【正文】 衷心感謝山東大學(xué)工程陶瓷實(shí)驗(yàn)室的爨鵬飛師兄，在材料的前期處理和表面納米化 制作過(guò)程中給予的直接幫助和大力支持，使前期獲取表面納米化材料的任務(wù)順利完成。且加工時(shí)間為 60min 時(shí)，樣品的變形層深度要比加工時(shí)間為 30min 時(shí)厚。 位 置 編 號(hào) 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 26 表 33 試樣 13和 23表面（加工面）顯微硬度 點(diǎn) 1 點(diǎn) 2 點(diǎn) 3 平 均 13 106． 0HV 23 將 13至 33板的表面顯微硬度平均值做一曲線，可以更為直觀的觀察到實(shí)驗(yàn)板的顯微硬度隨加工時(shí)間的變化情況，如圖 49所示。比較圖 33中的三個(gè)圖， (b)、 (c)圖相較于 (a)圖，衍射峰的強(qiáng)度降低、峰展寬程度加大較為明顯，晶粒得到細(xì)化。 圖 31 原始金相組織 由此可知，在相同的轉(zhuǎn)速和相同的壓強(qiáng) ，加工時(shí)間由 30min增加至 60min，實(shí)驗(yàn)板表層晶粒的細(xì)化程度增加。 （ 2）用顯微硬度儀測(cè)試 試樣 13和 23表面（加工面）加工區(qū)域 在 試樣 13和 23表面上加工區(qū)域內(nèi)各自任選三個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)試其顯微硬度值。 金屬材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力，叫做硬度。根據(jù)所得的晶面的 Bragg衍射峰半高寬度，利用 Wilson方法計(jì)算表面層的平均晶粒尺寸。 （ 3） 嚴(yán)格按照操作規(guī)程，注意安全。 （ 1）將 3 塊實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行編 號(hào)； （ 2）對(duì)這 3 塊實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)碾壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表 1 所示。對(duì)于生產(chǎn)中廣泛使用的造型較為復(fù)雜的零件，目前沒有十分有效地方法。如表面機(jī)械研磨處理過(guò)的純鐵板的滲氮溫度可由 500 度降至 300度。對(duì) 304 不銹鋼采用噴砂和退火處理在表面獲得納米晶層 ,動(dòng)態(tài)電位掃描和納米壓痕測(cè)試表明納米化試樣生成了更致密的鈍化膜 ,極化曲線和掃描凱爾文探針測(cè)試表明納米化合金具有更高的抗腐蝕能力、更強(qiáng)的再鈍化能力和更高的電化學(xué)穩(wěn)定性。表面性能的改善對(duì)材料的整體性能也會(huì)產(chǎn)生有利影響 ]25[ ， 1mm 厚度的低碳鋼板材雙面經(jīng)過(guò)表面機(jī)械加工處理后， 當(dāng)雙側(cè)納米層厚度只占板材總厚度的 3%時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度可提高約 35%，而伸長(zhǎng)率只下降 4%。相 對(duì)于 Cr化的粗晶組織和原始粗晶組織 ,硬度、耐磨性和抗腐蝕性都得到較大提高。文獻(xiàn) [19] 采用 SMAT 在低碳鋼上獲得約 20μ m的表面納米化層 ,然后在380 ℃以 上對(duì)其進(jìn)行 Cr 化處理 ,相對(duì)于原始粗晶織 ,在納米化處理的低碳鋼上得到了較厚的Cr 擴(kuò)散層且 (Cr ,Fe) 23 C6 和 (Cr , Fe) 2 N 的形成溫度更低 ,數(shù)量更多。材料表面自納米化后的橫斷面梯度組織結(jié)構(gòu)很明顯 。變形細(xì)化的微晶層 : 晶粒細(xì)化還與應(yīng)力集中造成的剪切變形有關(guān)。 當(dāng)然，還有一些使材料表面納米化的機(jī)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。重復(fù)的進(jìn)行 的超聲表面軋制過(guò)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]。 （ USRP） 超聲表面軋制方法的設(shè)備如圖 17 所示，包括兩個(gè)部分：超聲波發(fā)生器和 表面軋制操作器。圖中 Pst是靜載荷， P是動(dòng)載荷的振幅， S是超聲震動(dòng)設(shè)備主軸的進(jìn)給量， Ss是相鄰兩個(gè)沖擊點(diǎn)之間的距離。刀具選擇的材料為 WC/Co。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(cuò)能低，限制了位錯(cuò)的交滑移，形成了含有平面型位錯(cuò)列和堆垛層錯(cuò)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(cuò)滑移至網(wǎng)格邊沿產(chǎn)生塞積，當(dāng)位錯(cuò)塞積的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到機(jī)械孿生變形所需的臨界切分應(yīng)力時(shí)，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(huì)過(guò)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(shí)在多系孿晶交割處具有較高的變形儲(chǔ)存能，從而誘發(fā)馬氏體相變，形成雙相組織，此時(shí)，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(dòng)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(jī)的馬氏體納米晶組織 [12,13,16]。 Cu具有 fcc晶格結(jié)構(gòu) , 其層錯(cuò)能為 78mJ/m2 左右， Zhao等人詳細(xì)研究了 Cu動(dòng)態(tài)塑性變形后材料內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)。中、高層錯(cuò)能的體心、面心立方晶體金屬中，通過(guò)位錯(cuò)滑移協(xié)調(diào)變形，晶粒細(xì)化機(jī)理為“位錯(cuò)分割”方式；低層錯(cuò)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(cuò)分解，通過(guò)孿晶分割及馬氏體分割形成納米晶粒組織。 圖 14 表面機(jī)械研磨處理法 （ a）表面研磨處理設(shè)備簡(jiǎn)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(jī)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)。在不同的超聲噴丸處理時(shí)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。超聲的時(shí)間一般采用 30s、 90s、 270s 或 810s[10]。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(shí)驗(yàn)。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(guò)變形小或無(wú)變形的低溫化學(xué)處理獲得高性能和多功能。如此推演、交替反復(fù)下去，不同的位錯(cuò)交互作用，使得材料表面的材料細(xì)化至納米量級(jí)。但加熱 冷卻的過(guò)程需要?jiǎng)恿W(xué)控制來(lái)提高成核速率并抑制晶粒長(zhǎng)大的速度。如對(duì)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]。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。 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[ 。納米科技研究范圍是過(guò)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(shí)世界的新層次。 5052 aluminum alloy。實(shí)驗(yàn)方案為對(duì)鋁合金 5052 進(jìn)行相同轉(zhuǎn)速、不同加工時(shí)間的快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓實(shí)驗(yàn)，用金相顯微鏡、維氏顯微硬度儀、 X 射線衍射儀等分析檢測(cè)試樣組織和性能的變化。鋁合金 5052。 表面工 程的研究對(duì)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(qiáng)化、韌化， …… .）作用。在開展相關(guān)理論研究與實(shí)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(yùn)而生。 納米表面工程的科學(xué)問(wèn)題 納米表面工程的科學(xué)問(wèn)題主要有 3 個(gè)： （ 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(duì)結(jié)構(gòu)、物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能等基本問(wèn)題進(jìn)行深入研究，有助于達(dá)到表面優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)新的科學(xué)問(wèn)題：一是“尺度問(wèn)題”，即怎么進(jìn)行不同尺度層次 — 宏觀、介觀及微觀下的過(guò)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(duì)單晶格、超晶格和納米超薄膜的生長(zhǎng)、力學(xué)性能等有何影響；二是“群體演化問(wèn)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(wèn)題； （ 3）“環(huán)境問(wèn)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。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(qiáng)度不理想的問(wèn)題。 米化的分類 對(duì)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。 表面機(jī)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(qiáng)烈的塑性變形，粗晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)晶。強(qiáng)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(jiǎn)單、成本低，對(duì)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(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，為傳統(tǒng)的工程金屬材料賦予高性能和多功能，并對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的升級(jí)改造具有重要的推動(dòng)作用，它有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 （ USSP） 超聲噴丸法是將常見機(jī)械改造后進(jìn)行金屬表面納米化處理的一個(gè)典型例子?？刂破胀▏娡韫に嚨陌柮骰「叨仍嚻燃夹g(shù)經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換也可以應(yīng)用于超聲噴丸工藝中。晶粒細(xì)化的主要機(jī)制為在位錯(cuò)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]。 超聲噴丸法和表面機(jī)械研磨處理法的細(xì)化晶粒的機(jī)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。該設(shè)備體積較小，只適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(yàn)室研究使用。此過(guò)程會(huì)在已形成的小晶粒中再次繼續(xù)進(jìn)行。從而使得低層錯(cuò)能金屬的晶粒細(xì)化機(jī)理不同于中高層錯(cuò)能的金屬。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 11 (a) (b) 圖 15 表面機(jī)械碾磨法 (SMGT) [25] (a)表面機(jī)械碾磨法 (SMGT)簡(jiǎn)圖 (b)工具尖端作用下產(chǎn)生的材料表面塑形變形層示意圖 同時(shí)，由于棒材相對(duì)于刀具尖端的高速碾磨，于是溫度可能有一定程度的增高，從而是細(xì)化的晶粒長(zhǎng)大。每秒鐘上萬(wàn)次的沖擊作用在材料的表面上，與此同時(shí)，一個(gè)恒定的壓力也與這個(gè)脈沖壓力共同作用。并且工件的力學(xué)性能得到很大的改進(jìn)：其表面的顯微硬度可以提高 37%；表面殘余壓應(yīng)力在一定深度處提高；疲勞極限提高 25%[2]。 在一定的進(jìn)給速率下，靜載荷和才生震動(dòng)作用在工件的表面，由于這種冷擠壓，工件的表層產(chǎn)生彈性和塑性變形。各項(xiàng)力學(xué)性能都有不同程度的提高。納米結(jié)構(gòu)表層： 納米結(jié)構(gòu)表層由晶體學(xué)隨機(jī)取向的等軸狀納米晶組成， 沿試樣厚度方向晶粒尺寸逐漸增加。應(yīng)力大小沿深度方向呈梯度分布，深度越深，應(yīng)力越小，因此，由此引起的應(yīng)變也必然是呈梯度分布的深度越深，應(yīng)變?cè)叫?。th 等最先報(bào)道了納米材料中的擴(kuò)散行為 ,研究發(fā)現(xiàn)納米晶 Cu 在 353K和 393K的自擴(kuò)散系數(shù)分別是 2 10 18 m2 / s 和 1. 7 1017 m2 / s ,比粗晶 Cu 中晶格的擴(kuò)散系數(shù)高 14～ 16 個(gè)數(shù)量級(jí) ,而比粗晶 Cu 中晶界的自擴(kuò)散系數(shù)高 3個(gè)數(shù)量級(jí)。納米化過(guò)程中的應(yīng)變誘導(dǎo)了馬氏體的形成 ,試樣與球的撞擊過(guò)程中 Fe 、 Cr 、 Ni 之間的擴(kuò)散升高了逆轉(zhuǎn)變 馬氏體的起始溫度。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn) ]25[ ，表面納米化可以提高低碳鋼在低載荷及中等載荷作用下的耐磨性，并可以明顯降低摩擦系數(shù) 。 表面納米化對(duì)抗腐蝕性能的影響 納米材料粒徑小 ,表面原子數(shù)多 ,表面活性高 ,存 在大量晶界 ,按照傳統(tǒng)的腐蝕理論 ,晶界是腐蝕的活性區(qū) ,因此需要進(jìn)一步研究納米材料的耐腐蝕性 ]21[ 。第一，試樣被固定在 U 形容器的上部，單個(gè)彈丸撞擊的能量在彈丸直徑和振動(dòng)頻率固定的情況下取決于試件下表面和容器底部之間的距離， 所以要得到表面納米化所需的能量，處理的試件厚度不能太大，對(duì)試件的其他尺寸也有限制。而如對(duì)超聲冷軋技術(shù)和超聲表面軋制技術(shù)等動(dòng)載荷與靜載荷相結(jié)合的技術(shù)而言，加工后試樣的表面粗糙度較好，從而應(yīng)用的范圍更廣。 （ 2）運(yùn)用金相測(cè)試、硬度測(cè)試以及 X射線衍射，對(duì)工件的組織和性能進(jìn)行表征?？焖俣嘀匦D(zhuǎn)碾壓處理后，實(shí)驗(yàn)板表面如圖 21(b)所示。通過(guò)合理選擇侵蝕劑，控制侵蝕過(guò)程中氣泡的逸出，注意侵蝕結(jié)束前的表面清理，嚴(yán)格控制侵蝕時(shí)間等方法，從而獲得了較滿意的結(jié)果。 掃描速度： 12度 /分。在可能 范圍內(nèi)，盡量選用較大的載荷，以減少因磨制試樣時(shí)所產(chǎn)生表面硬化層的影響，從而提高測(cè)量的精確度。圖 31為實(shí)驗(yàn)材料橫截面未處理處的金相組