【文章內(nèi)容簡介】 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]。 （ 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]。表面機械碾磨法是在棒 狀材料的表面制備納米 微米結(jié)構(gòu)的梯度表面層的技術(shù)，這與表面機械研磨法（ SMAT）在平板材料上制備表面納米層有相似之處，但是表面機械碾磨法（ SMGT）解決了棒材的加工問題。 表面機械碾磨法（ SMGT）的基本原理圖如圖 15所示。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。 山東建筑大學畢業(yè)論文 11 (a) (b) 圖 15 表面機械碾磨法 (SMGT) [25] (a)表面機械碾磨法 (SMGT)簡圖 (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，由于棒材相對于刀具尖端的高速碾磨，于是溫度可能有一定程度的增高，從而是細化的晶粒長大。于是，實驗人員選擇了熱導率較好的 Cu作為實驗材料，制成試樣。并且用液氮保證實驗在低溫下進行。刀具選擇的材料為 WC/Co。 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。于此同時，顯微硬度也由材料表面的 [17]。 （ UCFT） 超聲冷鍛技術(shù)是一種納米結(jié)構(gòu)表面修整技術(shù)，這種技術(shù)可以改善材料的硬度、韌性和磨損性能 [2]。 圖 16 超聲冷鍛技術(shù)過程圖 [2] 山東建筑大學畢業(yè)論文 12 超聲冷鍛技術(shù)的動力源為超聲震動能。每秒鐘上萬次的沖擊作用在材料的表面上，與此同時，一個恒定的壓力也與這個脈沖壓力共同作用。這些沖擊在材料的表面層引起了嚴重的塑性變形，并且也使材料表面產(chǎn)生了一定厚度的納米 層 [2]。 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。圖中 Pst是靜載荷， P是動載荷的振幅， S是超聲震動設(shè)備主軸的進給量， Ss是相鄰兩個沖擊點之間的距離。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]。 在現(xiàn)今的工業(yè)生產(chǎn)中，高強鋼的應(yīng)用量越來越廣，對高強鋼的修整過程中，經(jīng)常產(chǎn)生刀具破壞和修正后毛刺較多的現(xiàn)象。 Suh 等人運用超聲冷鍛技術(shù)，對修整刀的刀刃進行性能的改進，將其應(yīng)用于對高強鋼和低 碳鋼側(cè)邊的修整中 [3]。 Suh 等人 [3] 從常見的制作修整刀的材料 SKD61 入手，對這種材料進行超聲冷鍛之后，工件表面可以產(chǎn)生一定厚度的納米層。并且工件的力學性能得到很大的改進：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]。由實地試驗，超聲冷鍛處理后修整刀的效果相當?shù)牟诲e。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。 （ 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。后者包括陶瓷壓電換能器、振幅變換棒和工作端。工件被彈簧固定在底部，表面軋制操作器和工件之間產(chǎn)生的靜載荷。同時，壓縮空氣也能夠?qū)Q能器進行冷卻。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]。 在一定的進給速率下，靜載荷和才生震動作用在工件的表面，由于這種冷擠壓，工件的表層產(chǎn)生彈性和塑性變形。加工后，彈性變形回復，試樣表面波峰向波谷的塑性流動填平了試樣表面。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。重復的進行 的超聲表面軋制過程可以使晶粒的細化變得均一，增加變形層的深度，增加納米層的厚度 [2]。 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。工作端頂部呈半球形，直徑 5mm，表面粗糙度 ~ ? ，材料為燒結(jié)碳化硅。靜載荷為 400N，在加工過程中應(yīng)使用冷卻劑。 超聲表面軋制的效果非常的突出。各項力學性能都有不同程度的提高。最值得指出的是材料的表面粗糙度：將經(jīng)過超聲表面軋制處理過的 40Cr 軸與普通拋光處理過的 40Cr 軸山東建筑大學畢業(yè)論文 13 進行比較，前者的表面粗糙度 Ra 為 ? ，后者為 ? [27]?？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帯? 當然，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。 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。這些納米結(jié)構(gòu)給材料的性能帶來了巨大的改變，也達到了制備材料表面納米層的初衷：即工程結(jié)構(gòu)材料經(jīng) 過表面納米化處理后性能的提高。 目前的研究均表明 ]21[ ，表面自納米化處理后，在材料上可獲得表面為納米晶、晶粒尺山東建筑大學畢業(yè)論文 14 寸沿厚度方向逐漸增大的梯度結(jié)構(gòu)。一般將表面層分為四層：納米結(jié)構(gòu)表層、細化的亞微晶層、變形細化的微晶層和基本沒有變化的基體 ]7[ 。納米結(jié)構(gòu)表層： 納米結(jié)構(gòu)表層由晶體學隨機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。處理一段時間后， 該層的晶粒寸不再隨噴丸時間的延長而發(fā)生顯著變化 ]16[ 。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。變形細化的微晶層 : 晶粒細化還與應(yīng)力集中造成的剪切變形有關(guān)。剪切帶滑移形成后，在剪切帶內(nèi)可以獲得納米晶。另一方面 ,孿生也會促使晶粒進一步細化?；緵]有變化的基體 : 基本沒有變化的基體的晶粒尺寸基本保持材料處理前的尺寸， 只是在與過渡層交界處仍殘留少量微觀應(yīng)變 , 因而與處理前相比，該層材料的 性能基本無變化 ]16[ 。彈丸沖擊試樣在表面局部產(chǎn)生一個應(yīng)力場。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)變越小。由于應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率均隨深度的增加而減小， 因此在材料上可獲得表面為納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度結(jié)構(gòu)。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。材料表面自納米化后的橫斷面梯度組織結(jié)構(gòu)很明顯 。 的擴散性能 晶體中的缺陷可作為原子的快速擴散通道。這些缺陷是外表面、位錯、晶界 ,而原子在晶粒內(nèi)部的擴散要慢得多 ,其中晶界的擴散速率大于位錯而小于外表面。采用強烈塑性變形在金屬材料表面形成的納米晶層的大量有缺陷的晶界可作為原子的快速擴散通道。 J . Horv225。th 等最先報道了納米材料中的擴散行為 ,研究發(fā)現(xiàn)納米晶 Cu 在 353K和 393K的自擴散系數(shù)分別是 2 10 18 m2 / s 和 1. 7 1017 m2 / s ,比粗晶 Cu 中晶格的擴散系數(shù)高 14～ 16 個數(shù)量級 ,而比粗晶 Cu 中晶界的自擴散系數(shù)高 3個數(shù)量級。 W. P. Tong 等采用 SMAT 先在純 Fe 表面形成約 15μ m 的納米晶層 ,發(fā)現(xiàn)表面滲氮動力學過程得到加強 ,有效滲氮溫度降低到300 ℃ ,遠低于原始粗晶組織中的滲氮溫度 (高于 500 ℃ ) 。納米晶組織的形成能加強 Cr 的擴散動力學過程。文獻 [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 上對其進行 Cr 化處理 ,相對于原始粗晶織 ,在納米化處理的低碳鋼上得到了較厚的Cr 擴散層且 (Cr ,Fe) 23 C6 和 (Cr , Fe) 2 N 的形成溫度更低 ,數(shù)量更多。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。由于納晶層中大量體積分數(shù)非平衡晶界和晶界三叉點的存在 ,Cr 在 Fe 納米相中擴散激活能的指前因子要比粗晶晶界擴散高。對純 Fe 進行SMAT 表面納米化處理 ,在相同的氣體氮化條件下 (500 ℃處理 2h) ,表面納米化試樣的滲氮層厚度是未處理試樣的 2倍 ,且納米化處理的氮化層具有更高的硬度和耐磨損性能。 Wei Li 等對 Fe2 30%Ni ( 質(zhì)量分數(shù) ) 合金進行 SMAT 處理 ,撞擊球的成分為 13Cr 、 0. 15C ,其余為Fe 。納米化過程中的應(yīng)變誘導了馬氏體的形成 ,試樣與球的撞擊過程中 Fe 、 Cr 、 Ni 之間的擴散升高了逆轉(zhuǎn)變 馬氏體的起始溫度。 X. L .Wu 等采用硬質(zhì)鋼球?qū)冣掃M行 SMAT 處理 ,撞擊過程中的擴散導致了金屬間化合物 Co 3 Fe7 的形成 ,納米尺度成分分析表明晶界和晶界交接處的 Fe 含量高于晶粒內(nèi)部 ,塑性變形中的原子擴散加強了固溶的進行。 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。相 對于 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。 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)奶岣摺Ｄ壳埃? 對于納米結(jié)構(gòu)表層的力學性能，如強度、硬度、塑性與超塑性、沖擊韌度、彈性模量、疲勞性能、摩擦磨損性能等，抗腐蝕性能、擴散性能、穩(wěn)定性等已有比較廣泛的研究 ]2322[ ? 。 表面納米晶層的硬度顯著提高， 并隨著深度的增加而逐漸減小， 與顯微組織未發(fā)生變化的心 部相比，硬度可提高幾倍 ]24[ ，表面以下亞微晶層的硬度也明顯增大； 表面硬度的提高有助于改善材料的摩擦磨損性能， 但由于機械加工處理引起的表面粗糙度的增加卻有可能對材料的耐磨性產(chǎn)生不利的影響， 因此在低載荷下材料的摩擦磨損性與表面處理前相比變化不大。隨著載荷的增加，未處理材料的磨損量急劇下降， 而表面納米化材料的磨損量變化很小，可見表面納米化能夠明顯提高高載荷下材料的耐摩擦磨損性能 ]26[ 。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) 。同時，隨著載荷的增大，表面納米化低碳鋼的主要磨損機制從磨粒磨損方式轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p方式， 表面納米化有助于減弱低碳鋼表面的疲勞磨損效應(yīng)， 表面納米化可以提高材料表面的抗沖擊性能， 研究低碳鋼經(jīng)過表面機械加工處理后沖擊能量與刮削體積山東建筑大學畢業(yè)論文 16 的關(guān)系可以得出 :試驗初期，表面納米化材料的抗沖擊性明顯優(yōu)于處理前， 隨著沖擊次數(shù)的增加，二者的差距減小，這主要是納米結(jié)構(gòu)表層因沖擊次數(shù)增加而逐漸消失所致。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。表面性能的改善對材料的整體性能也會產(chǎn)生有利影響 ]25[ ， 1mm 厚度的低碳鋼板材雙面經(jīng)過表面機械加工處理后， 當雙側(cè)納米層厚度只占板材總厚度的 3%時，材料的屈服強度可提高約 35%，而伸長率只下降 4%。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