【正文】 技術(shù)會議（ NanoST）。經(jīng)雙方努力，已將“用于高性能汽車零件的納米復合涂層及復合表面工程”正式列為中英政府科技合作項目。 （ 1） 表面涂層或沉積方法 首先利用納米粉體制備技術(shù)獲得具有納米尺度的顆粒，再將這些顆粒通過表面技術(shù)固結(jié)在材料的表面，形成一個與機體化學成分相同 (或不同 )的納米結(jié)構(gòu)表層，見圖 11(a)。第三，目前大多數(shù)三維大尺寸納米 晶體材料制備都存在著一定的技術(shù)困難。 （ 1）非平衡熱力學法 其中，非平衡熱力學法是將材料的表面快速加熱到熔化或相變溫度，而后急冷，在材料的表面獲得納米晶組織。而后的具體過程為：第一，變形產(chǎn)生使材料高密度位錯列組成的剪切帶；第二，位錯湮滅和重組使小晶界發(fā)展大晶界，以至形成獨立的小晶粒；第三，相鄰晶粒間的取向發(fā)生改變，從而使材料整體的取向趨于隨機。② 利用材料表面納米晶組織較高的活性和均勻的微觀粗糙度，進行其他表面處理 (如噴涂、電鍍和沉積等 )，可明顯地增加表層與基體的結(jié)合力，有可能開發(fā)出新型的具有高綜合性能的材料。所以，可見噴丸法在日常生產(chǎn)中應(yīng)用頗廣。超聲的頻率在 20kHz，彈丸的直徑通常在 到 3 毫米。用 X射線衍射、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察處理后的 316L不銹鋼的組織演變，可以清楚地看到在材料的表面晶粒得到了細化。其中彈丸的沖擊速度取決于振動頻率、彈丸到達樣品的距離以及彈丸的尺寸。 總體來說，在表面機械加工自 納米化處理過程中，金屬的晶體結(jié)構(gòu)及層錯能大小是影響晶粒細化與塑形變形機理的主要因素。 （ 2）運用表面機械研磨處理（ SMAT）處理中層錯能金屬 Cu是典型的中等程度層錯能金屬，其在表面機械加工處理過程中晶粒細化的機理與高層錯能的屬不同。 Tao等人對奧氏體不銹鋼 AISI304的晶粒細化機理進行了研究。并且用液氮保證實驗在低溫下進行。 超聲冷鍛技術(shù)的設(shè)備模型和基本操作過程如圖 16所示。刀具的壽命比常規(guī)刀具提高了兩倍，可見超聲冷鍛技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有了相當大的用武之地。同時，在靜載荷與超聲震動聯(lián)合作用，引起了材料表面嚴重且均一的塑性變形，這使得原始的相鄰晶粒區(qū)域被重重的壓碎?？梢姵暠砻孳堉铺幚碓谛枰⒅夭牧系谋砻娲植诙鹊膱龊洗笥杏锰?。細化的亞微晶層： 納米晶的形成可能是因為重復噴丸加載所產(chǎn)生的強烈塑性變形促成的，原始粗晶粒以及細化了的晶胞中產(chǎn)生了高密度的位錯墻和位錯纏結(jié) , 位錯湮滅重組成為小角晶界形成亞晶。這種梯度結(jié)構(gòu)反映出材料通過塑性變形由粗晶逐漸演變?yōu)榧{米晶的過程， 因此可以通過沿深度方向的組織觀測而揭示納米化機理。納米晶組織的形成能加強 Cr 的擴散動力學過程。 Z. B. Wang等對SMAT 表面納米化處理后的低碳鋼進行了分步 Cr化擴散處理 ,先在 600 ℃ Cr 化處理 120min ,然后在 860℃ Cr化處理 90min 得到 20μ m厚的 Cr擴散層。隨著制備工藝的不斷完善， 表面納 米結(jié)構(gòu)表層厚度的增加得到進一步提高。 X. Y. Wang 等認為合金耐腐蝕性的提高主要歸因于鈍化膜的形成。 表面自身納米化技術(shù)自提出 以來 ，研究進展頗豐，該技術(shù)的獨特性已使其在某些工業(yè)進展中取得的巨大的成果。通過對文獻的閱讀，我們知道，幾乎每一種機械加工的方法，都對應(yīng)著某種加工設(shè)備和試樣的形狀，總體來說，不外乎板材和回轉(zhuǎn)體。 多重旋轉(zhuǎn)碾壓設(shè)備，山東大學自制設(shè)備； 金相顯微鏡，型號為 Nikon， EPIPHOT300，產(chǎn)地日本； 金相拋光機，型號為 P2T，產(chǎn)地上海； 金相鑲嵌機，型號為 XQ2B，產(chǎn)地萊州； X射線衍射儀，型號為 D8，產(chǎn)地德國； 維氏顯微硬度計，型號為 FM700，產(chǎn)地日本； 山東建筑大學畢業(yè)論文 19 超聲波清洗器；銑床；磨床；線切割設(shè)備；各種牌號的金相砂紙等。 （ 2） 操作過程中密切注意設(shè)備運行情況，在有異常時，應(yīng)松開千斤頂油路開關(guān)，而后停機。 X一射線 衍射分析的目的是測定樣品表面層的平均晶粒尺寸和微觀應(yīng)變。由測得的衍射峰半高寬的寬度，利用 ScherrerWilson方程由衍射線的寬度計算平均晶粒尺寸。 在實驗板未加工面上任意選取三點，測試其顯微硬度值。 將圖 32中的 (a)、 (b)與圖 31對比可知，靠近加工面位置的晶粒已有明顯的細化。 按照圖 38，從左向右命名峰 峰 峰 峰 峰 5。 相較于未加工的 33實驗板的表面顯微硬度值， 13和 23實驗板的表面顯微硬度值均有明顯的增高，分別增加了 。在轉(zhuǎn)速為 在轉(zhuǎn)速為 1800r/min、壓強為 時，加工時間為 60min 的樣品表層晶粒尺寸要比加工時間為 30min 的樣品表層晶粒尺寸小。在此向李老師表示衷心的感謝！ 衷心感謝材料學院實驗室的所有老師，是他們在我實驗期間指導我，給予我大力支持。 衷心感謝材料學院研究生楊留波和吳建軍師兄，他們在我的學習和工作中給予最直接的幫助，使我在試樣制取中順利克服了很多困難。 （ 3）在轉(zhuǎn)速為 1800r/min、加工時間為 30min 或 60min、壓強為 的加工條件下，并無新相產(chǎn)生。 0 10 20 30 40 50 60859095100105110115顯微 硬度/HV時間 / m in B 圖 34 表面顯微硬度與加工時間關(guān)系曲線 由此可總結(jié)：在轉(zhuǎn)速為 1800r/min、壓強為 ，加工時間分別為 30min、 60min時，實驗板的表面顯微硬度值較加工前分別增加了 %和 %，呈現(xiàn)出增幅上升的特點。其中，峰 1強度由 3600左右降至 3200左右；峰 2強度由 3300左右降至 2600左右；峰 3強度由 3200降至 1200左右。 比較圖 32中的 (a)、 (b)、 (c)圖，可見 (c)圖靠近加工面附近晶粒的細化效果最好，變形層深度最大。 顯微硬度用維氏顯微硬度儀測試。它是材料性能的一個綜合的物理量。 如圖 22所示，在 2和 3實驗板上加工區(qū)域內(nèi)取樣。 參 數(shù) 編 號 山東建筑大學畢業(yè)論文 20 圖 21 實驗板快速旋轉(zhuǎn)多重碾壓前后對照 （ a） 銑削磨削后試樣 (b)快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓后試樣 為檢驗快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓的效果，需在實驗板上進行取樣，進行表征。 表 21 鋁合金 5052快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓實驗方案 旋轉(zhuǎn)速度 加工時間 接觸壓強 保持壓強 1 1800r/min 30min 2 1800r/min 60min 3 空白試樣 將 2塊實驗板在銑床和磨床上分別進行銑削、磨削加工。 根據(jù)以上對前人工作的總結(jié)，以及導師 的指導，我選定了畢業(yè)設(shè)計的研究方向，即快速多重碾壓旋轉(zhuǎn)制備金屬表面超細晶結(jié)構(gòu)。但是總體來說，該技術(shù)距離實際應(yīng)用還有一定的距離。 Linchun Wang 等采用噴砂和退火處理在黃銅合金上制備得到納米晶層 ,動電位極化測試表明經(jīng)納米化處理后納米晶層具有更高的耐腐蝕性 ,且納米晶的形成有利于提高鈍化膜的機械性能。對于塊狀超細材料來說，強度的提高總是伴隨著韌性的明顯下降， 而表面納米化能夠有效地提高材料的整體強度， 同時又不明顯地降低材料的韌性。 表面納米化層的力學性能 表面納米化改變了材料表面的組織和結(jié)構(gòu)，這不僅有利于提高材料的表面性能， 而且對材料的整體性能也有相當?shù)奶岣?。以往曾對純鐵采用山東建筑大學畢業(yè)論文 15 SMA T 在表面得到納米晶層組織并進行 Cr 化處理 ,試驗結(jié)果表明 Cr 在納米晶 Fe中比在粗晶 Fe晶格中的擴散系數(shù)高 7～ 9 個數(shù)量級。 的擴散性能 晶體中的缺陷可作為原子的快速擴散通道。剪切帶滑移形成后，在剪切帶內(nèi)可以獲得納米晶。 圖 17超聲表面軋制設(shè)備工作示意圖 [2] 科研工作者通過熱力學或者機械加工的方法，在各種形式的材料的表層制備了不同厚度的納米層，運用各種表征的方法證實了這些納米層的存在。 Wang 等人 [2]選擇了淬火并回火處理過的 40Cr 軸進行實驗，在數(shù)控加工機上反復進行15 次超聲表面軋制。后者包括陶瓷壓電換能器、振幅變換棒和工作端。在超聲冷鍛中，超聲震動設(shè)備作用在工件上的總載荷 Pt是靜載荷與動載荷的總和，即 Pt = Pst + P sin 2πft，而且動載荷是靜載荷的 5倍 [3]。 實驗后，通過表征，可知在表面層晶粒的平均尺寸為 22nm，隨著深度增加至距離表面200? 的深度，材料逐漸完成由納米 微米 亞微米量級的轉(zhuǎn)化。 （ SMGT） 表面機械碾磨法是一種具有創(chuàng)新性的表面納米化的技術(shù) [17]。 fcc金屬與 bcc金屬相比具有更多的位錯滑移面，在彈丸的沖擊下產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變誘導位錯運動形成等軸位錯胞，位錯胞胞內(nèi)幾乎沒有位錯，高密度的位錯塞積在邊界，應(yīng)變和應(yīng)變速率的大小決定著位錯胞的尺寸。 （ 1）運用表面機械研磨處理（ SMAT）處理高層錯能金屬 純鐵是典型的體心立方 ( bcc) 晶體結(jié)構(gòu)，且層錯能高，為 200mJ/m2左右 [13]。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。晶粒細化的機制可能為高密度位錯運動和小的剪切帶的產(chǎn)生。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]。常用的噴丸設(shè)備如圖 13所示。同時，將表面納米化處理與化學處理相結(jié)合，在材料表 層可以獲得具有高性能的復相表層，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。 山東建筑大學畢業(yè)論文 5 第一次接觸 第二次接觸 圖 12 重復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。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[ 。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。 （ 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，對固體表面進行強化、改性、超精細加工或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。納米材料與技術(shù)的發(fā)展得到了世界各國的高度重視。 Surface nanocrystallization。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。 關(guān)鍵詞 :快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓 。 上述可見，表面工程綜合了材料科學、冶金學、物理、化學、表面科學各門學科的最新成果，是一門正在迅速發(fā)展的新型學科。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。 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[ 。 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。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。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。表面納米化與化學處理相結(jié)合可大幅