金属材料表面自纳米化技术研究_张顺.pdf

金属材料表面自纳米化技术研究张顺，丁亚茹（内蒙古机电职业技术学院，内蒙古呼和浩特010051）摘要：金属表面自纳米化技术具有方法简单、处理成本低等优点，适用于各种金属材料，其市场开发空间广阔。鉴于此，针对表面自纳米化对金属表面组织及性能的影响情况进行研究分析。研究表明：金属表面自纳米化技术是在材料表面施加冲击载荷，使其发生塑性变形，进而形成一定厚度的纳米晶；处理后的材料表层组织呈阶梯状变化，分为纳米层、细亚晶塑变层、粗晶应变层、基体层；通过表面自纳米化处理，材料表面的粗糙度、平整度和缺陷数量发生明显变化，进而使残余应力、摩擦磨损性和疲劳性能得以改善。关键词：表面自纳米化；塑性变形；疲劳性能；摩擦磨损性能中图分类号：TG17文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0071-031研究目的及意义金属表面自纳米化是由卢柯与吕坚共同提出来的1，金属材料表面受到冲击载荷作用后产生塑性变形，从而在材料表层一定深度范围内形成纳米结构，但材料内部并没有受到塑性变形的影响而依然保持着原有的粗晶粒状态和化学成分。自从该技术提出以来，各国学者分别在低碳钢、不锈钢、铜合金、钛合金、镁合金、铝合金等材料表面成功制备了一定厚度的纳米级晶粒，对各自的纳米化形成机理、组织演变进行了表征，并通过拉伸实验、显微硬度测定等方法对处理前后的材料性能进行了对比，发现处理后的金属材料的强度、表面硬度、摩擦磨损、疲劳强度等性能会显著提升，从而使金属材料的使用性能得以提升2。该技术具有方法简单、处理成本低等优点，适用于各种金属材料3，其市场开发空间广阔，因此本文结合金属材料表面自纳米化的特点，对其组织和性能进行了研究。2表面自纳米化表面自身纳米化的主要方法之一为表面机械（加工）处理法。表面机械（加工）处理法操作简单，操作设备对环境要求较低，常见的方法有超声冲击法和喷丸法。如图 1 所示为超声冲击处理法原理图，通过超声冲击针反复冲击材料表面，使材料表层发生大量塑性变形，表层晶粒呈阶梯状分布，由表及里逐渐增大，直至不发生变化。喷丸处理等其他处理方法与超声冲击处理方法相似，都在金属表层生成一定厚度的塑性变形层。表面自纳米化处理与化学热处理和普通热处理相结合，可以使金属材料获得更好的力学性能。在金属材料表面完成自纳米化处理后，会在金属表面一定深度的范围内形成表面纳米晶，为化学热处理提供快速扩散通道，减小扩散时间，降低扩散温度，增大渗透层厚度，提高基体的表面性能。表面自纳米化-普通热处理是对材料先进行普通淬火回火与表面形变处理，再进行表面自纳米化处理，使强化相形状发生变化，从而使其疲劳强度、耐磨性和使用寿命都有明显提高。3表面自纳米化处理后对金属表面组织及性能的影响3.1对表面形貌的影响表面自纳米化处理后，对金属材料表面性能影响较大，以铝合金焊接接头作为研究对象，采用 UIT 处理铝合金，观察处理前的表面形貌，如下页图 2-1 所示，未经过超声处理的金属材料表面至基准面的距离在 100250 m，距离基准面距离为 50 m、100 m、150 m、250 m 表面的面积几乎相等且分布均匀。如下页图 2-2 所示，经过表面自纳米化处理后，焊接接头处距基准面的距离几乎全是 150m，表面极为平整光滑。对比处理前后的表面粗糙度，未处理焊接接头的粗糙度达到 43.21 m，而经纳米化处理后，焊接接头处的粗糙度仅为 3.61 m。自纳米化处理后，表面粗糙度明显降低，表面连续性变好，表层缺陷被消除4。3.2对组织的影响金属材料经过表面自纳米化处理后，其组织分布收稿日期：2022-12-08基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY21359）；内蒙古机电职业技术学院科学研究项目（NJDZR2001）第一作者简介：张顺（1981），男，河北人，毕业于佳木斯大学金属材料专业，本科，副教授，主要研究方向为焊接、金属材料的性能和组织。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.027图 1超声冲击处理超声冲击行业纵横山西冶金E-mail:第 46 卷如图 3 所示，由表及里晶粒度呈梯度增大，按晶体结构分为纳米层、亚晶塑变层、粗晶应变层和基体层。纳米层：经剧烈塑性变形而产生的大量晶体学取向呈随机分布的等轴纳米晶形成。亚晶塑变层：由大量的位错缠结、位错墙、位错胞组成5。不锈钢粗晶的表面自纳米化处理后生成纳米奥氏体，其塑性变形含位错运动、孪生协调以及晶粒旋转三种模式6。铝合金表面属于高层错能金属，如图 4 所示，自纳米化处理过程中，首先出现大量位错（图 4-1），这些位错通过交滑移的作用形成位错胞（图 4-2），同时不断堆积形成一定程度的位错墙和位错缠结（图 4-3），形成的高密度位错不断发生湮灭和重排，使得位错墙和位错缠结演化成小角度亚晶界，从而形成纳米晶7-8。粗晶应变层：相对于基体组织，该层晶粒尺寸相差不大，组织结构也基本相同，只是发生了应变，产生了加工硬化现象，且两者的组织结构也较为相似。接下来研究铝合金焊接接头处组织，分别观察该位置前后的表层组织。如图 5 所示，图 5-1 为未处理焊缝的显微形貌，表面呈不平整状态，连续性较差，焊缝均匀分布着树枝状 T 相，图 5-2 为 UIT 处理焊缝的显微形貌，表面变为连续平整，表层呈现梯度塑性变形，塑性变形层厚度为 169 m。根据晶粒的尺寸和形状，将处理后的焊缝划分为 4 层：焊缝表层-12.2 m、-12.2-99 m、-99-169 m、-169 m 以下。表层-12.2 m 范围内晶粒变得极为细小，已无法观察到原始晶界，已形成纳米晶；-12.2-99 m 范围内，可以观察到明显的塑性流动，且晶粒尺寸由上到下逐渐变大；-99-169 m 范围内，表层晶粒仍保持原来的尺寸，但存在明显塑性变形，晶粒明显被压扁，水平方向尺寸变大，高度方向尺寸变小，呈细长的晶粒状；-169 m 以下，晶粒没有发生尺寸和形状的改变。3.3对摩擦磨损性能的影响通过表面自纳米化处理，金属材料表面形貌发生了较大的变化，沿表面纹理方向规则分布的沟壑缺陷沿深度尺寸的增加而减小，获得较高的表面质量，同时细化材料表面晶粒，均匀参与应力，显著提高材料的耐磨性9。表面自纳米化处理作用于焊缝时，提高了表面硬度，减少了焊缝表面缺陷，减小了表面摩擦磨损系数，提高了摩擦磨损的性能。3.4对疲劳性能的影响疲劳强度是结构材料的主要性能之一。材料的疲劳破坏经常由裂纹的萌生开始，并逐渐扩展延伸，最后发生断裂。疲劳裂纹的产生主要是由于局部的交变载荷应力作用，例如材料的缺陷、夹杂、孔、切口、台阶、几何不连续处及构件表面，易引起应力集中，从而形成高应力。焊接结构在循环交变载荷的作用下，存在缺陷的局部位置发生微塑性变形，进而萌生细小的微裂纹扩展长大，当达到一定的临界尺寸时，逐步形成宏观裂纹扩展引起断面撕裂，发生疲劳失效断裂。经过表面自纳米化处理后，在金属材料表面产生大量2-1处理前2-2处理后图 2接头处 3D 形貌图图 3自纳米化处理后金属材料表面的变形层分布4-3位错墙和显微带图 4滑移后位错胞结构特点4-1滑移线4-2胞块图 5处理前后的显微组织图5-1未处理5-2UIT 处理250200150100500距基准面距离/m基体层粗晶应变层亚晶塑变层纳米层位错墙显微带722023 年第 5 期Typomorphic Characteristics of Pyrite and Genesis of Huangjinping Gold Deposit in DaduRiver Metallogenic BeltLiu Shuyue（Chengdu University of Technology,Chengdu Sichuan 610059）Abstract:This paper takes the Huangjinping gold deposit in the metallogenic belt as the research object,and carries out mineralogicalresearch from the morphological characteristics,major elements and thermoelectric coefficient of pyrite,and discusses the typomorphiccharacteristics of pyrite in the deposit and the genesis of the deposit.The results show that there are two stages of pyrite in the deposit.Theearly pyrite crystal forms are mainly cubic and pentagonal dodecahedral,with large particles.The late pyrite is cubic and small in size.Themain elements in pyrite show the characteristics of iron loss,and its m（S）/m（Fe）ratio is greater than 2.Pyrite thermal conductivity type isN-type,and thermoelectric coefficient is-390-164 V/,the mineralization temperature is 173297,and the average temperature is261.In conclusion,it is believed that the Huangjinping gold deposit is a medium-low temperature hydrothermal deposit related tomagmatic hydrothermal fluid.Key words:Huangjinping gold deposit;pyrite;typological characteristics的纳米晶，该晶粒尺寸较小，故导致晶界更为复杂，从而阻碍了裂纹进一步扩展，晶粒尺寸越小，越会影响裂纹扩展速率10。表面自纳米化处理后，焊接接头表面更为连续，几乎没有表面缺陷，并形成纳米晶和细晶区，使表面硬度、强度提高，减少了裂纹源数量，进而提高了金属材料表面疲劳强度。4结论1）表面自纳米化处理后，材料表面粗糙度降低，表面平整光滑，表面缺陷明显减少。2）表面自纳米化处理后，材料表层组织呈阶梯状变化，主要体现为晶粒度和结构特点不同，由外到内分别为纳米层、亚晶塑变层、粗晶应变层、基体层。3）表面自纳米化处理后，晶粒愈发细小，晶界更为复杂，使金属材料表面硬度提高的同时其不连续性也得到改善，表面粗糙度减小，残余拉应力降低，材料摩擦磨损性和疲劳性能明显提高。参考文献1卢柯，吕坚.一种金属材料表面纳米层的制备方法：CN99122670.4P，1999-12-24.2Zhou L，He W，Luo S，et al.Laser shock peening induced surfacenanocrystallization and martensite transformation in austenitic stainlesssteelJ.Journal of Alloys&Compounds，2016，655：66-70.3卢柯.梯度纳米结构材料J.金属学报，2015，51（1）：1-10.4朱有利，李占明，何嘉武，等.超声冲击处理 2A12 铝合金焊缝表层微观组织结构变化J.材料工程，2009（7）：79-82.5胡兰青.金属纳米晶化及机理研究D.太原：太原理工大学，2005.6胡国忠