它的研究開 辟了人類認(rèn)識世界的新層次。但是，如何充分利用這些材料，如何發(fā)揮出納米材料的優(yōu)異性能是亟待解決的關(guān)鍵問題。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 2 納米表面工程的內(nèi)涵包括三方面：一是材料表面的納米化改造與納米結(jié)構(gòu)組裝；二是納米超光滑表面的加工；三是納米尺度超微細(xì)圖形的加工 ]2[ 。 材料表面的納米結(jié)構(gòu)組裝按構(gòu)筑過程中的驅(qū)動力是靠內(nèi)因還是外因來劃分大致可分為兩大類：一是人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，即按 人的意志，利用物理和化學(xué)的方法，人工的將納米尺度的物質(zhì)單元組裝、排列成一維、二維和三維納米結(jié)構(gòu)體系，如表面納米結(jié)構(gòu)涂層的組裝、表面納米功能涂層的組裝、納米介孔復(fù)合體的組裝等；二是表面納米結(jié)構(gòu)自組裝體系和分子自組裝體系，它是通過弱的和較小方向性的非共價鍵把原子、分子或離子連接在一起構(gòu)筑成納米結(jié)構(gòu)、分子聚集體或納米結(jié)構(gòu)花樣 ]2[ 。這種材料的主要特征是：納米結(jié)構(gòu)表層內(nèi)晶粒大小比較均勻、 晶粒尺寸可以控制；表層與基體之間存在明顯界限；材料的外形尺寸較處理前有所增加。 圖 11 表面納米化的三種方法 ]2[ (a)表面涂覆或沉積方法 (b) 表面自身納米化方法 (c)混合納米化方法 通過比較以上的三種方法，我們可以得出表面自身納米化方法的幾個巨大優(yōu)點。如對于非晶晶化法，由于大塊非晶難以制備，從而很難用該方法制備出大尺寸的納米晶體材料 [5,7,8]。正因為表面自身納米化技術(shù)的巨大優(yōu)點，表面自身納米化技術(shù)具有很大的工業(yè)應(yīng)用價值。但加熱 冷卻的過程需要動力學(xué)控制來提高成核速率并抑制晶粒長大的速度。從這個角度上看，一些常規(guī)的機械加工的方法都可以通過一定得改造，從而應(yīng)用于表面機械加工處理。如此推演、交替反復(fù)下去，不同的位錯交互作用，使得材料表面的材料細(xì)化至納米量級。表面納米化與化學(xué)處理相結(jié)合可大幅度提高材料表面性能和降低成本， 可使常規(guī)方法難以實現(xiàn)的化學(xué)過程變得容易或可行；表面納米化既適用于材料整體、又可用于材料局部表面改性。③ 將表面納米化處理與化學(xué)處理相結(jié)合，降低化學(xué)處理的成本， 使精密零部件能夠經(jīng)過變形小或無變形的低溫化學(xué)處理獲得高性能和多功能。研究成果對提高異種金屬的焊接效率和結(jié)合性能、豐富和發(fā)展焊接理論具有十分重要的意義， 也為納米金屬材料在工程中的實際應(yīng)用開 辟了新的途徑。這也為人們應(yīng)用該法進(jìn)行金屬表面納米化處理提供了技術(shù)基礎(chǔ)，即我們將常見的噴丸設(shè)備進(jìn)行改造，即能著手進(jìn)行實驗。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 7 圖 13 超聲噴丸技術(shù)設(shè)備簡圖 [8] 超聲噴丸法的主要參數(shù)有處理時間、彈丸直徑、超聲能量、容器的形狀以及彈丸的數(shù)量等。超聲的時間一般采用 30s、 90s、 270s 或 810s[10]。通過在普通和高倍電子顯微鏡下觀察變形層的不同深度處，可以觀察到從材料表層到內(nèi)部，變形量逐步加大，產(chǎn)生了不同的顯微結(jié)構(gòu)，如位錯源、拉長的微帶、位錯胞塞積、等軸的亞顯微或納米晶粒等，這些顯微組織是逐步發(fā)展產(chǎn)生的。在不同的超聲噴丸處理時間下，我們得到的變形層的深度不同，從材料表面到材料的內(nèi)部，晶粒尺寸逐步增大。已知當(dāng)振動器的振動頻率為 20kHz時，彈丸速度達(dá)到大約 100m/ s[12]，該種方法稱為超聲噴丸 (Ultersonic Shot Peening , USSP)，此處所提到的表面機械研磨處理法 ( Surface Mechanical Attrition Treatment , SMAT)，所選用的振動器的振動頻率為 50Hz的工頻，彈丸的沖擊速度僅在 1～ 20m/s之間 [12,13]。 圖 14 表面機械研磨處理法 （ a）表面研磨處理設(shè)備簡圖與原理圖 （ b）噴丸造成材料表面塑形變形示意圖 超聲噴丸法和表面機械研磨處理法的主要的區(qū)別在于選取不同的工藝參數(shù)。而且從圖 14(a)中可以看出，可以實現(xiàn)真空狀態(tài)下對材料的表面納米化處理。中、高層錯能的體心、面心立方晶體金屬中，通過位錯滑移協(xié)調(diào)變形，晶粒細(xì)化機理為“位錯分割”方式；低層錯能及含有熱力學(xué)亞穩(wěn)相的金屬的變形方式包括應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變、孿生與位錯分解，通過孿晶分割及馬氏體分割形成納米晶粒組織。位錯墻和位錯纏結(jié)內(nèi)的 位錯的自發(fā)湮沒和重排使系統(tǒng)能量達(dá)到最小化，位錯墻和位錯纏結(jié)轉(zhuǎn)變成小角度亞晶界；隨著應(yīng)變的增大，位錯不斷增殖并在亞晶界處湮沒，使亞晶界處的能量增加及其晶界取向增大，通過位錯塞積和晶粒之間的相對旋轉(zhuǎn)或晶界滑動使相鄰晶粒取向不斷增大。 Cu具有 fcc晶格結(jié)構(gòu) , 其層錯能為 78mJ/m2 左右， Zhao等人詳細(xì)研究了 Cu動態(tài)塑性變形后材料內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)。 （ 3）運用表面機械研磨處理（ SMAT）處理低層錯能金屬 對于高層錯能的金屬，不同滑移面上的位錯能夠產(chǎn)生交滑移，但是對于低層錯能金屬而言，由于其層錯能低，在應(yīng)力應(yīng)變作用下，不同的位錯只能在各自的滑移面上滑移并相互交割成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。試樣表層在彈丸沖擊作用下 ,在較深處 (300? 處 ) 產(chǎn)生較小的應(yīng)變，試樣層錯能低，限制了位錯的交滑移，形成了含有平面型位錯列和堆垛層錯能的奧氏體相；距表面大約 150? 處，隨著應(yīng)變速率的增大，位錯滑移至網(wǎng)格邊沿產(chǎn)生塞積，當(dāng)位錯塞積的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到機械孿生變形所需的臨界切分應(yīng)力時，單系孿晶產(chǎn)生；距表面大約 100? 處，隨著應(yīng)力應(yīng)變的增大，單系孿晶就會過渡到多系孿晶，孿晶的密度進(jìn)一步增大；距表面大約 40? 處，不同的孿晶系相互交割將粗 大晶粒分割成四邊形小塊，同時在多系孿晶交割處具有較高的變形儲存能，從而誘發(fā)馬氏體相變，形成雙相組織，此時，馬氏體相的尺寸主要取決于相互交割的孿晶尺寸，細(xì)小的晶粒之間存在一定的位相差；距表面大約 10? 處，應(yīng)變和應(yīng)變速率進(jìn)一步增大，可開動的孿晶系增多，交割加劇，馬氏體相增多，在大應(yīng)變、高應(yīng)變速率和多方向載荷的反復(fù)作用下，最終形成了等軸、取向隨機的馬氏體納米晶組織 [12,13,16]。在圖 15(a)中，可以看出，圓柱狀的試樣相對于半球狀的刀具尖端以 v1的速度旋轉(zhuǎn)，刀具尖端的半徑為 r，并且刀具尖端沿著水平方向以 v2的速度從右向左滑動，圖中的 ap是刀具尖端的吃刀量，因此我們可以描繪處材料表面的塑形變形區(qū)，如圖 15(b)所示。刀具選擇的材料為 WC/Co。 圖 16 超聲冷鍛技術(shù)過程圖 [2] 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 12 超聲冷鍛技術(shù)的動力源為超聲震動能。圖中 Pst是靜載荷， P是動載荷的振幅， S是超聲震動設(shè)備主軸的進(jìn)給量， Ss是相鄰兩個沖擊點之間的距離。 Suh 等人 [3] 從常見的制作修整刀的材料 SKD61 入手，對這種材料進(jìn)行超聲冷鍛之后，工件表面可以產(chǎn)生一定厚度的納米層。 （ USRP） 超聲表面軋制方法的設(shè)備如圖 17 所示，包括兩個部分：超聲波發(fā)生器和 表面軋制操作器。產(chǎn)生波發(fā)生器產(chǎn)生的中心頻率為 20KHz，振幅范圍為 0~25? [2]。重復(fù)的進(jìn)行 的超聲表面軋制過程可以使晶粒的細(xì)化變得均一，增加變形層的深度，增加納米層的厚度 [2]。 超聲表面軋制的效果非常的突出。 當(dāng)然，還有一些使材料表面納米化的機械加工方法，如超音速微粒轟擊法 [18] 和摩擦旋轉(zhuǎn)處理 [18]等，這里不再詳述。一般將表面層分為四層：納米結(jié)構(gòu)表層、細(xì)化的亞微晶層、變形細(xì)化的微晶層和基本沒有變化的基體 ]7[ 。變形細(xì)化的微晶層 : 晶粒細(xì)化還與應(yīng)力集中造成的剪