金属材料表面纳米化研究现状

金属材料表面纳米化研究现状

作者：张瀚文

来源：《西部论丛》2018年第12期

摘要：材料的组织结构决定着材料的性能。自 20 世纪80 年代初 HGleiter 等人首次用惰性气体冷凝法制备出纳米金属粒子并经原位加压成型获得纳米材料以来，人们对纳米材料和其制备技术的研究进行了不断的探索。纳米材料具有特殊的组织和一系列优良的力学性能及物理化学性能，已经成为材料研究的热门。就目前而言，大块体金属材料的整体纳米化制备技术尚不成熟，难以进行工业化的大批量生产。

关键词：表面纳米化制备方法显微组织特征使役性能

1表面纳米化的制备方法

目前金属材料表面纳米化主要有三种基本方法：表面涂层或沉积、表面自纳米化及混合方式。表面涂层或沉积是将已制备好具有纳米尺度的颗粒固结在材料的表面，形成一个与基体结构成分相同（或不同）的表层。处理后纳米表层晶粒大小比较均匀且整体外形尺寸有所增加；常用的方法有 CVD、PVD、溅射、电镀及电解沉积等；实现表层纳米晶粒与基体的牢固结合并抑制纳米晶粒长大是整个工艺的关键。表面自纳米化是采用非平衡处理的方法增加材料表面的自由能，使表面粗晶组织逐渐细化至纳米量级。处理后晶粒组织及尺寸沿深度方向呈梯度变化，外形尺寸基本不变。常用的几种方法有表面机械研磨处理法（SMAT）、超声喷丸法、凸轮滚压法、超音速微粒轰击法（SFPB）等。混合方式是将表面纳米化技术与化学处理相结合，形成与基体成分不同的固溶体或化合物，如 20CrMo 合金钢、低碳钢等在表面研磨处理后进行低温渗氮等。

三种处理方式中，表面自纳米化技术具有操作简单且实用，设备投资少的独特优点。

2表面自纳米化机理

目前，对表面自纳米化的研究主要集中在往复塑性变形法，其基本原理如下：利用载荷的重复作用，使金属材料表面粗晶组织产生不同方向的强塑性变形，以产生高密度的晶体缺陷（例如位错、孪晶、大角度晶界等），这些缺陷相互作用，不断地湮没和重组，使晶粒逐渐细化至纳米量级。表面自纳米化机理跟金属晶体结构和层错能的大小有着密切的关系。一般体心立方和中高层错能的面心立方金属晶体主要通过位错的不断增值和相互作用，经历了由大晶粒晶界-亚晶界-小晶粒晶界的演变，最终达到增值速率与湮没速率的平衡而细化至纳米量级。如工业纯铁在高能喷丸表面自纳米化过程中，晶粒的纳米化过程就是通过位错分割的方式演变而成的。对于低层错能和含有亚稳相的金属而言，孪晶的生长驱动力较大。首先在表面位错的作用下形成了单系孪晶，随着作用时间的延长和作用次数的增多，单系孪晶逐渐演变成多系孪晶，多系孪晶和相变马氏体的相互交割而使晶粒尺寸不断减小，最终细化至纳米量

级。如 AISI304 不锈钢经表面机械研磨处理实现表面自纳米化就是这一种纳米化机理的典型。

3表面纳米化对材料使役性能的影响

3.1力学性能

材料强度和硬度与晶粒尺寸之间满足 Hall-Petch关系。金属材料经表面自纳米化处理后，表面强度和硬度会显著提高，并随着深度的增加，逐渐降低至与心部原始晶粒相同。此外，納米化过程中发生的相变或第二相的存在也促进了表面强度和硬度的增加。吴建军等采用快速多重旋转碾压设备

（FMRR）对 1Cr17 不锈钢进行表面纳米化处理。结果表明：表面纳米化处理后表层获得了约为 50 um 厚的强烈塑变层，该层平均晶粒尺寸约为 20 nm，晶粒大小随深度呈梯度变化；随处理时间的延长，变形层厚度变大，但表层的晶粒尺寸变化不大；与未处理试样的表面显微硬度（190 HV）相比，表面处理 30 min 的试样表面硬度增加至 270 HV，处理 60 min 的试样表面硬度增加至 310 HV。

对于大多数超细晶金属材料，强度和硬度的提高会伴随着韧性和塑性的降低，这是由于高密度的晶界数量分割了晶粒中位错的连续性，阻碍了位错的滑移发展[14]。金属材料经表面纳米化处理后，由于晶粒大小随深度呈梯度变化，故材料整体韧塑性降低的幅度不明显。Liu 等采用 SMAT 法对 1.5 mm 厚度低碳钢板材进行表面纳米化处理后发现，材料的整体屈服强度提高约 35 %，而伸长率只下降 4%。可见，表面纳米强化层能够提高材料的整体强度，同时又不明显地降低材料的韧性和塑性。少部分超细晶金属材料韧塑性变化趋势与之相反。如LA91合金板表面纳米化后，抗拉强度比未处理时提高了10%，伸长率提高了 53%，综合力学性能得到提升。

3.2抗疲劳性

金属表面自纳米化后表层的晶界处、第二相夹杂物或滑移带相对减少，减少了导致疲劳裂纹产生的应力集中源。另一方面，细化的晶粒相当于减小了滑移的平均距离，即分散了位错塞积造成的应力集中，提高了材料的滑移抗力，有效抑制了微裂纹的萌生与扩展。表面残余应力在一定程度上也有效抑制了疲劳裂纹的萌生，心部粗晶组织又可以阻止裂纹扩展，对其疲劳寿命的提高起到了非常重要的作用。表面粗糙度的增加可能会使疲劳寿命有所降低，但相对影响较小。辛素敏等采用由超声喷丸纳米化技术对316L 不锈钢试样进行了表面纳米化处理，并研究了表面纳米化对其抗疲劳性能的影响，得出以下结论：

①超声喷丸表面纳米化使表面晶粒细化成等轴、取向随机、晶粒尺寸为 15～20 nm 的纳米晶，由奥氏体和马氏体两相组成，说明处理过程中伴随了马氏体相变的发生；

②喷丸后是喷丸前疲劳寿命的1.29～1.45 倍；

③超声喷丸后样品的疲劳裂纹主要产生在试样次表面 60～80 μm 深度过渡变形层的气孔或夹杂处；

④纳米层显微组织结构的改变和残余压应力直接促进了 316L 不锈钢疲劳寿命的提高；

⑤喷丸处理表面纳米化的材料的屈服强度与抗拉强度均得到了显著提高，对抗疲劳更有利。

5结论与展望

金属表面自纳米化的过程中，不同晶体结构的金属材料纳米化机理存在一些差异。通常体心立方的材料，纳米化行为主要取决于位错的发展变化；而面心立方的材料，除了位错作用外，还可能受到孪生和层错的影响。金属经表面纳米化处理后能明显提高金属材料及其零部件表面的强度、硬度、抗疲劳、耐磨性及耐蚀性等。将表面纳米化技术与其他表面处理相结合，如电镀、喷涂等，可开发出高性能的新型材料。将表面自纳米化技术与化学处理相结合，能为制备高性能的复相表层提供一条新途径。此外，表面自纳米化技术在异种金属材料的扩散焊接中也有很大的应用潜力。目前，人们对表面纳米化的研究处于初步阶段，若要投入生产实际应用，还需要对表面纳米化的微观机理和动力学以及对组织的影响做进一步研究，以研制出适用于工业生产的表面自纳米化设备。

参考文献：

何忠治.电工钢（上册）[M].北京：冶金工业出版社，1997