表面纳米化对金属材料耐磨性的影响
纳米表面处理工艺
纳米表面处理工艺引言：纳米技术是一门涉及到材料、物理、化学、生物等多个领域的交叉学科，它通过对物质的控制和调整，使其具备特殊的性能和功能。
纳米表面处理工艺作为纳米技术的一个重要应用领域，已经在各个领域展现出了巨大的潜力和应用前景。
本文将从纳米表面处理工艺的原理、方法以及应用领域等方面进行介绍和探讨。
一、纳米表面处理工艺的原理纳米表面处理工艺是通过对材料表面进行纳米级别的处理，改变其表面性质和结构，从而实现对材料性能的调控和提升。
其原理主要包括以下几个方面：1. 表面能调控原理：纳米表面处理工艺可以通过改变材料表面的能量状态，使其具备不同的表面能，从而影响材料的润湿性、附着性和抗腐蚀性等性能。
2. 表面形貌调控原理：纳米表面处理工艺可以通过改变材料表面的形貌结构，调控其表面的粗糙度、孔洞大小和分布等特征，从而改变其光学、电学和磁学性能。
3. 表面化学调控原理：纳米表面处理工艺可以通过在材料表面引入纳米级别的化学物质或改变表面的化学反应性，实现对材料表面化学性能的调控和改善。
二、常见的纳米表面处理方法纳米表面处理工艺涵盖了多种方法和技术，下面介绍几种常见的纳米表面处理方法：1. 等离子体处理：等离子体处理是利用等离子体的高能粒子对材料表面进行物理、化学处理的方法。
通过等离子体处理，可以实现对材料表面的清洁、改性和涂层等处理，从而改善材料的性能。
2. 化学溶液法：化学溶液法是将纳米材料溶解在溶液中，通过溶液中的化学反应将纳米材料沉积在材料表面的方法。
这种方法可以实现对材料表面的功能化修饰，如抗菌、防腐蚀等。
3. 离子注入法：离子注入法是将离子加速器产生的高能离子注入到材料表面，改变材料的表面成分和结构的方法。
通过离子注入，可以实现对材料表面硬度、耐磨性等性能的提升。
三、纳米表面处理工艺的应用领域纳米表面处理工艺在许多领域都有广泛的应用，下面介绍几个常见的应用领域：1. 材料领域：纳米表面处理工艺可以应用于金属、陶瓷、聚合物等材料的表面处理，改善材料的表面性能和稳定性，提高材料的耐腐蚀性、耐磨性和导热性等。
利用纳米颗粒改善金属涂层耐蚀性能研究进展
利用纳米颗粒改善金属涂层耐蚀性能研究进展纳米颗粒材料具有独特的物理和化学特性，可以被广泛应用于各个领域。
在金属涂层的研究中，纳米颗粒材料被广泛应用于改善金属涂层的耐蚀性能。
本文将综述利用纳米颗粒改善金属涂层耐蚀性能的研究进展。
一、纳米颗粒对金属涂层耐蚀性能的影响1.1 纳米颗粒增强金属涂层的抗腐蚀能力纳米颗粒能够与金属基体形成均匀的分散体系，并在涂层表面形成更致密的保护膜。
这种保护膜可以阻止外界腐蚀介质的侵入，提高金属涂层的抗腐蚀性能。
研究表明，添加纳米颗粒可以显著提高金属涂层的耐腐蚀性能，延长金属涂层的使用寿命。
1.2 纳米颗粒提高金属涂层的耐磨性能纳米颗粒可以有效地填充金属涂层中的缺陷和孔隙，提高涂层的致密性和硬度。
同时，纳米颗粒的形成还可以提高金属涂层的耐磨性能，减少摩擦损失。
因此，添加纳米颗粒可以有效地改善金属涂层的耐磨性能，延长涂层的使用寿命。
1.3 纳米颗粒改善金属涂层的耐氧化性能纳米颗粒可以形成致密的氧化层，并提供额外的保护作用，减少氧化介质对金属涂层的侵蚀。
研究发现，添加纳米颗粒可以显著提高金属涂层的耐氧化性能，防止金属涂层因氧化而失效。
这对于金属涂层在高温、高氧化介质下的应用具有重要意义。
二、利用纳米颗粒改善金属涂层耐蚀性能的方法2.1 纳米颗粒的表面修饰为了提高纳米颗粒与金属基体之间的相容性，常常需要对纳米颗粒进行表面修饰。
表面修饰可以使纳米颗粒与金属基体形成更牢固的结合，提高涂层的耐蚀性能。
常用的表面修饰方法包括硅化、钝化、改性等。
2.2 纳米颗粒的复合应用为了进一步提高金属涂层的耐蚀性能，可以将不同类型的纳米颗粒进行复合应用。
例如，可以将具有不同功能的纳米颗粒相互结合，形成复合纳米颗粒，同时改善金属涂层的抗腐蚀性能、耐磨性能和耐氧化性能。
2.3 纳米颗粒的结构调控通过调控纳米颗粒的形状、尺寸和组分，可以进一步改善纳米颗粒对金属涂层耐蚀性能的影响。
研究表明，纳米颗粒的形态特征对金属涂层的性能有着重要影响。
表面自纳米化
表面自纳米化摘要：一、表面自纳米化简介1.概念解释2.表面自纳米化的方法二、表面自纳米化的优势1.提高材料性能2.增加材料表面积3.改善材料表面黏附性三、表面自纳米化在实际应用中的案例1.金属材料的表面自纳米化2.陶瓷材料的表面自纳米化3.聚合物材料的表面自纳米化四、表面自纳米化的前景与挑战1.技术发展前景2.目前面临的挑战正文：表面自纳米化是一种通过表面处理技术，使材料表面形成纳米级结构的过程。
在这个过程中，材料的表面通过特殊的处理方法，如化学刻蚀、物理磨损等，形成具有高度有序的纳米级结构。
这种结构不仅可以提高材料的性能，还可以增加材料的表面积，改善材料表面的黏附性，因此在材料科学和工程领域具有广泛的应用。
表面自纳米化的方法主要包括化学刻蚀法、物理磨损法、电化学法等。
其中，化学刻蚀法是通过化学反应将材料表面逐渐蚀刻成纳米结构；物理磨损法是通过机械磨损或溅射等方法使材料表面形成纳米级结构；电化学法则是在电化学过程中使材料表面发生形变，形成纳米级结构。
表面自纳米化技术可以显著提高材料的性能。
例如，金属材料的硬度、耐磨性、抗疲劳性等性能可以得到显著提高；陶瓷材料的抗磨损、抗腐蚀性能也会得到很大的提升；聚合物材料的黏附性、抗氧化性等方面也会得到改善。
在实际应用中，表面自纳米化技术已经成功应用于金属、陶瓷、聚合物等多种材料。
例如，对金属材料的表面自纳米化处理可以提高其抗磨损性能，增加其使用寿命；对陶瓷材料进行表面自纳米化处理，可以提高其抗磨损、抗腐蚀性能，扩大其应用领域；对聚合物材料进行表面自纳米化处理，可以改善其黏附性，提高其与其它材料的结合性能。
然而，表面自纳米化技术目前还面临一些挑战，如处理过程中对环境的影响、纳米结构的稳定性、处理效果的可控性等。
表面纳米化与离子渗氮对304不锈钢的影响
表面纳米化与离子渗氮对304不锈钢的影响王引真;冯雅;孙永兴;冯涛【摘要】为解决304不锈钢硬度低、耐磨性差的问题,本文采用预先表面纳米化,温度400、450℃,保温时间4、6 h,氮氢比1∶3的离子渗氮工艺对试样进行处理,研究纳米化以及渗氮工艺对304不锈钢渗氮层形貌和深度、硬度以及摩擦磨损性能的影响.利用金相显微镜、电子探针显微分析仪(EPMA)、能谱仪(EDS)、显微硬度计和磨损试验机对样品的显微组织、微观形貌、硬度及耐磨性进行了表征.结果表明:304不锈钢经表面纳米化与离子渗氮工艺处理后,渗氮层为0.1～0.2 mm,表面硬度约为1 200 HV0.1,比基体硬度提高了6～7倍,耐磨性也大大增强;但渗氮温度越高,保温时间越长,材料表面耐磨性越差.综合各种影响因素得出在本实验条件下最佳处理工艺为:预先表面纳米化,渗氮温度400℃、保温时间6 h.%To solve the problem of low hardness and poor wear resistance of 304 stainless steel, this research applied the surface nanocrystallization mechanism and treated the sample by plasma nitriding at 400 ℃and 450 ℃ with hol ding time 4 h and 6 h and nitrogen and hydrogen ratio of 1∶3. Influence of the nanocrystallization and nitriding process on the morphology, depth, hardness, and friction, and wear properties of nitrided layer of 304 stainless steel was studied. The microstructure, micro morphology, hardness, and wear resistance of the sample were measured and characterized by using metallographic microscope, EPMA, EDS, micro-hardness tester, and wear testing machine. Results show that after being treated by surface nanocrystallization and plasma nitriding composite process, the nitrided layer of 304 stainless steel was about 0.1～0.2 mm,the microhardness values reached 1 200 HV0.1, which is 6～7 times higher than that of the matrix, and the wear resistance was greatly improved. However, the higher the nitriding temperature was, the longer the holding time was, and the worse the wear resistance of the material surface became. Considering multiple factors, the optimum treatment process was obtained under the experimental condition when the nitriding temperature is 400 ℃ and the holding time is 6 h after surface nanocrystallization.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2019(027)001【总页数】6页(P59-64)【关键词】304不锈钢;表面纳米化;离子渗氮;硬度;耐磨性【作者】王引真;冯雅;孙永兴;冯涛【作者单位】中国石油大学(华东) 材料科学与工程学院, 山东青岛 266580;中国石油大学(华东) 材料科学与工程学院, 山东青岛 266580;中国石油大学(华东) 材料科学与工程学院, 山东青岛 266580;中国石油大学(华东) 材料科学与工程学院, 山东青岛 266580【正文语种】中文【中图分类】TG156.8奥氏体不锈钢具有很强的防锈、耐腐蚀性[1]和良好的可塑性、韧性，被广泛应用于工业、家具装饰行业和食品医疗行业等领域,但其较低的硬度和极差的耐摩擦磨损性能会导致设备因磨损而失效[2-3].奥氏体不锈钢不能同时兼顾耐磨和耐腐蚀特性，使其使用范围受到不小的影响[4].因此，迫切需要改善304不锈钢的耐磨损性能.优化材料表面的组织结构和性能可有效地提高零件的可靠性[5].近年来，常用的表面强化手段有压力扭转、等通道用挤压和表面机械研磨(SMAT)等[6].王少杰等[7]对304不锈钢采用SMAT与离子渗碳复合处理，发现处理后的材料组织内部发生了马氏体转变，渗层晶粒细化，材料的力学性能大为改善，复合处理也显著提高了材料的耐磨性.卢柯课题组[8]利用SMAT和气体渗氮复合技术对纯铁进行表面处理，结果显示，渗氮9 h后采用SMAT处理的材料渗氮层达10 μm，而未采用SMAT 处理的相同材料渗氮效果不佳.该组成员也探究了SMAT与渗氮复合处理对304不锈钢的影响，结果表明，材料的综合机械性能得到提升[9]，得到了良好的效果.目前，对304不锈钢进行单一的纳米化处理或者渗氮处理的工艺研究已经比较纯熟，但关于304不锈钢表面纳米化与离子渗氮复合工艺的探索相对较少.本文首先采用超声冲击表面处理技术对304不锈钢进行表面纳米化处理，随后对纳米化工件和未纳米化工件同时进行渗氮处理，研究纳米化及渗氮工艺对304不锈钢渗氮层的形貌、深度、硬度以及摩擦磨损性能的影响.1 实验1.1 试样材料试样材料为304 奥氏体不锈钢，化学成分见表1.选用外径102 mm、管厚6 mm、长度260 mm的奥氏体不锈钢圆管，将其线切割成30 mm×10 mm×4 mm的长方体试样，然后用水砂纸由粗至细将试样打磨平整，随后用酒精冲洗去污.表1 304奥氏体不锈钢化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 304 austenitic stainless steel (wt.%) CSiMnCrNiMoTiFe0.050.81.517.59.50.0130.011Bal.1.2 试样制备1.2.1 表面超声处理材料表面超声处理采用HK30G型豪克能镜面加工设备，辅助设备为30M70数控加工中心，加工过程中豪克能加工设备的冲击装置代替加工中心原普通刀具加工试样.超声冲击频率为27.2 kHz，电流0.8 A，预压力0.3 MPa，进给速度1 700 mm/min，步距 0.2 mm.1.2.2 低温离子渗氮处理将未纳米化的试样和纳米化的试样同时放入LDMC-15A脉冲离子渗氮设备进行渗氮.氮气与氢气的气流量分别为40、120 mL/min，电压800 V，占空比0.7，温度450、400 ℃，保温时间4、6 h，随炉冷却.为方便分析说明,将不同工艺参数处理的试样标号，如表2所示.表2 304奥氏体不锈钢不同处理工艺的试样编号Table 2 Sample numbers of different processes of AISI 304 austenitic stainless steel编号工艺1#表面纳米化2#渗氮(400 ℃、4 h)3#渗氮(400 ℃、6 h)4#渗氮(450 ℃、4 h)5#渗氮(450 ℃、6 h)6#表面纳米化+渗氮(400 ℃、4 h)7#表面纳米化+渗氮(400 ℃、6 h)8#表面纳米化+渗氮(450 ℃、4 h)9#表面纳米化+渗氮(450 ℃、6 h)1.3 试样表征采用MDJ200 金相显微镜观察组织形貌，选用Marble溶液(CuSO4 4 g，HCl 20 mL，H2O 20 mL)为腐蚀液；采用JXA-8230型电子探针EPMA观察纳米化对试样表面的影响；通过EDS和WDS对渗氮层截面进行元素分布及含量分析；使用MH-3 型显微维氏硬度计测量硬度以及渗氮层深度，条件为试验力0.98 N，保荷15 s；在干摩擦条件下，采用M-2000A型磨损试验机考察基体与渗氮层的摩擦磨损性能，法向载荷50 N，转速360 r/min，时间60 min，摩擦副为GCr15滚动轴承钢，磨损实验前后使用精度为0.0001 g的FA2204B型电子天平测量样品质量，计算磨损量.2 结果与讨论2.1 组织分析2.1.1 表面纳米化对试样组织的影响图1为纳米化前后304不锈钢的表面显微组织形貌，其中图1(a)、(b)分别为母材和1#试样的金相组织形貌，图1(c)、(d)分别为母材和1#试样经电子探针扫描的组织形貌.由图1(a)、(b)可见，表面纳米化处理后晶粒尺寸明显减小，晶粒数量明显增多.这是因为表面纳米化使材料表面产生塑性变形，形成孪晶组织，同时塑性变形也使得晶粒破碎，细化了晶粒，增加了晶粒数量.由图1(c)、(d)可见，母材表面呈分散分布的犁沟，且朝向混乱.表面纳米化处理使得材料表面比母材更平整，且犁沟分散均匀，朝同一方向分布.图1 纳米化前后试样表面显微组织形貌Fig.1 Cross sectional microstructures of the sample before and after surface nanocrystallization: (a) Metallographic structure of the base metal;(b) Metallographic structure of sample 1#; (c) Micro morphology of base metal; (d) Micro morphology of sample 1#2.1.2 离子渗氮工艺参数对渗层组织的影响图2为不同渗氮工艺处理的渗层金相组织形貌.图2(a)、(b)分别为 2#和4#试样的渗层金相组织，可以明显看出，当渗氮时间相同时，450 ℃的白亮层比400 ℃时的厚，但存在较多的灰黑色物质.这是由于当渗氮温度升高时铬元素的扩散速率增加，并与氮原子形成CrN化合物.Cr是使不锈钢拥有耐蚀性的主要元素，铬含量的下降会使不锈钢耐蚀性下降，当被腐蚀剂腐蚀时，耐蚀性弱的区域就呈现出比基体更深的灰黑色.图2 不同渗氮工艺处理后的渗层金相组织Fig.2 Metallographic structure of nitrided layer treated by different nitriding processes: (a) sample 2#; (b) sample 4#图3为4#试样的表面经电子探针扫描的组织形貌.试样表面出现大量的点状凸起.氮原子的渗入和扩散致使周围的Cr向表面扩散，并与氮结合形成CrN；铬是体心立方结构，原子间隙较大，同时由于氮原子较小，所以，氮会固溶于铬形成固溶体.这些点状凸起是离子渗氮后形成的氮化物或者是氮的固溶体.图3 4#试样表面的微观形貌Fig.3 Micro morphology of the surface of sample 4#2.1.3 纳米化与离子渗氮复合工艺对试样组织的影响图4为6#试样的渗层金相组织形貌.可见预先进行表面纳米化处理后的渗层组织出现了缺陷.这是由于在离子渗氮过程中，由于工件是阴极，会经受氮氢阳离子的冲击，从而形成刻蚀痕[10].图4 6#试样渗层金相组织Fig.4 Metallographic structure of the nitrided layer of sample 6#图5为9#试样的表面经电子探针扫描的组织形貌.对比图3和图5可见，复合处理的试样表面比仅渗氮试样有更明显的点状凸起，且呈直线间断分布.这是因为纳米化促进氮扩散，使材料表面的氮固溶物增加；纳米化使材料表层形成朝同一方向分布的孪晶组织，氮在孪晶界的扩散速率高，形成了近似呈直线分布的点状凸起.图5 9#试样表面的微观形貌Fig.5 Micro morphology of the surface of sample 9#2.2 硬度及渗氮深度分析2.2.1 硬度分析图6为不同工艺处理后试样的硬度梯度分布.母材硬度171.8 HV0.1，纳米化后试样表面硬度340.4 HV0.1.渗氮温度对硬度的影响很大，450 ℃渗氮的表面硬度约是400 ℃的2倍，是基体硬度的5～6倍；保温时间对硬度的影响较小，随着保温时间的延长，硬度增加缓慢；渗氮后的表面硬度随距离的增加迅速下降，0.1 mm往后硬度变化曲线趋于与基体硬度持平；纳米化后硬度在0.05～0.5 mm时高于未纳米化50 HV0.1左右，纳米化产生的加工硬化提高了基体硬度.图6 不同工艺处理后试样的硬度梯度分布Fig.6 Microhardness gradient distribution of the sample after different treatments2.2.2 渗氮深度分析图7为不同渗氮工艺处理后的渗层深度分布.由图7可知：温度越高、保温时间越长，渗层越厚；当渗氮工艺参数相同时，纳米化使渗氮深度增加.温度影响氮原子的扩散速率，温度越高，氮原子扩散速率越大，渗氮层深度也就越高.氮扩散需要时间，随着时间的延长，氮扩散更充分，因此渗层越厚.纳米化使试样表面产生塑性变形，晶粒得到细化，形成了很多孪晶、位错等缺陷[11]，为氮的扩散增加了额外的通道.此外，纳米化导致材料进行马氏体转变[12].因此，纳米化试样比未纳米化试样渗氮层更深.图7 不同渗氮工艺处理后的渗层深度分布Fig.7 Depth distribution of the nitrided layer after different nitriding processes2.3 摩擦磨损分析图8为不同工艺处理后的试样磨损失重.由图8可知:表面纳米化后摩擦失重增加，试样磨损量多于纳米化，在此渗氮工艺下，未纳米化试样耐磨性低于纳米化试样；随着渗氮温度的升高，保温时间的延长，磨损量越大.渗氮处理的试样磨损量明显小于未渗氮试样，且400 ℃时比450 ℃耐磨性更好，这是因为当渗氮温度较低时，材料表面会形成一层氮过饱和膨胀奥氏体，称为S相，与未渗氮的母材相比，耐磨性显著提高[13-14].图8 不同工艺处理后的试样磨损失重Fig.8 Weight lose of arburized sample after different process treatments 2.4 成分分析图9为4#渗氮试样的渗层经电子探针扫描的组织形貌，图10为其选点的元素的能谱图.图9 4#试样渗层微观形貌Fig.9 Micro morphology of the nitrided layer of sample 4#图10 选点元素能谱图Fig.10 Energy spectrum of the selection of elements表3为该点的元素含量，近似反映了渗氮层元素含量.渗氮层Cr的质量分数达到69.88%，N质量分数为13.60%，而原始304不锈钢的Cr质量分数仅为18%左右.表层富Cr严重将会导致材料表面的脆性增加[15].表3 渗氮层元素含量Table 3 Element composition in nitrided layer元素质量分数/%原子数分数/%N K13.6037.11Si K1.562.12Cr K69.8851.34MnK3.332.32Fe K8.695.95Mo L2.941.173 结论1)304不锈钢经表面纳米化与离子渗氮复合处理后，温度400 ℃时白亮层薄，且渗氮层较薄;温度450 ℃时白亮层厚但呈灰黑色，且渗层较厚.保温时间能增加渗氮层深度，但不明显.表面纳米化能够使试样在同种渗氮工艺下获得更深的渗氮层. 2)渗氮温度对304不锈钢硬度的影响很大，温度越高，获得的硬度越高.保温时间对硬度的影响较小，随着保温时间的延长，硬度有较小的提高；表面纳米化能够有效提高原始表面硬度以及渗后硬度.3)渗氮温度400 ℃、保温4 h，304不锈钢耐磨性最好.随着温度升高、保温时间延长,其硬度增加，耐磨性下降.渗氮处理可能导致材料表面脆化.在本实验条件下,304不锈钢最优处理工艺为：预先表面纳米化，渗氮温度400 ℃,保温时间4 h. 参考文献：【相关文献】[1] LO K H, SHEK C H, LAI J K L. Recent developments in stainless steels[J]. Materials Science & Engineering R, 2009, 65(4): 39-104.[2] 刘静，钱林茂，董汉山，等. 碳化、氮化与碳氮化对316LVM不锈钢微动腐蚀磨损性能的影响[J]. 摩擦学学报, 2009, 29(5): 399-404.LIU Jing, QIAN Linmao, DONG Hanshan, et al. Effect of surface treatment on the fretting wear behavior of medical grade austenitic stainless steels[J]. Tribology, 2009, 29(5): 399-404.[3] 王威，陈淑梅，严伟，等. 氮对冷变形高氮奥氏体不锈钢微观结构的作用[J]. 材料热处理学报, 2010, 31(7): 59-65.WANG Wei, CHEN Shumei, YAN Wei, et al. Effects of nitrogen on microstructure of cold deformed high nitrogen austenitic stainless steels[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2010, 31(7): 59-65.DOI：10.13289/j.issn.1009-6264.2010.07.029[4] 童幸生，张婷. 低温离子渗碳对304不锈钢耐磨性影响的研究[J]. 新技术新工艺, 2013(5): 89-91.TONG Xingsheng, ZHANG Ting. Research on wear resistance of 304 stainless steel by low temperature plasma carbuirizing[J]. Journal of New Technology & New Process, 2013(5): 89-91.[5] LOU S, LI Y, ZHOU L, et al. Surface nanocrystallization of metallic alloys with different stacking fault energy induced by laser shock processing[J]. Materials & Design, 2016, 104: 320-326.DOI:10.1016/j.matdes.2016.05.028[6] JAYALAKSHMI M, HUILGOL P, BHAT B R, et al. Microstructural characterization of low temperature plasma-nitrided 316L stainless steel surface with prior severe shot peening[J]. Materials & Design, 2016, 108: 448-454.DOI:10.1016/j.matdes.2016.07.005[7] 王少杰，韩靖，韩月娇，等. 表面纳米化对304不锈钢渗碳层组织和性能的影响[J]. 中国表面工程, 2017, 30(3): 25-30.WANG Shaojie, HAN Jing, HAN Xuejiao, et al. Effect of surface nanocrystallization on the microstructure and properties of carburized layer of 304 stainless stee[J]. China Surface Engineering,2017, 30(3): 25-30.[8] TONG W P, TAO N R, WANG Z B, et al. Nitriding iron at lower temperatures[J]. Science, 2003, 299(5607): 686.[9] ZHANG H W, WANG L, HEI Z K, et al. Low temperature plasma nitriding of AISI 304 stainless steel with nano-structured surface layer[J]. Zeitschrift Fur Metallkunde, 2013,94(10): 1143-1147.[10] 沈烈. 奥氏体不锈钢形变/渗氮复合处理工艺及渗氮层结构与性能研究[D]. 大连：大连海事大学, 2013: 61-63.[11] 韩月娇，韩靖，张雪梅，等. 304不锈钢表面纳米化层的组织和性能[J]. 功能材料, 2016,47(8):8084-8088.HAN Yuejiao, HAN Jing, ZHANG Xue Mei, et al. Microstructure and properties of surface nanostructured layer of 304 stainless steel[J]. Journal of Functional Materials, 2016, 47(8): 8084-8088.DOI: 10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.014[12] 王晓军,侯瑞雪,赵文军,等. 304H不锈钢碳化物析出动力学研究[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2014, 26(1): 45-49.WANG Xiaojun, HOU Ruixue, ZHAO Wenjun, et al. Precipitation kinetics of carbides of 304H austenitic stainless steel[J]. Corrosion Science and Protection Technology, 2014,26(1): 45-49.[13] LI C X, BELL T, DONG H. A study of active screen plasma nitriding[J]. Surface Engineering, 2002, 18(3): 174-181.[14] GALLO S C, DONG H. Study of active screen plasma processing conditions for carburising and nitriding austenitic stainless steel[J]. Surface & Coatings Technology, 2009, 203(24): 3669-3675.DOI:10.1016/j.surfcoat.2009.05.045[15] 王亮，许晓磊，许彬，等. 奥氏体不锈钢低温渗氮层的组织与耐磨性[J]. 摩擦学学报，2000, 20(1):67-69.WANG Liang, XU Xiaolei, XU Bin, et al. Microstructure and wear resistance of austenitic stainless steel nitrided layer at low temperature[J]. Tribology, 2000, 20(1): 67-69.DOI：10.16078/j.tribology.2000.01.017。
tsa工艺技术
tsa工艺技术TSA工艺技术是一种先进的表面处理技术，通过对金属表面进行纳米级的处理，能够改善金属的表面性能，提高材料的耐磨损性、耐腐蚀性和耐疲劳性等，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械制造等领域。
TSA工艺技术的核心是对金属表面进行热处理，通过在高温下使金属表面氧化生成一层固相氧化物层，进而改善金属表面的力学性能。
这种工艺技术可以广泛应用于各种金属材料，如铝合金、钛合金、镁合金等。
尤其是在航空航天领域，由于航空器在高温、高速、高压环境下的使用，金属材料容易受到氧化、腐蚀等问题的影响，而TSA工艺技术则能够有效减轻这些损害，提高航空器的使用寿命和安全性。
TSA工艺技术的优势主要有以下几点：1. 表面处理薄而均匀：TSA工艺技术通过在高温下使金属表面氧化，生成的固相氧化物层非常薄，约为几微米至几十微米，且具有均匀的结构。
这种薄而均匀的表面处理不仅能够提高材料的耐磨损性和耐腐蚀性，还能够减轻对材料原有性能的影响。
2. 提高材料的耐磨损性：固相氧化物层具有较高的硬度和抗磨损性，能够有效减少材料在摩擦和磨损过程中的表面变形和磨损。
特别是对于高速和高负荷的设备和部件，如飞机发动机的叶片和汽车发动机的活塞，TSA工艺技术的应用能够显著提高其耐磨损性和使用寿命。
3. 提高材料的耐腐蚀性：固相氧化物层具有良好的耐腐蚀性，能够有效防止材料在酸碱和盐溶液中的腐蚀。
尤其是对于在海洋环境中使用的船舶和海洋工程设备，TSA工艺技术的应用能够减轻海洋腐蚀带来的损害，延长设备的使用寿命。
4. 提高材料的耐疲劳性：TSA工艺技术对金属的表面进行了细微的改善，能够改善金属的内部结构，提高材料的耐疲劳性和抗应力腐蚀性。
这对于飞机、汽车等高速运动的机械设备来说尤为重要，能够有效避免材料因长期受到应力加载而发生的损伤和事故。
总之，TSA工艺技术是一种先进的表面处理技术，能够通过对金属表面进行纳米级的处理，改善金属的表面性能，提高材料的耐磨损性、耐腐蚀性和耐疲劳性等，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械制造等领域。
纳米化对1Cr17不锈钢耐高温氧化的影响
促进 ｃ 向表面的扩散 ， ｒ 更快的在合金表面形成 富 ｃ 的氧化物 ， ｒ 从而显著提高 了合金 的抗高温氧化性．
关键词 ：Ｃｌ ； １ ｒ７ 纳米化 ； 退火 ； 氧化 中图分类号 ：Ｇ ３ ；Ｇ １ Ｔ ３ １Ｔ １３ 文献标 识码 ： Ａ
Ｏｘ ｄ ｔｏ ｓｓ ａ ｃ ｆ １ ｌ ｎ － ｒ ｉｅ Ｓｔ ｅ ｔＨ ｉ ｈ Ｔｅ ｐ ｒ ｔ ｅ ｉ ａ ｉ ｎ Ｒｅ ｉｔ ｎ ｅ ｏ ７ Ｎａ ｏ Ｆｅ ｒｔ ｅ ｌａ ｇ ｍ ｅ ａ ｕｒ Ｃｒ
铁素 体不锈 钢除具 有不锈 性和耐 一般腐 蚀性 能外 ， 耐氯 化 物应 力 腐 蚀 、 点蚀 、 缝 隙腐 蚀等 局 其 耐 耐 部腐 蚀性 能优 良是 此类 钢的耐蚀 性方 面 的主要特 点 … ． １ ｒ７铁 素体 不锈 钢具有 正 晶粒尺 寸效应 ， 且 Ｃｌ 细
化晶粒可以使正晶粒尺寸效应合金的耐氧化性提高已被许多研究所证实 Ｊ但早期 的研究主要是针 。， 对微米级晶粒得到的， 近期有关纳米晶粒耐氧化性研究大多是用各种涂覆方法得到的表层 ， 不能保证全 致密 和与粗 晶基体 成分 的完全 一致 ＿ ． 文所 采 用 的 纳米 化 方 法是 表 面 机 械 加 工处 理 法 ， 种 纳米 化 ４本 Ｊ 这 机制使得纳米结构表层与基体之间不存在界面 ， 保证了与基体成分完全一致． 本文对 １ ｒ 铁素体不锈钢 ， Ｃｌ ７ 采用高能喷丸方法获得纳米化表层 ， 研究 了其在高温空气介质中的耐 氧化 性．
Ａｂｓｒ ｃ ： ｎ ｓｒ ｃｕ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｌｙ ｒ ｏ １ ｌ ｆｒｉ ｓａ ｎ ｅ ｓ ｓｅ ｌ ｒ ｐ ｅ ａ ｅ ｂ ｈ ｔ ａ ｔ Ｎａ ｏ ｔｕ ｔｒ ｄ ｕ ｆｃ ａ ｅ ｓ ｎ ７ ｅ ｒｔ ｔｉ ｌｓ ｔｅ ａ ｅ ｒ ｐ ｒ ｄ ｙ ｔ ｅ Ｃｒ ｅ ｍｅ ｎｓｏ ｉｈ ｅ ｅ ｇ ｈ ｔｐｅ ｎｎ ａ ｄ ｈ ｇ ｅ ｒ ｔ ｒ ｘ ｄ ｔｏ ｅ ｔ ｒ ｏ ｄ ｔｄ ｏ ｅ ａ ｆｈｇ — ｎ ｒ ｙ ｓ ｏ ｅ ｉｇ， ｎ ｉｈ ｔｍｐ ｅｕ ｅ ｏ ｉ ａｉｎ ｔ ｓｓ ａ ｅ ｃ ｎ ｕｃｅ ｎ ｔ ｈ ｓ ｍｐ ｅ ． ｐ ｒｍｅ ｔｌｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｆｅ ０ ｈ ｕ ｓ ｏ ｘｄ ｔｏ ｔ ｅ ｓ ｒａ ｅ Ｏ Ｃ ｒ — ｃ ａ ｌｓ Ｅｘ ｅ ｉ ｎ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ｔａｔｒ２ ｏ ｒ ｆｏ ｉａ ｉｎ，ｈ ｕ ｃ Ｃ Ｕ ａ Ｃｒｒ ｈ ａ ｓ ｈ ｆ ｓ ｉ ｉ ｎ ｒｌｙ ｒ， ｉ ｈ ｔｅ ｇ ｔｎ ｈ ｅ ｘ ｄ ｔｏ ｒ ｓｓ ｎ ｅ ｆ ｔ ｅ ｔｅ ．Ａｆ ｒ ｎ ｎ ａ ｉｇ ｈｅ ｈ ｔ ｎ ｅ ａ ｅ ｗｈ ｃ ｓｒｎ ｈ ｅ ｔ ｏ ｉ ａｉｎ ｅ ｉｔ ｃ ｏ ｓｅ １ ａ ｈ ｔ ａ ｅ ｌ ｔ ｓ ｏ ｅ ｎ ｐ ｅ ｄ ｓ ｐ ｅ ｆ ｒ１ ｏ ｉ ａｉｎ ｂ ｎ ｓ ａ ｏ ｔａ ｌｙ ｒ ｗｈ ｃ ｅｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｓｒ ｉ ｅ ｕ ｔｄ ｆｏ ｅ ｎｅ ａ ｌ ｏ ｈ， ｘ ｄ ｔｏ ｒ ｇ ｂ ｕ ａ ｅ ｉ ｈ ｒ ｌａ ｅ ｔａｎ ｒ ｓ ｌｅ ｒｍ ｍ ２ ｉ ｈ
金属材料表面纳米化研究与进展
表面技术第53卷第4期金属材料表面纳米化研究与进展杨庆，徐文文，周伟，刘璐华，赖朝彬*（江西理工大学 材料冶金化学学部，江西 赣州 341000）摘要：大多数金属材料的失效都是从其表面开始的，进而影响整个材料的整体性能。
研究表明，在金属材料表面制备纳米晶，实现表面纳米化，可以提升材料的表面性能，延长其使用寿命。
金属材料表面纳米化是指利用反复剧烈塑性变形让表层粗晶粒逐步得到细化，材料中形成晶粒沿厚度方向呈梯度变化的纳米结构层，分别为表面无织构纳米晶层、亚微米细晶层、粗晶变形层和基体层，这种独特的梯度纳米结构对金属材料表面性能的大幅度提升效果显著。
根据国内外表面纳米化的研究成果，首先对表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合纳米化3种金属表面纳米化方法进行了简要概述，阐述了各自优缺点，总结了表面自纳米化技术的优势，在此基础上重点分析了位错和孪晶在金属材料表面自纳米化过程中所起的关键作用，提出了金属材料表面自纳米化机制与材料结构、层错能大小有着密不可分的联系，对金属材料表面自纳米化机制的研究现状进行了归纳；阐明了表面纳米化技术在金属材料性能提升上的巨大优势，主要包括对硬度、强度、腐蚀、耐磨、疲劳等性能的改善。
最后总结了现有表面强化工艺需要克服的关键技术，对未来的研究工作进行了展望，并提出将表面纳米化技术与电镀、气相沉积、粘涂、喷涂、化学热处理等现有的一些表面处理技术相结合，取代高成本的制造技术，制备出价格低廉、性能更加优异的复相表层。
关键词：金属材料；表面纳米化；梯度纳米结构；纳米化机理；表面性能中图分类号：TG178 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)04-0020-14DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.04.002Research and Progress on Surface Nanocrystallizationof Metallic MaterialsYANG Qing, XU Wenwen, ZHOU Wei, LIU Luhua, LAI Chaobin*(Department of Materials Metallurgy and Chemistry, Jiangxi University ofTechnology, Jiangxi Ganzhou 341000, China)ABSTRACT: It is well known that the failure of most metallic materials starts from their surfaces, which in turn affects the overall performance of the whole material. Numerous studies have shown that the preparation of nanocrystals on the surface of metallic materials, i.e., surface nanosizing, can enhance the surface properties of materials and extend their service life. Surface nanosizing of metallic materials makes use of repeated violent plastic deformation to make the surface coarse grains gradually收稿日期：2023-02-23；修订日期：2023-06-29Received：2023-02-23；Revised：2023-06-29基金项目：国家自然科学基金项目（52174316，51974139）；国家重点研发计划项目（2022YFC2905200，2022YFC2905205）；江西省自然科学基金项目（20212ACB204008）Fund：National Natural Science Foundation of China(52174316, 51974139); National Key Research and Development Program of China (2022YFC2905200, 2022YFC2905205); Natural Science Foundation of Jiangxi Province (20212ACB204008)引文格式：杨庆, 徐文文, 周伟, 等. 金属材料表面纳米化研究与进展[J]. 表面技术, 2024, 53(4): 20-33.YANG Qing, XU Wenwen, ZHOU Wei, et al. Research and Progress on Surface Nanocrystallization of Metallic Materials[J]. Surface Technology, 2024, 53(4): 20-33.*通信作者（Corresponding author）第53卷第4期杨庆，等：金属材料表面纳米化研究与进展·21·refine to the nanometer level, forming nanostructured layers with gradient changes of grains along the thickness direction, including surface non-woven nanocrystalline layer, submicron fine crystal layer, coarse crystal deformation layer and matrix layer, and this unique gradient nanostructure is effective for the significant improvement of surface properties of metallic materials. The process technology and related applications of nanocrystalline layers on the surface of metallic materials in China and abroad are introduced, and the research progress of high-performance gradient nanostructured materials is discussed.Starting from the classification of the preparation process of gradient nanostructured materials and combining with the research results of surface nanosizing in China and abroad, a brief overview of three methods of metal surface nanosizing, namely, surface coating or deposition, surface self-nanosizing and hybrid nanosizing, was given, the advantages and disadvantages of each were discussed and the advantages of surface self-nanosizing technology were summarized. On the basis of this, the key role of dislocations and twins in the process of surface self-nanitrification of metallic materials was analyzed, and the mechanism of surface self-nanitrification of metallic materials was inextricably linked to the material structure and the size of layer dislocation energy, and the current research status of the mechanism of surface self-nanitrification of metallic materials was summarized. Finally, the key technologies required to be overcome in the existing surface strengthening process were summarized, and future research work was prospected. It was proposed to combine surface nanosizing technology with some existing surface treatment technologies such as electroplating, vapor deposition, tack coating, spraying, chemical heat treatment, etc., to replace the high-cost manufacturing technologies and prepare inexpensive complex-phase surface layers with more excellent performance.Techniques for the preparation of gradient nanostructured materials include surface coating or deposition, surface self-nanosizing, and hybrid surface nanosizing. Surface coating or deposition technology has the advantages of precise control of grain size and chemical composition, and relatively mature process optimization, etc. However, because the coating or deposition technology adds a cover layer on the material surface, the overall size of the material increases slightly, and there is a certain boundary between the coating and the material, and there will be defects in the specific input of production applications.In addition, the thickness of the gradient layer prepared by this technology is related to the deposition rate, which takes several hours to prepare a sample. The surface self-nanitrification technique, which generates intense plastic deformation on the surface of metal materials, has the advantages of simple operation, low cost and wide application, low investment in equipment and easy realization of unique advantages. The nanocrystalline layer prepared on the surface of metal materials with the surface self-nanitrification technique has a dense structure and no chemical composition difference from the substrate, and no surface defects such as pitting and pores, but the thickness of the gradient layers and nanolayers prepared by this technique as well as the surface quality of the material vary greatly depending on the process. Hybrid surface nanosizing is a combination of the first two techniques, in which a nanocrystalline layer is firstly prepared on the surface of a metallic material by surface nanosizing technology, and then a compound with a different composition from the base layer is formed on its surface by means of chemical treatment.To realize the modern industrial application of this new surface strengthening technology, it is still necessary to clarify the strengthening mechanism and formation kinetics of surface nanosizing technology as well as the effect of process parameters, microstructure, structure and properties on the nanosizing behavior of the material. For different nanosizing technologies, the precise numerical models for nanosizing technologies need to be established and improved, and the surface self-nanosizing equipment suitable for industrial scale production needs to be developed. In the future, surface nanosizing technology will be combined with some existing surface treatment technologies (e.g. electroplating, vapor deposition, adhesion coating, spraying, chemical heat treatment, etc.) to prepare a complex phase surface layer with more excellent performance, which is expected to achieve a greater comprehensive performance improvement of the surface layer of metal materials.KEY WORDS: metal material; surface nanocrystallization; gradient nanostructures; nanocrystallization mechanism; surface properties金属材料在基建工程、航空航天中扮演着重要角色，随着当今科学技术的高速发展，传统金属材料的局限性日趋明显，开发一种综合性能优异的金属材料迫在眉睫。
45钢表面纳米化机理增材制造
45钢表面纳米化机理增材制造【原创版】目录1.引言2.45 钢的特性3.表面纳米化机理4.增材制造技术5.45 钢表面纳米化与增材制造的结合6.结论正文【引言】随着科技的发展，新型材料及其制造技术不断涌现，为各个领域带来了前所未有的发展机遇。
其中，45 钢作为一种常用的高质钢材，在机械制造、汽车制造等领域具有广泛的应用。
近年来，表面纳米化技术和增材制造技术的出现，为 45 钢的性能提升和应用拓展提供了新的可能。
本文将对 45 钢表面纳米化机理增材制造进行探讨。
【45 钢的特性】45 钢是我国常用的高质钢材之一，具有较高的强度、良好的韧性和耐磨性。
其主要成分为碳（C）0.42-0.50%，硅（Si）0.17-0.37%，锰（Mn）0.50-0.80%，铬（Cr）≤0.25%，镍（Ni）≤0.30%。
这些元素的合理搭配使得 45 钢在机械性能、焊接性能和耐腐蚀性能等方面表现出优异的性能。
【表面纳米化机理】表面纳米化技术是指通过物理、化学或生物方法，在材料表面形成具有纳米尺度特性的结构或功能层的过程。
表面纳米化可以提高材料的耐磨性、抗疲劳性、抗腐蚀性等性能，从而拓展材料的应用领域。
45 钢表面纳米化的主要方法有：激光表面处理、电弧放电处理、磁控溅射等。
【增材制造技术】增材制造技术，又称为 3D 打印技术，是一种以数字模型为基础，通过逐层堆积物料来制造三维零件的方法。
增材制造技术具有高度的灵活性、自由度和可定制性，可以实现复杂结构、多功能零件的快速制造。
目前，增材制造技术在航空航天、医疗、汽车等领域取得了广泛应用。
【45 钢表面纳米化与增材制造的结合】将表面纳米化技术与增材制造技术相结合，可以充分发挥两者的优势，为 45 钢的性能提升和应用拓展提供有力支持。
例如，通过激光表面处理技术对 45 钢进行表面纳米化处理，再利用增材制造技术制造出高性能的纳米化 45 钢零件。
这种纳米化 45 钢零件不仅具有更高的强度、韧性和耐磨性，而且可以实现复杂的内部结构和功能。
表面纳米化对7055铝合金耐磨性能的影响
第 一作 者简介 ： 田 龙（ １ ９ ７ ６ 一） 男， 硕士， 讲师 。研究方 向 ： 机械 工
程、 材 料 加 工 研 究 与 教学 。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ：ｔ ｉ ａ ｎ ｌ ｏ ｎ ｇ — ｔ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｒ ＠１ ６ ３ ． ｅ ｏ ｍ。
具有 良好 的综合 力 学性 能 ， 在 航 空 航 天领 域 广 泛使
零部件表面进行高能喷丸纳米化 ， 使得提高金属零 部件耐摩擦性能 、 耐摩擦腐蚀性 ， 从 而有效延长零
部 件使 用寿命 。因此 ， 材 料 表 面 高能 喷 丸 纳米 化 的 耐磨性 能 研 究 正 在 成 为 一 个 热 点 研 究 领 域 。文 献 ［ ５ ］ 将Ｏ Ｃ ｒ ｌ ８ Ｎ ｉ ９ Ｔ ｉ 作为研究对象 ， 利 用 高 能 喷 丸 工
合金材料进行表面纳米化处理 ； 在７ ０ ５ ５铝合金表面获得纳米结构。利用透射电镜 分析纳米 化前后微观组织的变化 ， 同时对纳
米化材料表层进行残余应力及 显微硬度测定 ， 并采 用球 盘磨损试验机研 究 了纳米化表面对 固定载荷条件 下 ７ ０ ５ ５铝合金材料
磨损性能的影响。结果表 明： 表面纳米化使 ７ ０ ５ ５铝合金材料表面发生严 重塑性变形 ， 材 料表面分布较 高幅值残余压 应力， 最 大可达到 一 ３ ６ ９ Ｍ Ｐ ａ ， 残余压应力层深度达 ０ ． ６ ｍ ｍ； 纳米化后试样显微硬度较基体提 高 了５ ０ ％ 。摩擦磨损 实验 表明 ： 表 面纳
表 面层 产生 晶粒 细化 ， 喷丸表 面晶粒 尺 寸达 ５ ２ ｎ ｍ，
寿命前失效破坏， 经过调查发现 ， 大量金属结构件 的失效破坏多源于零部件 的表面¨ ； 因此利用各种
表 面处理 技术 来改 善 金属 构 件 材料 表 面耐 摩擦 、 磨
浅析表面纳米化对金属疲劳性能的影响
引 言１９９８年６月３日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成１００多人遇难身亡的严重后果。
事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。
从而导致了这场近５０年来德国最惨重铁路事故的发生。
２００２ 年５月２５日，台湾“中华航空公司”ＣＩ－６１ 班机，波音ｂ７４７－２００ 型客机在从台北飞往香港的途中坠机，乘坐这一航班的２０６ 名乘客和１９名机组成员全部遇难。
事后经台湾“中科院”航材所、美国国家运输安全委员会以及波音公司对飞机残骸进行金相分析表明，金属疲劳竟然是造成这次惨重事故的重要原因之一。
诸如此类，因金属疲劳引起的灾难性破坏事故屡见不鲜。
因此，研究金属疲劳问题的产生原因和寻求解决金属疲劳失效的方法显得十分重要。
疲劳断裂是造成航空、桥梁、车辆交通等领域发生严重事故的重要原因之一，因此研究各种因素对晶体金属疲劳寿命的影响，显得尤为重要。
１，金属疲劳现象的产生机理为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为从微观角度讲，金属内部浅析表面纳米化对金属疲劳性能的影响张 力 西安航空职业技术学院工业生产中心 ７１００８９结构并不均匀，从而造成对应力传递的不平衡，有缺陷的地方会成为应力集中区。
与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹，在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递载荷时，金属构件就会全部毁坏，甚至在工作应力远低于许用应力的情况下突然断裂，发生所谓的低应力脆断。
２，表面纳米化技术的提出和意义近年来，纳米材料以其优异的性能已成为材料领域研究的热点之一。
纳米材料由于晶粒细小（通常至少在一维方向上小于１００ｎｍ，典型为ｌ０ｎｍ左右），界面密度高、所占体积分数大，表现出独特的力学及物理化学性能。
大量实验结果表明，纳米材料的力学行为和性能通常优于传统粗晶材料，因此对粗晶材料进行晶粒细化处理使其晶粒达到纳米级（简称纳米化）将是一种不改变材料化学成分而提高其综合性能的新方法。
45钢表面纳米化机理增材制造
45钢表面纳米化机理增材制造摘要：1.45 钢介绍2.表面纳米化的意义3.45 钢表面纳米化机理4.增材制造在45 钢表面纳米化中的应用5.结论正文：45 钢是一种高质碳结构钢，具有高强度、高韧性以及良好的耐磨性和耐热性。
在我国工业领域中有着广泛的应用。
然而，由于45 钢的表面硬度较低，容易受到磨损和腐蚀的影响，因此对其表面进行纳米化处理具有重要意义。
表面纳米化可以显著提高材料的表面硬度、抗磨损和抗腐蚀性能。
这是因为纳米化处理使得材料表面形成细小的晶粒，从而提高了其硬度和耐磨性；同时，表面纳米化还改善了材料表面的黏附性，降低了腐蚀速率。
45 钢表面纳米化的主要机理包括：晶粒细化、相变和析出。
首先，通过表面纳米化处理，45 钢的晶粒尺寸可以减小到纳米级别。
晶粒细化可以有效提高材料的硬度和耐磨性。
其次，表面纳米化处理还会引发45 钢表面的相变和析出。
例如，马氏体的形成可以提高晶界能，从而增加材料的硬度；同时，析出物如碳化物和氮化物等可以填充晶界，进一步降低晶界能，提高材料的耐磨性。
增材制造技术，如激光熔覆和粉末床熔融，被广泛应用于45 钢表面纳米化处理。
这是因为增材制造技术可以直接将材料沉积在基材表面，形成具有纳米结构的涂层。
这种方法可以实现对45 钢表面的快速、高效和精确纳米化处理。
此外，增材制造技术还可以实现对45 钢表面的多种纳米化处理，如单一材料纳米化、复合材料纳米化和功能化纳米化等，以满足不同应用场景的需求。
总之，45 钢表面纳米化在提高材料性能方面具有重要意义。
通过表面纳米化处理，可以显著提高45 钢的表面硬度、抗磨损和抗腐蚀性能。
增材制造技术为45 钢表面纳米化提供了有效途径，可以实现对45 钢表面的快速、高效和精确纳米化处理。
金属表面纳米化
表面自身纳米化及其研究进展摘要：金属材料表面自身纳米化，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。
纳米结构表层与基体之问没有明砬的界面，处理前后材料的外形尺寸基本没变，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米晶体材料的优异性能与传统金属材料相结合。
关键词：表面自身纳米化；性能；应用前言很多丁程上的应用只需要改善材料的表面性能．就可以提高整个材料的综合服役性能和使用寿命，因为材料的失效一般源于材料的表面，如材料的疲劳、磨蚀疲劳、腐蚀、摩擦磨损等。
另外，为了改进一些常见的材料加丁工艺，如材料的表面渗氮、渗铬，异种金属材料的固态扩散焊接等，迫切需要改善材料的表面性能。
显然，把纳米技术与表面改性技术相结合。
实现材料的表面纳米化。
将是一个非常有潜力的领域。
近年来，徐滨士等【1-2】提出纳米表面工程的概念。
为材料表面改性开创了新的途径。
表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。
这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合，在工业应用上具有广阔的应用前景。
众所周知，工程结构材料的失效多始于表面，而且材料的疲劳、腐蚀、磨损对材料的表面结构和性能很敏感。
因此，表面组织和性能的优化就成为提高材料整体性能和服役行为的有效途径。
1999年，h等⋯提出了金属材料表面自身纳米化(SufaceSelf-Nanocrystallization，SNC)的概念，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。
纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后材料的外形尺寸基本不变。
这种表面自身纳米化技术，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表面改性技术中。
因此，这种新材料新技术具有很大的工业应用价值。
目前，表面纳米化的研究主要集中于机械加工的方法。
本文将简要介绍表面自身纳米化处理的技术特点以及对疲劳、腐蚀、磨损等性能的影响。
316L不锈钢表面纳米化的疲劳性能分析
究［ 『 １ ． 工 业 建 筑 ，１ ９ ８ ７（ ０ ８） ：１ ９ —２ ７ ．
［ ４ 】 李明浩 ， 马人 乐． 钢管塔塔 柱与腹杆插板连接点 的弹性 受
Ｒｅ ｓ ｅ ｉ ｎ ｇ Ｃａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ａｎｇ ｌ ｅ Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ Ｔｏ ｗｅ ｒ Ｊ ｏ ｉ ｎｔ
板 的承载力 ， 若 节点板厚度一定 的情况下 ， 随着宽厚 比的增加 ， 节 点的极 限承 载力不断降低 ， 反之 ，则提高 ；节点板 的极 限承 载力随着净距离 Ｃ的减小而增大 ， 随着净距离 Ｃ的增大而减小 。 参考文献 ： 『 １ １ 中华人 民共和 国国家标准 ：钢 结构 设计规 范 （ ＧＢ ５ ０ ０ １ ７ ２ ０ ０ ３ ）『 ｓ １ ． 北京 ：中国计划 出版社 ，２ ０ ０ ３ ． ［ ２ １ 程睿 ． 单 角钢连 接 节点板 受压性 能试验研 究与承 载 力计 算方法『 Ｄ１ ． 建筑结构 ，２ ０ ０ ９（ ０ ４ ） ：６ ２ —６ ７ ． ［ ３ １ 沈泽渊 ， 赵 熙元 ． 焊接 钢桁 架外加式 节点板静 力性 能的研
表 １ ３ １ ６ Ｌ 不 锈 钢化 学成 分
Ｉ 元素 ｆ Ｆ ｅ ｌ Ｃ ｌ Ｃ ｒ ｌ Ｎ ｉ ｌ Ｍ ｏ Ｓ Ｉ ｉ Ｉ Ｃ ｕ ｌ Ｃ ｏ ｌ
ｌ 丕 堡 塑Ｉ ： Ｉ ： 丝Ｉ ！ ： ！ ！ Ｉ ！ ｌ ： ： ｌ ： ｌ ： ！ ！ Ｉ ： ｊ
３ １ ６ Ｌ不锈钢 为应用广 泛的奥氏体不锈钢之一 ， 其优 良的材 料性 能被用于建筑材料 、石油 、化工 、原 子能 、海洋环境 等各 个 工业领域 。随着其 性能的不断优化 ，未来将会有更广泛 的应 用 空间。 由于工程材料 的失效大多源 于其 表面 ，因此很 多工 程 上如若 改善材料 的表 面性能就可 以改善材 料的综合性能 和使用 寿命 ，提高材料 的利用 率。随着金属材料表 面技术 的发展 ，早 在 １ ９ ９ ９年前 Ｋ Ｌ ｕ和 几ｕ提 出了金属材料表面纳米化 。该技术 通过机 械处理使材料表 面获得一层纳米 晶粒 ，从而改变金属材 料抗疲 劳 、耐磨 、耐蚀 等性能 ．同时可有效 提高金属材料 的力 学性能 和寿命 ，降低工程成 本 ，减少事故 的发 生。 因此 ，研究 金属材料 的疲 劳具有十分重要的工程意义 。 本文采用高 速旋 转丝刷 ， 对３ １ ６ Ｌ不锈 钢进 行表面纳米化处 理 ，通过 ＫＹＫ Ｙ２ ８ ０ ０ Ｂ型扫描 电镜对材料 纳米 化前和纳米化后
表面机械研磨纳米化GCr15钢摩擦磨损性能研究
金属 纳米 材料 由于 晶粒 细 小 、 面 密 度 高 而 界
表现出独特的力学及 物理化学性能 ， 为高性能金
属 材料 的研 制 提供 了发 展空 间 。大量 试验 结果 表 明 ， 米钢 铁材 料 的性 能 和 力 学行 为 明显 优 于 传 纳
直接影响其使用性能及寿命。因此 ， 如果能在材
理前后的摩擦磨损性能。分析结果表 明， 试验 中处理时间为 １ ｒ ｎ ５ａ 是提 高其摩擦磨损性能的 ｉ
最佳 工 艺条件 。磨 痕 形貌 的扫描 电镜 观 察表 明 ， 着磨损 深度 的增 加 ， 随 主导磨 损机 制 由黏 着磨
损 转 变为磨 粒磨损 。
关键词 ： Ｃｌ 钢 ； Ｇｒ ５ 表面机械研磨处理 ； 摩擦磨损 ； 表面纳米化 中图分 类号 ：Ｇ１２ ３ 文 献标 志码 ： 文章编 号 ：０ ８— ７ ６ ２ １ ）２— ０ ７—０ Ｔ ４ ．３ Ｂ １０ ０ １ （０ １ ０ ０ ２ ５
纳米化处理后 ， 材料表 面层 的摩擦 因数降低到最
低 点 ０２ 。 ． ７
ｍｅｈｎｃｌａｒｉｎ ｒａ ｎ ［Ｊ ．Ａ ｔ ｃａ ｉ ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ］ ｃａ ｔ ， ０ ３ ５ ： ａ ｔ ｏ ｅ ｍｅ ｉ Ｍａ ｒ ２０ ， ｅ １
１ ７１—１ ８１ ８ ８ ．
【 ］ Ｓ ｎＨ Ｑ，ｈ Ｚ ａｇ Ｍ Ｘ，ｔａ． ｌ ｔ ｔ ｉ－ ｄ ｃｄ ９ ｕ Ｓ ｉＹ Ｎ， ｈ ｎ ｅ １ Ｐａ ｉ ｓａｎｉ ｕｅ ｓｃ ｒ ｎ
Ｇ Ｃｒ ５ ｓ ｅ ｌｉ ｕｃ ｄ ｙ ｔ ｅ ｓ ｆ ｃ ｅ ｈａ ｉ ａ ｔｒｔｏ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｌ ｔ ｅ ｎｄ ｅ ｂ ｈ ｕｒ ａ ｅ ｍ ｃ ｎ ｃ ｌａ ｔ ｉｉ ｎ ｔ ｅ ｔ ｎ
不锈钢表面纳米化处理
不锈钢表面纳米化处理引言：不锈钢是一种常用的金属材料，具有良好的耐腐蚀性和机械强度。
然而，由于其表面粗糙度和结晶缺陷等因素，不锈钢的性能仍然存在一定的局限性。
为了进一步提升不锈钢的性能，人们开展了表面纳米化处理研究。
本文将从表面纳米化处理的原理、方法和应用领域等方面进行探讨。
一、表面纳米化处理的原理表面纳米化处理是指通过在不锈钢表面形成纳米级结构，改变其表面形貌和性能。
其原理主要包括两个方面：表面形貌改变和晶界结构调控。
1.表面形貌改变：表面形貌改变是指通过纳米化处理技术，使不锈钢表面形成纳米级结构，如纳米颗粒、纳米线、纳米孔等。
这些纳米结构具有较大的比表面积和特殊的表面能，可以增强不锈钢的吸附性能、光学性能和催化性能等。
2.晶界结构调控：晶界结构调控是指通过纳米化处理技术，调控不锈钢的晶界结构，包括晶粒尺寸、晶界数目和晶界能等。
这些调控可以有效地优化不锈钢的力学性能、电学性能和热学性能等。
二、表面纳米化处理的方法表面纳米化处理的方法多种多样，根据不同的目的和要求选择适合的方法。
1.机械法：机械法是最简单、最常用的表面纳米化处理方法之一。
通过机械研磨、划伤等方式，可以使不锈钢表面形成纳米级结构。
这种方法操作简单、成本低廉，但对于表面纳米化处理的深度和均匀性要求较高。
2.化学法：化学法是一种常用的表面纳米化处理方法，包括溶液法、浸渍法和电化学法等。
通过浸泡不锈钢于含有金属离子、有机物或无机物的溶液中，可以使不锈钢表面发生化学反应，形成纳米级结构。
这种方法能够实现较好的表面纳米化处理效果，但需要控制好反应条件，以避免产生不良的化学反应。
3.物理法：物理法是一种高精度的表面纳米化处理方法，包括溅射法、离子注入法和等离子体法等。
通过物理手段，如离子轰击、溅射沉积等，可以使不锈钢表面形成纳米级结构。
这种方法具有较高的精度和控制性，但设备复杂、成本较高。
三、表面纳米化处理的应用领域表面纳米化处理技术在不锈钢材料的各个领域都有广泛的应用。
金属 纳米涂层 表面处理
金属纳米涂层表面处理1. 引言1.1 金属纳米涂层的定义金属纳米涂层是一种在金属表面形成微米甚至纳米级别的薄膜覆盖层，其厚度通常在几纳米到几百纳米之间。
这种薄膜覆盖层由纳米颗粒组成，具有较高的比表面积和特殊的物理化学性质。
金属纳米涂层可以通过物理气相沉积、溶液法、化学气相沉积等方法制备，具有较好的导电性、耐腐蚀性和机械性能。
金属纳米涂层被广泛应用于电子、汽车、航空航天等领域，可以提高金属材料的性能和功能。
在生物医学领域，金属纳米涂层可以用于制备生物传感器、药物载体等，具有较好的生物相容性和生物活性，有望应用于疾病诊断和治疗。
在航空航天领域，金属纳米涂层可以提高飞机部件的耐磨性和耐热性，延长使用寿命，提高安全性和可靠性。
金属纳米涂层的出现和应用为金属材料的性能提升和功能拓展提供了新的途径和可能性。
通过对金属纳米涂层的研究和应用，可以进一步推动金属材料领域的发展和创新。
1.2 表面处理的重要性表面处理是指对金属表面进行一系列的物理、化学或机械处理，以改善其表面性能和延长材料的使用寿命。
表面处理在金属纳米涂层制备过程中起着至关重要的作用。
表面处理可以去除金属表面的氧化物、有机物或杂质等杂质物质，使金属表面更加洁净，有利于涂层的附着和稳定性。
通过表面处理可以增加金属表面的粗糙度，提高其表面能量和化学活性，进而有利于纳米涂层的均匀分布和附着力的增强。
表面处理还可以改善金属表面的机械性能和耐腐蚀性能，提高其使用寿命和稳定性。
表面处理在金属纳米涂层制备中扮演着不可或缺的角色，其重要性不容忽视。
通过合理的表面处理方法，可以有效提高纳米涂层的质量和性能，拓展金属纳米涂层在各个领域的应用。
2. 正文2.1 金属纳米涂层的制备方法金属纳米涂层的制备方法有多种，主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液法和电化学沉积等技术。
物理气相沉积是一种常用的制备方法，通过在真空条件下使金属原子或金属化合物蒸发，然后在基底表面沉积形成纳米涂层。
材料表面的纳米化
电镀法和化学镀法的特点对比
电镀与化学镀从原理上的区别就是电镀需要外加电源 和阳极发生氧化还原反应，而化学镀是依靠还原剂发生氧 化还原反应。 化学镀技术具有镀层均匀、气孔小、能在非导体上沉 积、对环境污染小、成本较低等优点。而且化学镀可以对 一些形状复杂的工件进行全表面施镀。 电镀因为有外加电源所以镀膜的速度比化学镀快。
材料表面的纳米化处理
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关于材料表面的纳米化处理
• 为什么进行材料表面的纳米化处理？
为了某些基体材料的使用寿命提高、催化效率提高、 表面强度提高、抗高温腐蚀性能增强、耐磨性增强而对 材料表面进行纳米级处理。 通常是在材料表面制备一层纳米薄膜。
材料表面纳米化处理的方法
1 2 3 4 5 6 7
镀膜的四种纳米结构
1 纳米薄膜
3 纳米线
4 孔隙纳米线
2 孔隙纳米薄膜
化学镀制备纳米薄膜
• 金属盐溶液中加入还原剂，就会形成相应的金属纳米颗粒， 提前对受体表面进行活化处理，纳米颗粒就可以附着在受 体表面形成纳米薄膜。
化学镀中纳米颗粒的制备
电镀法制备纳米线
• 如上图所示，以铝基材料制备纳米线为例，在磨光的铝表 面使用硼酸处理形成纳米孔隙，再电镀需要加入金属，再 用磷酸对铝基进行适当腐蚀形成电镀金属的纳米线结构， 宏观上看就形成了一层纳米薄膜。
电镀法制备孔隙纳米线
• 在电镀法制备纳米线的基础上，对镀入的合金纳米线进行 选择性腐蚀就会得到三维网状空隙结构的孔隙纳米线。 • 此方法明显可以大幅提高某些作为催化剂的金属的比表面 积。
电镀法制备孔隙纳米薄膜
• 与电镀法制备孔隙纳米线原理相同，可以对多元的纳米薄 膜中某种或某些金属进行选择性腐蚀，形成三维网状孔隙 纳米薄膜。
45钢表面纳米化机理增材制造
45钢表面纳米化机理增材制造1. 引言45钢是一种常用的工程结构材料，具有良好的机械性能和耐磨性。
然而，其表面的粗糙度和晶粒尺寸限制了其应用范围。
为了提高45钢的表面性能，纳米化机理增材制造技术被引入。
本文将详细介绍45钢表面纳米化机理增材制造的原理、方法和应用。
2. 纳米化机理增材制造原理纳米化机理增材制造是通过控制材料的微观结构和表面形貌，使其具有纳米级的特征尺寸和优异的性能。
其原理主要包括以下几个方面：2.1 界面扩散界面扩散是指在加热过程中，纳米粒子与基体材料之间发生的扩散现象。
纳米粒子的高表面能使其与基体材料之间产生强烈的相互作用，从而促进扩散。
通过控制加热温度和时间，可以实现纳米粒子的扩散和均匀分布。
2.2 晶粒细化晶粒细化是指通过纳米化机理增材制造技术，将材料的晶粒尺寸缩小到纳米级别。
晶粒细化可以提高材料的强度和硬度，并改善其耐磨性能。
纳米化机理增材制造技术通过控制加热和冷却速率，有效地实现了晶粒细化。
2.3 相变控制相变控制是指通过控制材料的相变过程，实现纳米化机理增材制造。
相变过程中，材料的晶粒尺寸和晶界特征会发生变化，从而影响材料的性能。
通过控制加热和冷却速率，可以实现相变控制，进而实现纳米化机理增材制造。
3. 纳米化机理增材制造方法纳米化机理增材制造方法主要包括以下几种：3.1 热处理热处理是指通过加热和冷却过程，改变材料的晶粒尺寸和结构。
在纳米化机理增材制造中，热处理被广泛应用。
通过控制加热温度、时间和冷却速率，可以实现纳米粒子的扩散和晶粒细化。
3.2 机械加工机械加工是指通过机械力对材料进行加工，改变其形状和结构。
在纳米化机理增材制造中，机械加工可以用于调整材料的晶粒尺寸和形貌。
常用的机械加工方法包括球磨、压制和拉伸等。
3.3 化学处理化学处理是指通过化学反应改变材料的表面形貌和结构。
在纳米化机理增材制造中，化学处理可以用于控制材料的晶粒尺寸和晶界特征。
常用的化学处理方法包括溶液处理、电化学处理和气相处理等。
纳米表面工程与摩擦学
纳米表面工程与摩擦学
从纳米表面工程的角度来看，研究人员通过纳米加工、纳米涂层、纳米结构表面等手段，可以在材料表面精确地控制微观结构和
化学成分，从而改变材料的摩擦性能。
例如，通过纳米加工技术可
以在材料表面制造纳米级的凹凸结构，从而减少实际接触面积，降
低摩擦系数；通过纳米涂层技术可以在材料表面形成高硬度、低摩
擦系数的纳米涂层，改善材料的耐磨性能；通过纳米结构表面技术
可以制备具有特殊化学成分和表面能的纳米结构表面，实现自润滑
和抗粘附等特殊摩擦性能。
从摩擦学的角度来看，纳米表面工程对摩擦学的影响主要体现
在以下几个方面，首先，纳米表面工程可以改变材料的摩擦特性，
如降低摩擦系数、提高耐磨性等，从而改善材料的摩擦性能；其次，纳米表面工程可以实现对摩擦过程的精细调控，例如通过设计特定
的纳米结构表面可以实现对摩擦界面的分子间相互作用的调控，从
而影响摩擦性能；最后，纳米表面工程还可以为摩擦学的研究提供
新的实验手段和技术支持，例如通过纳米力学测试仪器可以实现对
纳米尺度下摩擦性能的测试和研究。
总的来说，纳米表面工程与摩擦学的结合为我们提供了一种全
新的手段来改善材料的摩擦性能，同时也为摩擦学的研究提供了新的视角和实验手段。
这一交叉领域的发展将对材料科学、摩擦学和纳米科技的发展产生深远影响。
浅析表面纳米化对金属疲劳性能的影响
裂，而腐蚀、磨损 与疲劳断 裂均始 白材料 表 面， 所以材料 表面的结构和 性 能直接影响 工程金 属 材料的综合性能。金属部件 中有 ８％ 以上的损 ｏ
坏是 由于 疲劳引起 的 ，而且 ，一旦产生疲劳就 会造成十 分严重的后 果。 本文主要从 三方 面分 析 了表面纳柬化改善金 属疲劳性 能的机理 。显
维普资讯
息 ２ ０ 年第 ９ ０６ 期
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纳 米化
对金属疲劳性能的影响
张 力 西安航 空职业技 术学院工业生产 中心 ７ ０ ８ １０ ９
遇 难。事后 经台湾 “ 中科 院”航材所 、美 国国家运输安全委 员会以及波音公 司对飞 机 残骸进 行金相分析表 明 ，金属疲劳竟然 是造成这次惨莺事故的重要原 因之一 。诸 如此类 ，因金属疲劳 引起 的灾难性破坏事 故 屡见 鲜 。因此 ，研 究金属疲劳问题 的
产生原 因和寻求解决金属疲劳失效的方法 显得 十分重要。
金 属材料 的失效 形 式主 要 是腐 蚀 、磨 损和 断
结 构并 不 均 匀 ，从而造 成 对膨 力传递 的 平衡 ，有缺 陷的 地 方会 戍为 应 力集 中 区。 与此 同时 ，金属内部的缺陷处还俘存 许 多微小 的裂纹 ，在力的持续作用下 ，裂 纹会越来越大 ，材 料中能够传递应力部 分 越 来越 少 ，直至剩余部分不能继 续传递载 荷时 ，金 属构 件就 会全部毁坏 ，甚至在工 作应 力远低下许用应 力的情况一突然断 裂， ｒ
一
层具有纳 米晶体结构的表面层 ，将 ＿能改 米化后 ，表面的滑移带 、晶界 、第二相界 日 『 善工程材料的综合 力学性能及环境服役行 面相对减 少 ，这样，有利于抑制裂纹的萌 为 ，在 工 业应 用上 具 有 苇要 价 值 。 传统的改善金属疲劳性能 的方法 如表 面 镀 层 （ 铬 、镀 镍 等 ） 镀 。细 化 晶粒 存 在两 个 土要 难 ：第一 ，镀 层 本身 即使
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东华大学研究生课程论文封面教师填写：得分任课教师签名学生填写：姓名学号专业导师课程名称任课教师课程学分上课时间20 至20 学年第学期星期递交时间年月日本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。
所呈交的课程论文，是本人独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。
论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
论文作者签名：表面纳米化对金属材料耐磨性的影响摘要：材料的磨损起源于表面,金属材料的摩擦磨损性能与表面结构密切相关。
利用表面纳米化技术可以在金属材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层,从而大大提高金属的耐磨性。
结合国内外学者的研究报道,综述了表面纳米化在金属耐磨性方面的影响,讨论了表面纳米化方法与机理以及表面纳米化影响耐磨性的因素,简述了应用表面纳米化技术改善各种金属材料耐磨性的研究和实用成果,最后进行了总结和展望。
关键词：表面纳米化；金属材料；耐磨性Influence of Surface Nanocrystallization on Wear Resistance of Metallic MaterialsAbstract:Wearing stems from surface of material, the friction and wear properties of metallic materials are closely related to their surface structure. Nanostructured layer with a certain thickness can be produced by means of surface nanocrystallization technology on surface of metallic materials to enhance their wear resistance distinctly.With the research work of scholars, an overview of the influence of surface nanocrystallization on wear resistance of metallic materials is given. The methods, principle and factors influencing wear property of surface nanocrystallization are dis2 cussed, the research achievements and applying results are illustrated, and the summary and prospect are presented at last.Key words: surface nanocrystallization; metallic materials; wear resistance1、引言结构材料中许多失效(如磨损、疲劳等)均与材料表面结构和性能密切相关。
在大多数服役环境下，材料的失稳多始于表面，如果能在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，就可以通过表面组织和性能的优化来提高材料的整体性能和服役行为[1]。
基于此，20世纪末中科院金属所卢柯研究组提出了“表面纳米化”(Surface nanocrystallization)的概念，该项技术既着眼于当前的科技水平又面向实际工程应用，为采用纳米技术提高金属材料的性能和延长使用寿命提供了一条切实可行的途径。
表面纳米化技术和表面纳米化材料有许多独特之处，首先，表面纳米化采用常规表面处理方法即可实现，在工业应用上没有明显的技术限制；其次，表面纳米晶组织与基体组织之间无明显界面,不会发生剥层和分离；再次，表面纳米化既适用于材料的整体，又适用于局部的表面改性。
摩擦磨损性能是材料的重要使用性能之一。
材料的磨损起源于表面，表面纳米化技术不仅能避开制备块体纳米材料的困难[2]，而且能够明显改善材料的表面摩擦磨损性能，从而在很大程度上促进纳米技术的实用化、工业化以及规模化[3]。
本文结合最近几年应用表面纳米化技术提高金属耐磨性取得的研究成果，综述了表面纳米化对金属材料耐磨性的影响。
2、表面纳米化方法与原理[4]在块体材料表面获得纳米结构表层主要有3种基本方式：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合纳米化(如图1所示)。
其中表面自身纳米化技术(图1(b))由于所制备的纳米层的化学成分与基体相同,不存在界面污染、孔洞等缺陷,同时纳米层和基体之间结合紧密，不易脱落，从而更具有开发应用的潜力和前景。
其原理是通过外加载荷重复作用于材料表面，使材料表面粗晶组织产生不同方向的强烈塑性变形，引入大量的非平衡缺陷和界面，使常规粗大晶粒逐渐细化至纳米量级。
图1表面纳米化的3种基本方式实现表面自身纳米化主要有2种方法，即表面机械加工处理法和非平衡热力学法。
其中表面机械加工处理法(图2)在工业应用中不存在明显的技术障碍，并且处理后材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，在使用过程中不会发生剥层和分离，因而更具开发应用潜力，目前的研究也多数集中于由该方法导致的表面自身纳米化。
表面机械加工处理法主要有表面机械研磨(SMA T)、高能喷丸(HESP)以及超音速微粒轰击(SFPB)等。
图2表面机械研磨(a)及表层局部塑性变形(b)的示意图3、表面纳米化影响耐磨性的因素表面纳米化改变了材料表面的组织和结构，从而改变了材料表面的摩擦磨损行为。
王镇波等[5]认为表面纳米化从两个方面影响材料的摩擦磨损行为：一方面是因为纳米表层具有较高的强度和硬度，磨粒压入表层的深度小，在摩擦磨损试验中配副相对样品表面运动的阻力较小，所以表面纳米化样品的摩擦系数及磨粒磨损所造成的磨损量都比未处理样品的小；另一方面是因为表面纳米晶组织能有效抑制裂纹的萌生，而心部的粗晶组织又可以阻止裂纹的扩展,因此在相同载荷下，表面纳米化样品较未处理样品更难于发生疲劳磨损。
但不能简单地认为表面纳米化后材料的耐磨性一定会提高，材料的摩擦磨损行为主要取决于纳米结构表层的厚度和表面粗糙度，也与载荷有关[6]。
纳米晶的存在可以改善材料表面的耐磨性，厚的纳米层对提高耐磨性有利，但要得到厚的纳米层往往会增大表面粗糙度或引入更多的累积损伤。
在中低载荷下，粗糙度过大将会抵消纳米化的作用,甚至会降低材料的耐磨性；在高载荷下，粗糙度的影响不大，故在高载荷下增加纳米结构表层的厚度将有助于提高材料的耐磨性。
另外,如果是在润滑情况下，由于纳米表面具有较高的表面活性而容易吸附油膜，故对提高耐磨性有利[4]。
对于旨在提高材料表面耐磨性的表面处理工艺中，应尽可能地增加纳米结构表层的厚度，同时应控制材料表面的粗糙度。
4、应用表面纳米化技术改善金属耐磨性近10年来，随着表面纳米化技术的提出并快速发展，近几年国内外的研究者已应用表面纳米化技术在钢、铁、铜、钛、镁、锆等多种金属和合金材料表面制备出纳米层，并实现了材料耐磨性的大幅提高。
早在2001年，王镇波等[5]通过表面机械研磨(SMA T)处理，在低碳钢表面形成了厚度约为20μm的纳米晶组织层(图3)，纳米晶粒平均尺寸为10~20nm，降低了低碳钢在中低载荷下干摩擦(室温、无润滑)的磨损量(图4)，并明显降低了摩擦系数(图5)，大大改善了低碳钢的耐磨性。
并且发现,随着载荷的增大，表面纳米化低碳钢的主要磨损机制从磨粒磨损转变为疲劳磨损，表面纳米化有助于减弱低碳钢表面的疲劳磨损效应。
王长顺等[8]也通过SMA T制备了厚度约为40μm的低碳钢表面纳米晶层，低碳钢的耐磨性得到提高，并初步提出了表面粗糙度因素的影响(图6)。
图3低碳钢表面机械研磨处理(SMA T)后的横截面组织[8]图4 低碳钢表面纳米化前后的磨损量图5 低碳钢表面纳米化前后摩擦系数图6 原始低碳钢以及表面纳米化处理不同时间后的磨损量严伟林等[9]采用传统喷丸技术,在高锰钢磨料表面制备出纳米结构表层,在软磨料磨损条件下，高锰钢耐磨性明显提高,尤其喷丸30min后的高锰钢耐磨性更是提高了72%(图7)，但喷丸时间过长的高锰钢由于产生了微裂纹而导致耐磨性下降。
另外，未喷丸处理的高锰钢主要为微观切削磨损，而表面纳米化高锰钢主要为疲劳剥落导致的磨损，说明表面纳米化处理通过改变磨损机理提高了金属的耐磨性。
图7 高锰钢的耐磨性与喷丸时间的关系葛利玲等[10]采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对40Cr调质钢进行表面处理后，形成了随机取向的铁素体和渗碳体纳米晶粒，晶粒尺寸达10nm，纳米层厚度约为40μm。
经SF2PB 处理后40Cr钢的摩擦系数降低(图8)，磨损量明显减少(表1)，耐磨性提高。
表140Cr调质钢SFPB前后的磨损失重图8 40Cr调质钢SFPB前后的摩擦系数韩忠等[2]采用SMAT方法在纯铜表面成功地制备出厚度约为25μm的纳米晶层，最表层晶粒尺寸约为10nm。
他们研究了Cu纳米晶表层在室温条件下的滑动及微动摩擦磨损性能，发现在滑动干摩擦条件下Cu纳米晶表层摩擦磨损性能明显优于普通粗晶Cu，而对于微动摩擦，Cu纳米晶表层磨损量明显低于粗晶Cu。
在干摩擦条件下，Cu纳米晶表层摩擦系数低于粗晶Cu(图9)，在油润滑条件下，Cu纳米晶表层摩擦系数高于粗晶Cu(图10），这主要是Cu纳米晶表层的高硬度导致油膜破坏引起金属之间局部直接接触造成的。
图9 SMA T铜与粗晶钢的微动干摩擦系数图10 SMA T铜与粗晶钢的微动油润滑摩擦系数罗荣等[11]采用阳极氧化法在纯钛表面制备出TiO2纳米管层，发现在干摩擦条件下钛表面纳米管的存在降低了材料的摩擦系数，减小了磨损,并提出钛表面纳米管层的磨损机制为磨粒磨损、疲劳磨损和黏着磨损,磨损过程中对磨件也产生了材料转移，氧化腐蚀磨损也同时产生。
5、结语总体来说,表面纳米化影响材料耐磨性的研究还处于起步阶段，要想实现工业应用还需要解决一些重要问题，如表面纳米化工艺及参数对材料摩擦磨损行为的影响、纳米化影响耐磨性的微观机理、纳米层组织与摩擦磨损性能的关系等。
减少摩擦,提高零件金属材料的耐磨性，将大大提高机械设备的可靠性、工作性能并延长其使用寿命，同时也节约了能源和原材料，对促进国民经济的发展具有重大意义。
随着近年来工业应用和国防建设对材料高耐磨性的迫切需求，以及表面处理技术日新月异的快速发展，表面纳米化技术规模化地应用于工业和国防建设将有着广阔的发展前景和巨大的实用价值。
参考文献[1] 徐滨士. 表面纳米工程[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004. 352-353; 373-375.[2] 韩忠, 卢柯. 纯铜纳米晶表层摩擦磨损性能研究[J]. 中国科学, 2008, 38(11): 1477.[3] 刘红. 金属材料表面纳米化研究现状[J]. 石油工程建设, 2010, 36(3): 11[4] 赵严. 表面纳米化对金属材料耐磨性的影响[J]. 材料导报, 2012, 26(3): 119-122[5] 王镇波, 雍兴平, 陶乃镕,等.表面纳米化对低碳钢摩擦磨损性能的影响[J]. 金属学报, 2001, 37(12):1251[6] 刘刚, 雍兴平, 卢柯. 金属材料表面纳米化的研究现状[J]. 中国表面工程, 2001(3): 1[7] 刘阳, 吕晓仁, 张荣禄等. 超音速微粒轰击表面纳米化及对耐磨性的影响[J]. 中国表面工程, 2006,19(6): 20[8] 王长顺, 刘刚. 低碳钢的表面纳米化组织及其性能[J]. 钢铁, 2006, 41(12): 60[9] 严伟林, 方亮, 孙琨等. 表面纳米化对高锰钢磨料磨损性能的影响[J]. 西安交通大学学报, 2007, 41(5):611[10] 葛利玲, 路彩虹, 井晓天等. 40Cr钢表面纳米化组织与性能研究[J]. 表面技术, 2008, 37(2): 11[11] 罗荣, 冯波, 陈建敏等. 表面纳米化纯钛的摩擦磨损性能[J]. 润滑与密封, 2009, 34(10): 1。